梅钢铁水运输机车纯电动改进研究

0引言

梅钢物流部普铁区域机车共有8台,其中3台电传机车用于梅山矿及古雄站大吨位牵引,轴距长,不适宜厂内小曲线半径作业;5台GK1型液传机车用于厂内过磅、焦化、翻车机作业区域,液传机车于1993年从资阳机车厂引进,最早一台GK1型022内燃液传机车已运用近30年,配备Z12V190BJ4发动机及ZY1011GY液力传动箱。该机型早些年已经淘汰, 目前机车传动箱、柴油机及走行等部件由于运用年限长,处于加速劣化阶段,维修成本高。根据机车现状和运用状况分析, 目前普铁区域GK1型机车运用年限长、机械部件磨耗严重、状态差、燃油消耗及排放高,需进行新能源化改进。

1生产中存在的实际问题

1.1 国家层面相关政策要求

近年来,随着高质量发展和碳达峰、碳中和总体发展战略的提出,各地方政府环保政策相继出台,对企业高质量发展、环境保护、尾气排放等提出了明确要求。近期,国家铁路局组织编制了《老旧型铁路内燃机车淘汰更新监督管理办法》^[1],对老旧型铁路内燃机车实行分类管理,对达到报废运用年限30年的老旧型铁路内燃机车实施报废管理,已达到报废运用年限或者使用已达到报废运用年限机车零部件拼装的老旧型铁路内燃机车不得参与铁路运输。另外,国家铁路局贯彻落实“双碳”国家战略,推动铁路装备技术创新和绿色发展,支持新能源铁路机车替代运用。

1.2 公司层面内在需求

分析公司铁运现状,GK1型内燃机车从节能减排、降本增效、机车运用率、可靠性指标等方面均无法适应国家政策要求和公司发展趋势,面临淘汰升级。当前公司GK1型内燃机车主要存在以下不足:

1)内燃机车尾气排放造成的环保问题。为完善我国移动源排放标准体系,落实国务院“十四五”节能减排方案中推动实施铁路内燃机车国一排放标准的要求,推动铁路内燃机车行业技术进步和发展,生态环境部组织编制了国家生态环境标准《铁路内燃机车及其发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)(征求意见稿)》^[2]。GK1型内燃机车柴油机为济南柴油机厂生产,根据该厂《190柴油机系列排放特性的研究》^[3],在怠速工况至满负荷工况间柴油机排放标准试验数据如下:氮氧化物16.4~19.28 g/(kw•h),一氧化碳3.47~14.77 g/(kw•h),碳氢化合物1.169~2.99 g/(kw•h)。该数据远未达到当前国家行业排放标准。

2)运用成本高。为保证工作台班内任何情况下机车都能够随时投入,现有内燃调车机车采取怠速不熄火的运用方式,造成燃料成本高;同时内燃机车柴油机及辅助系统的日常维保工作量大,当前国内各主要冶金企业内燃机车普遍采用小、辅修加轮换大、中修的模式,机车的年维保成本居高不下,年运用成本达115万元。

3)工作环境差。内燃调车机车的柴油机噪声大、振动大,司机室内环境差,司乘人员长期受噪声、振动等困扰。

4)冷机状态起机时间长,尤其是在冬季时需要长时间阶段性起机打温,浪费燃油,并易受到周边居民噪声投诉。

5)机车部件磨损严重、故障率高,影响机车运用效率。

6)GK1型内燃机车柴油机、液力传动效率低,机车燃油消耗达33 L/h,与机车牵引能效严重不成正比。

7)自动化程度不高。设备状态的检查以人工为主,质量难以把控,需进一步提高设备智能化水平,实时监控机车各主要部件,全面掌握机车及主要部件状态信息,为设备运维一体的管控模式提供有利条件。

2机车新能源改进方案市场调研情况及优缺点对比

2.1机车牵引动力改进的两种方式

2.1.1混合动力

混合动力机车主要动力模式分为动力电池模式、柴油机动力模式和柴油机十动力电池的双动力模式。动力电池模式下,机车牵引采用动力电池供电,柴油机根据机车功率需求、动力电池容量状态等参数自动启动或停止为动力电池充电,同时机车微机控制动力电池的充放电逻辑;柴油机动力模式下以柴油机为机车运行提供动力,车载微机根据机车需求控制柴油机功率;双动力模式下由动力电池十柴油机同时为机车运行提供动力,该模式主要应用在特殊、困难、重载、机车需要大功率输出工况条件下,双动力模式保证了机车功率和牵引力的稳定输出。

1)混合动力机车优点:机车动力系统为双动力源,动力电池可采用地面充电和柴油机充电两种。充电方式灵活,作业过程不受动力电池电量限制;作业等待时间柴油机不启动,降低了油耗。

2)混合动力机车缺点:结构相对复杂,改进成本高,机车动力电池充电、柴油机模式牵引运行仍以燃料为主提供电源和动力,机车尾气排放、振动、噪声等仍存在;相比既有内燃机车,混合动力机车的柴发机组检修维护人员并不减少;混合动力机车仍存在燃油、机油等消耗,无法实现真正意义的节能减排。

2.1.2纯电动力

纯电动力机车采用纯动力电池驱动,为机车牵引运行提供动力;辅助设备(牵引通风机、空压机、空调等)均由动力电池提供电源;风扇、雨刮器、微机、变流装置等DC110 V电源由动力电池供电;同时动力电池也对机车控制用的铅酸电池进行充电。纯电动力机车具有操作维护简便、绿色环保、噪声低、运维费用低、便于智能运维等特点,但机车运用、调度受动力电池电量及地面充电桩位置限制。

1)纯电动机车优点:采用动力电池供电,机车噪声、振动等显著降低,改善了乘务人员作业环境;机车运行采用动力电池,无柴油机机械传动功率损耗,无燃料消耗,无尾气排放,真正实现了节能减排,满足碳达峰、碳中和要求;机车无柴发机组,无须配置柴油机检修维护人员,降低了机车检修维护成本;动力系统采用动力电池,机车传动为直交电传动,效率显著提升,机车运用成本降低,实现了降本增效。

2)纯电动机车缺点:根据机车运用环境、运用要求和牵引作业工艺等对动力电池进行合理匹配,机车运行需充分考虑动力电池电量,无法做到随时随地投入运用;动力电池充电采用地面充电桩模式,且充电时间一般为0.5~1.5 h,对牵引作业产生影响;动力电池作为新型储能装置,其应用需对现有部分检修维护人员进行培训。

2.2确定机车新能源改进方案及应用范围

结合物流部铁路运输业务实际,权衡两种改进方式的优缺点及成本考虑,确定机车新能源改进方案为纯电动改进,理由如下:

1)机车采用纯动力电池供电,操作简便,机车噪声、振动等显著降低,改善了乘务人员作业环境。

2)机车运行采用动力电池,无柴油机机械传动功率损耗,无燃料消耗,无尾气排放,机车传动为直交电传动,效率显著提升,真正实现了节能减排,满足碳达峰、碳中和要求。

3)机车无柴发机组,无须配置柴油机检修维护人员,降低了机车检修维护成本。

4)机车采用遥控操作,操作人员远离危险源,确保了现场人员安全。

3机车改进内容

3.1铁水运输机车运行线路条件及运用要求

重车牵引重量:1 200 t;

空车牵引重量:560 t;

最大坡道:3‰;

最小曲线半径:150 m;

运行速度:5~12 km/h。

运行负荷:

1)常用负荷:重车总距离1.7~1.9 km,空车返回等待下一次的重车牵引为一个循环,循环周期为30~34 min。

2)最大负荷:重车坡道加弯道(450 m),总距离3.7 km,空车返回等待下一次的重车牵引为一个循环,循环周期约为80 min。

3.2 牵引特性估算

牵引能力以炼钢走行线校核,动力电池电量以4#、5#高炉运输能力估算。铁水运输中往返一次动力电池耗电量统计如表1所示。

3.3电池选择

1)机车8 h耗电量约为268.65 kw•h(53.73×5),充分考虑动力电池特性(20%电量不能放完,充电至90%时无法充满),配置动力蓄电池电量按330 kw•h核算,综合作业时间约8 h。

2)机车轮周最大牵引功率300 kw,加上辅助功率及必要保留功率,整车功率按500 kw计。

3)当前机车动力电池以磷酸铁锂及钛酸锂为主。磷酸铁锂电池价格低;钛酸锂电池价格高,但快速充放电能力强,充电倍率高、安全。

磷酸铁锂电池与钛酸锂电池主要性能对比如表2所示。

综上,根据机车运用要求、动力电池充放电性能、动力电池安全、机车维护保养、动力电池寿命周期成本等因素,如采用磷酸铁锂电池充电时间近2 h,机车的运用效率较低,而采用钛酸锂电池,充电时间在1 h以内,机车等待时间即可完成,因此新能源机车改进宜采用钛酸锂电池,电池电量330 kw•h。

 3.4 机车新能源化方式

3.4.1新能源机车总体布置

新能源机车总体布局如图1所示,采用单司机室双操纵端、外走廊、底架承载结构,机车自左向右设备布置如下:

1)Ⅱ端操纵端:添乘座椅、机车风压表、速度表、照明灯具、紧急停车按钮等;

2)辅助室:螺杆式空压机、干燥器、牵引通风机等;

3)动力电池室:动力电池及管理系统、动力电池高压系统、空调水冷装置、自动灭火装置等;

4)变流装置:主辅一体式牵引变流装置;

5)电气室:微机系统、电器柜、整车级 自动灭火装置、远程传输装置、遥控装置等;

6)司机室:操纵台(含司机控制器、制动控制器、微机显示屏、扳键/开关、空调控制面板)、空调、风扇、司机座椅、添乘座椅、雨刮器、照明灯具、电笛、遥控器(不固定安装)、平面调车等;

7) I端操纵端:添乘座椅、机车风压表、速度表、照明灯具、紧急停车按钮等。

3.4.2地面充电站

固定地面点(钢07线)布置一体式直流充电站,充电设备采用高压充电箱变模式,将高压配电、变压器、充电机集成在一台箱式变电站内。充电桩主动监测动力电池BMS运行状态、电池特性参数及充电机自身的运行状态,诊断故障和异常,设备具备过欠压检测、过流检测、短路检测、绝缘检测、烟雾检测、倾倒检测以及开门断电等功能,当动力电池剩余电量低于20%时,发出告警信号,通知司机进站充电。

4 结束语

机车纯电动改进满足国家关于老旧型铁路内燃机车淘汰管理要求,能够减少燃油消耗,符合碳排放、碳中和的趋势,达到清洁运输效果,更好地满足环保达A的要求,无废气排放,降低噪声,改善了乘务员操作环境。机车搭载目前主流的微机控制系统、变流装置,实施对机车动力电池、牵引电机、开关类部件等的监测控制,并存储机车运行数据、部件状态数据信息,对机车故障分析和处理等有积极的帮助作用,可实现健康诊断功能,为铁水运输远程运维及无人化做支撑。

[参考文献]

[1]老旧型铁路内燃机车淘汰更新监督管理办法:国铁综设备监函 (2024)106号[A].

[2]铁路内燃机车及其发动机排气污染物排放限值及测量方法 (中 国第一、二阶段)(征求意见稿):环办标征函 (2023〕30号[A].

[3]万德玉,吴晓军.190系列柴油机排放特性的研究[C]//中国内燃机学会第五届学术年会论文集,1999:541-546.

2024年第19期第14篇