抽水蓄能電站施工機(jī)械設(shè)備“油改電”可行性分析

杜 藏，張學(xué)清，張興彬，潘福營 ，殷 康

（1．河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南省洛陽市 471700；2．國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100161 ）

0 引言

抽水蓄能電站在建設(shè)期間涉及大量的洞室作業(yè)，燃油設(shè)備工作時產(chǎn)生大量的污染物和廢氣，一方面由于洞內(nèi)作業(yè)空間小，產(chǎn)生的污染物和廢氣不易擴(kuò)散，從而降低洞內(nèi)空氣質(zhì)量；另一方面內(nèi)燃機(jī)工作時會產(chǎn)生較大的振動和噪聲，長時間工作噪聲會對施工人員的聽覺器官等造成一定影響。研究采用新能源設(shè)備代替燃油設(shè)備，可以降低空氣污染，改善作業(yè)環(huán)境，充分體現(xiàn)以人為本、保護(hù)環(huán)境、和諧發(fā)展的理念。

2014年習(xí)近平總書記在中央財經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會議上明確提出了“四個革命、一個合作”的重大能源戰(zhàn)略思想。伴隨著世界能源轉(zhuǎn)型的大趨勢，中國作為能源大國和負(fù)責(zé)任大國，也肩負(fù)著推動技術(shù)創(chuàng)新、促進(jìn)地區(qū)能源轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重任[1]。

國家電網(wǎng)有限公司在2019年工作會議上提出加快泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)[2]，是落實“三型兩網(wǎng)、世界一流”發(fā)展目標(biāo)的重要舉措，發(fā)揮央企帶頭作用，帶動上下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，共同促進(jìn)能源綠色轉(zhuǎn)型。

目前在抽水蓄能電站工程建設(shè)領(lǐng)域，施工使用的機(jī)械設(shè)備主要有自卸車、反鏟、裝載機(jī)、推土機(jī)、三臂鑿巖臺車、混凝土濕噴機(jī)等設(shè)備，設(shè)備全部以燃油為動力。目前，新能源技術(shù)的研究成果主要集中在乘用車[3，4]和港口龍門吊[5，6]，市場上新能源載重型商用車有部分產(chǎn)品但尚未形成規(guī)模，新能源工程機(jī)械大都處于技術(shù)研發(fā)和樣機(jī)試驗階段，還未能大范圍推廣[7-10]。國家電網(wǎng)有限公司作為央企，牽頭研究施工機(jī)械設(shè)備“油改電”，可以有效促進(jìn)施工機(jī)械行業(yè)裝備升級，對提升施工機(jī)械水平、帶動相關(guān)行業(yè)發(fā)展等具有重大意義。

1 現(xiàn)狀調(diào)研

1.1 典型建設(shè)項目現(xiàn)場

項目現(xiàn)場調(diào)研包括天池、洛寧、績溪等抽水蓄能電站項目施工現(xiàn)場。調(diào)研的各抽水蓄能電站項目主要施工機(jī)械設(shè)備的種類及使用總量情況見表1。

從表1可以看出，部分移動范圍較小的施工機(jī)械（如反井鉆機(jī)、混凝土泵）已是電動設(shè)備，約占設(shè)備總臺數(shù)的15%；但數(shù)量占比較大的運(yùn)輸車輛（自卸車、泵車）、土方機(jī)械（裝載機(jī)、挖掘機(jī)）等采用傳統(tǒng)柴油動力。

表1 典型抽水蓄能電站項目主要施工機(jī)械設(shè)備匯總表Table 1 Summary of main construction machinery and equipment of typical pumped storage power station project

1.2 典型施工機(jī)械設(shè)備

抽水蓄能項目建設(shè)期可分為籌建期、高峰期和機(jī)電安裝期；絕大多數(shù)施工機(jī)械和車輛以施工中標(biāo)單位租用社會資源為主；施工單位自身只有少量特種設(shè)備；開挖工藝以“鉆爆法”為主；施工設(shè)備持續(xù)工作時間長，主要土方機(jī)械為2m3的挖掘機(jī)、2～3m3的推土機(jī)和3m3的裝載機(jī)；主力土方運(yùn)輸車輛為6×4和8×4重型自卸汽車。

調(diào)研組調(diào)研的施工機(jī)械設(shè)備制造商包括華菱、濰柴動力等國內(nèi)商用汽車及柴油發(fā)動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，調(diào)研部分常見6×4及8×4電動/柴油重型自卸汽車產(chǎn)品主要參數(shù)，涉及驅(qū)動形式、排放、總質(zhì)量、整備質(zhì)量、貨箱尺寸、最高車速、動力總成型號、額定/最大功率、燃料/電池種類等。

1.3 主要施工設(shè)備的能耗和排放

施工現(xiàn)場半數(shù)以上的設(shè)備為運(yùn)輸車輛，以自卸汽車和混凝土攪拌車為主，均采用柴油動力；另一部分為挖掘機(jī)、裝載機(jī)等土方機(jī)械，全部采用柴油動力。其他諸如鑿巖臺車、鉆機(jī)等特種設(shè)備，在施工作業(yè)中采用電驅(qū)動，行走時多使用柴油動力。

在項目籌建期，施工現(xiàn)場以土石方開挖為主，主要使用挖掘機(jī)和自卸汽車；進(jìn)入基建高峰期后，隨著各施工作業(yè)面的陸續(xù)展開，施工設(shè)備進(jìn)入使用高峰期；項目在機(jī)電設(shè)備安裝期內(nèi)，絕大多數(shù)的開挖、填埋、灌漿等土建項目基本完成，大部分土方機(jī)械和自卸汽車撤離現(xiàn)場，運(yùn)輸及起重設(shè)備進(jìn)入作業(yè)高峰期。

從天池、洛寧等抽水蓄能電站項目的燃油消耗統(tǒng)計看，預(yù)計平均每個項目基建期約需消耗5萬多噸柴油。

1.4 調(diào)研結(jié)論

（1）在設(shè)備規(guī)模上，道路運(yùn)輸車輛占施工機(jī)械設(shè)備總量的半數(shù)以上。

（2）環(huán)境特點(diǎn)為運(yùn)輸距離短、路況差、坡度大，超載普遍但超載程度不嚴(yán)重。

（3）現(xiàn)有條件下土方機(jī)械采用混合動力更具綜合優(yōu)勢。

（4）部分作業(yè)設(shè)備在一定程度上已經(jīng)實行電力驅(qū)動，其他設(shè)備可以分階段推進(jìn)電動化。

（5）影響因素在于：充換電模式需探索，現(xiàn)有施工運(yùn)營模式需創(chuàng)新。

2 現(xiàn)有技術(shù)及產(chǎn)品分析

抽水蓄能電站都建在具有一定高差的山區(qū)，地形相對較陡；道路均為臨時道路，在施工期受爆破、開挖等因素影響路線不斷在調(diào)整變化；施工前期路面質(zhì)量一般較差，以砂土路、碎石路居多，且部分路段坡度大（部分坡度超過9°）、轉(zhuǎn)彎多、路況差，中后期有部分硬化路面；地下工程地下水豐富，洞內(nèi)潮濕。臨時渣場距離作業(yè)區(qū)一般相對較近，施工期點(diǎn)多面廣，施工設(shè)備調(diào)度轉(zhuǎn)移工作面頻繁。

基于當(dāng)前新能源技術(shù)水平和市場成熟產(chǎn)品，以天池、績溪等項目為參考、以洛寧抽水蓄能建設(shè)項目為案例，根據(jù)項目施工現(xiàn)場的實際情況，對“油改電”的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可控性等方面進(jìn)行具體分析評估。

2.1 主要設(shè)備的特性與使用狀況

根據(jù)洛寧、天池、績溪等抽水蓄能電站項目調(diào)研情況分析，所用車輛均為在用車，其車齡均在2年以上；超載現(xiàn)象普遍但超載量不大；施工作業(yè)點(diǎn)多面廣，施工設(shè)備調(diào)度轉(zhuǎn)移工作面頻繁；回填作業(yè)還需淋水，持續(xù)工作時間均較長。

現(xiàn)有抽水蓄能電站項目的大型施工機(jī)械設(shè)備可分為四類，主要包括：

（1）運(yùn)輸車輛：自卸汽車、載貨汽車等。

（2）專用作業(yè)車輛：混凝土攪拌車、混凝土輸送泵車等。

（3）土方機(jī)械：挖掘機(jī)、裝載機(jī)、推土機(jī)等。

（4）特種作業(yè)機(jī)械：鑿巖臺車、反井鉆機(jī)、扒渣機(jī)等。

2.2 車輛主要參數(shù)對比

從新能源企業(yè)調(diào)研以及已公布的“道路機(jī)動車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告”和“新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄”中可了解得知，目前國內(nèi)已有多家商用車企業(yè)研制生產(chǎn)了重型純電動商用車，產(chǎn)品以純電動牽引車和純電動自卸車為主。

表2為部分8×4自卸汽車產(chǎn)品主要參數(shù)。從表2可看出，在同等級別下，純電動自卸汽車的使用參數(shù)與傳動柴油動力自卸汽車的使用參數(shù)基本相當(dāng)。

表2 部分8×4自卸汽車產(chǎn)品主要參數(shù)Table 2 Main parameters of some 8×4 dump truck products

3 技術(shù)可行性分析

3.1 技術(shù)可行性

電機(jī)驅(qū)動與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動相比，具有：

（1）起動力矩大、過載能力強(qiáng)；

（2）運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性高；

（3）調(diào)速響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬；

（4）具有電磁制動功能，可兼作發(fā)電機(jī)使用，方便高效地實現(xiàn)電回饋；

（5）其轉(zhuǎn)矩特性是小于基速時為恒轉(zhuǎn)矩，隨著轉(zhuǎn)速升高轉(zhuǎn)矩逐漸減少。

對道路運(yùn)輸車輛而言，雖然傳統(tǒng)柴油動力具有低速扭矩大、市場成熟度高、維保及配件成本低，但純電動車輛使用中的清潔、安靜、迅捷和經(jīng)濟(jì)則是柴油車輛所無法比擬的。因此，電力驅(qū)動是目前各行各業(yè)動力源的主要發(fā)展趨勢。

近年來，我國“三電”（電池、電機(jī)、電控）的技術(shù)水平快速提升，現(xiàn)有的電力驅(qū)動技術(shù)可以滿足一般條件下的中短距離運(yùn)輸需要。今后隨著動力電池技術(shù)、驅(qū)動電機(jī)技術(shù)、智能電網(wǎng)、智能網(wǎng)聯(lián)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，大型施工機(jī)械設(shè)備的用電可靠性會得到進(jìn)一步提高。

3.2 驅(qū)動電機(jī)技術(shù)

對純電動重型自卸汽車來說，以驅(qū)動電機(jī)+手自一體變速器+電控系統(tǒng)構(gòu)成的一體化動力總成工作更平穩(wěn)、接入更順暢、振動小噪聲低，因此純電動車比傳統(tǒng)柴油車的駕乘更舒適、起步更敏捷、行駛更平順、能耗和機(jī)械損傷更低，體現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。

目前集驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)控制器、減速器三合一的動力總成產(chǎn)品成為行業(yè)發(fā)展趨勢。“三合一”的主要目的是降低成本。以比亞迪的三合一動力總成（見圖1）為例，集成化后成本可下降40%左右，折合整車成本可降低約10%，按照電機(jī)、電控、減速器約25%左右的整車成本占比，預(yù)計可降低整車成本10%左右。

圖1 比亞迪的三合一動力總成Figure 1 The three-in-one Powertrain of BYD

3.3 動力電池技術(shù)

動力電池作為新能源汽車三大核心零部件之一，動力電池系統(tǒng)能量密度的提升，直接推動了新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速增長。國內(nèi)動力電池廠商如比亞迪等已處于全球第一陣營。

對純電動重型卡車來說，電池性能和成本是能否正常運(yùn)營的關(guān)鍵點(diǎn)。純電動重型商用車由于載重量大，需要在不減少有效載貨重量的同時，提高行駛里程；同時，貨物運(yùn)輸也要求充電時間能夠得到保障，因此對電池的續(xù)駛里程和輕量化要求較高，能否實現(xiàn)快充也成為關(guān)鍵因素之一。

目前，單體磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命可以達(dá)到5000次以上，按照2000次來設(shè)定出廠標(biāo)準(zhǔn)是完全可以實現(xiàn)的。若采用換電模式還可以把動力電池的衰減限值下降到70%或者是更低。

目前重卡車企的運(yùn)營模式中，純電動重卡基本上都應(yīng)用在港口牽引等特定應(yīng)用場景[3-5]，路況條件比較優(yōu)異，且對于續(xù)航、充電等的需求并不太高。如果要在抽水蓄能電站等更復(fù)雜的場景下應(yīng)用，除了建設(shè)配套充電設(shè)施外，低成本、長續(xù)航、快充電等方面需要繼續(xù)提升。

3.4 充/換電技術(shù)

（1）充電模式。

充電分為慢充和快充。慢充采用小電流的交流恒壓或恒流充電，一般充電時間為5～8h，甚至長達(dá)10～20h；車輛平均使用效率較低；快充是大功率直流充電，一般設(shè)計充電電流為150～400A，在半小時內(nèi)可以充滿80%。

國內(nèi)電動乘用車用的直流快充樁充電功率為60kW左右，實際充電（充電從10%～80%）時間常溫下為40min，低溫時大于1h。大功率直流快充在投入收益性、產(chǎn)業(yè)化推廣等方面占優(yōu)勢，更具發(fā)展前景。未來快充的功率要達(dá)到360kW，實際充電時間為5～10min（充電從10%～80%）。

充電模式的缺點(diǎn)在于：大量純電動汽車在同一時間集中充電或進(jìn)行快充會產(chǎn)生較大的諧波，導(dǎo)致用電負(fù)荷的快速增長，使局部電網(wǎng)的電壓降過大、配電變壓器及用電設(shè)備利用率不高、支路容量不匹配等一系列問題更加嚴(yán)重；給電力系統(tǒng)增加巨大的供電壓力，需要提高電網(wǎng)備用容量；會對公用電網(wǎng)及其他用戶造成嚴(yán)重影響；容易損害電池壽命，甚至引發(fā)危險。

（2）換電模式。

通過直接更換車載電池可實現(xiàn)電能迅速補(bǔ)給，同時便于電池維護(hù)和延長壽命。

換電模式的優(yōu)點(diǎn)：能夠快速補(bǔ)能，提高車輛運(yùn)行效率；通過集中式、專業(yè)化的充放電管控，有利于延長電池使用壽命，最大限度減少充電事故隱患，提升安全性。

換電模式的缺點(diǎn)：需要高昂的前期投入；換電需要專業(yè)的維修保養(yǎng)技術(shù)；換電模式所用的大電流快速插拔接插件價格昂貴；動力電池頻繁拆卸更換，極易導(dǎo)致電池?fù)p壞；另外，目前動力電池的種類繁多，標(biāo)準(zhǔn)化難度較高；不同廠商、不同規(guī)格、不同種類電池之間的兼容非常困難。

以安徽華菱汽車與中電投合作開發(fā)的無人自動換電站為例（見圖2）：該換電站占地170m2、共有7個回轉(zhuǎn)換電工位；在車輛換電4次/（臺·天）的場景下可實現(xiàn)30臺/天的換電規(guī)模；該換電站建設(shè)投資100萬元（不含周轉(zhuǎn)用動力電池）。

圖2 安徽華菱汽車有限公司自主研制的智能換電站Figure 2 Intelligent power station developed by Anhui Valin Automobile Co. Ltd

3.5 電控技術(shù)

電控的核心器件IGBT已實現(xiàn)國產(chǎn)突破，但對外依存度仍較高。

新能源汽車電控系統(tǒng)中新能源整車控制器、BMS相對成熟，電機(jī)控制器相對落后，主要因為核心零部件IGBT 90%以上依賴進(jìn)口。

4 經(jīng)濟(jì)可行性分析

4.1 購置成本

“國五”的6×4重型柴油自卸汽車新車報價一般在28萬～30萬元，8×4重型柴油自卸汽車新車報價一般在34萬～42萬元；同等級別下，純電動6×4自卸汽車新車報價一般在96萬元左右，純電動8×4自卸汽車新車報價一般在110萬元以上。按洛寧抽水蓄能電站的施工車輛需求（180輛），配置同等規(guī)模的純電動自卸汽車全新車隊，購置成本約為1.94億元左右，增加約1.28億元以上。

傳統(tǒng)柴油混凝土攪拌車6m3級別的新車報價35萬元左右，采用插電式混合動力后的6m3級別混凝土攪拌車的新車報價在95萬元以上。按洛寧抽水蓄能電站的施工車輛需求（20輛），配置同等規(guī)模的插電式混合動力混凝土攪拌車全新車隊的購置成本要達(dá)到約1900萬元以上。

大型土方機(jī)械的國產(chǎn)新能源產(chǎn)品尚處于孕育過程中，市場上尚未能了解到相對準(zhǔn)確的價格信息；部分對應(yīng)的進(jìn)口新能源設(shè)備價格較為昂貴，如卡特彼勒采用鋰電驅(qū)動的988K XE純電動裝載機(jī)、R1300電動鏟運(yùn)裝載機(jī)等。

特種作業(yè)機(jī)械設(shè)備中，多數(shù)已是電力驅(qū)動；以鑿巖臺車為代表的組合式機(jī)械設(shè)備，可以通過將現(xiàn)有的柴油動力移動平臺更換為純電動二類底盤的方式將車輛實現(xiàn)完全電動化，而全新的電動鑿巖臺車等機(jī)械設(shè)備的采購價格需要供需雙方明確意向與技術(shù)方案后才有可能確定。

因此，按洛寧抽水蓄能電站項目的車隊規(guī)模（替代率為1：1），如采用新能源運(yùn)輸車輛和新能源專用作業(yè)車輛，則購置成本估算大約在2.2億元以上。

4.2 使用成本

根據(jù)前述相關(guān)計算得知，洛寧項目土石方開發(fā)填埋作業(yè)項目合計總油耗量估算約為18494t，其中自卸車車隊在本項目中的估算耗油量約為5240t。按照8330元/t的車用輕柴油價格來計算，僅自卸車車隊在本項目中的柴油采購支出約為4365萬元左右。

目前15～20t級別的純電動自卸汽車的電量一般在300kWh左右；按每1千瓦時的電費(fèi)約0.5元，假設(shè)每臺車每天充/換2次電、每次充150kWh的電量、純電動自卸車與柴油自卸車的替代率為1：1，則本項目中自卸汽車的充電電費(fèi)支出約為1291萬元。

由上述可見，采用“油改電”之后，本項目中的自卸車車隊采用純電動的使用成本不足原來使用傳統(tǒng)柴油動力時的1/3，因此使用成本降低效果非常可觀。

4.3 充/換電成本

如考慮安徽華菱汽車有限公司的方案建設(shè)換電模式，按照每臺車每天換電2次、每天60臺車的換電能力，現(xiàn)場至少需要建設(shè)6個同等規(guī)模的換電站；至少需約600萬的建站投入。

考慮換電模式，根據(jù)換電站的日換電能力備份動力電池、每組電池約42萬元的話，則需另增加約1.51億元的備用動力電池購置費(fèi)用。本項列支預(yù)算約1.57億元左右。

如果考慮采用集中充電+換電模式，則本項還應(yīng)增列建設(shè)充電樁的相應(yīng)費(fèi)用。

4.4 初期投入比較

經(jīng)濟(jì)成本是影響當(dāng)前綜合技術(shù)條件下“油改電”項目實施的一個重要問題。以自卸車為例：國五標(biāo)準(zhǔn)的15～20t級柴油自卸卡車的單臺新車指導(dǎo)價在36萬～48萬元；而同級別的純電動自卸卡車的出廠價在96萬～110萬元；按洛寧抽水蓄能電站工程規(guī)模（替代率為1：1）計算，現(xiàn)有150臺15～20t級柴油自卸卡車如全部更換為純電動自卸卡車，車輛購置成本要增加7200萬～11100萬元；挖掘機(jī)、推土機(jī)和裝載機(jī)等土方設(shè)備“油改電”的成本則因目前暫無參考產(chǎn)品而無法估算。

換電站建設(shè)是“油改電”項目實施中另一個較大的成本投入，除場地要求外，基本建設(shè)投資都在百萬元以上，同時還需要配置一定數(shù)量和品種的周轉(zhuǎn)用動力電池。

如考慮采用全部替代柴油自卸車和換電模式、并考慮保持30%的冗余度的話，假設(shè)：①純電動自卸汽車與柴油自卸汽車的替代率為1.3：1；②備用（換電用）動力電池與車的比率為2：1；③換電站按照安徽華菱汽車的模式建設(shè)。

則初期成本投入為：

（1）8×4（6×4）純電動自卸汽車234臺：購置成本約2.52億元。

（2）備用（換電用）動力電池360組：購置成本約1.51億元。

（3）建設(shè)6個具有60臺/日的換電能力的換電站：建設(shè)投入約600萬元。

綜合上述，該自卸汽車的“油改電”方案共需投入初期成本約4.09億元；去除使用中的“油”“電”差價，項目成本共約3.78億元（其中不包括其他設(shè)備如變電站、充電樁等設(shè)施設(shè)備的建設(shè)投入及使用成本）。

5 結(jié)束語

根據(jù)抽水蓄能電站施工機(jī)械設(shè)備“油改電”可行性分析結(jié)果，對現(xiàn)階段技術(shù)產(chǎn)品條件下水電施工機(jī)械設(shè)備“油改電”的實施提出以下建議：

（1）根據(jù)施工機(jī)械的產(chǎn)品特點(diǎn)分類應(yīng)用新能源產(chǎn)品。對固定機(jī)械設(shè)備全部采用電動化；對運(yùn)輸車輛以及車載類設(shè)備積極推動“電動化”試點(diǎn)，總結(jié)完善經(jīng)驗；對土方機(jī)械類設(shè)備，關(guān)注新產(chǎn)品與新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)展，穩(wěn)妥探索清潔能源化、混動化和部分電動化。

（2）根據(jù)施工項目的作業(yè)特點(diǎn)分階段應(yīng)用新能源產(chǎn)品。在項目籌建期以架線式電動機(jī)械設(shè)備和傳統(tǒng)燃油機(jī)械與車輛為主；在項目建設(shè)高峰期大規(guī)模應(yīng)用新能源車輛和設(shè)備；在機(jī)電設(shè)備安裝期全面應(yīng)用電驅(qū)動設(shè)備。

（3）導(dǎo)入第三方投資及保險業(yè)，改革創(chuàng)新項目投資管理模式。根據(jù)施工項目規(guī)模和新能源產(chǎn)品技術(shù)水平，采取第三方投資、項目招投標(biāo)設(shè)置必要條件，以及引入保險業(yè)等多種方式進(jìn)行示范應(yīng)用，改革創(chuàng)新施工投資運(yùn)營管理模式。

（4）創(chuàng)新施工結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝設(shè)計，探討成熟技術(shù)設(shè)備的交叉應(yīng)用。創(chuàng)新施工項目主體結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝設(shè)計，加強(qiáng)對軌道出渣、纜機(jī)運(yùn)輸及盾構(gòu)施工等成熟技術(shù)設(shè)備交叉運(yùn)用的前景與可行性研究，提高和擴(kuò)大“油改電”項目的實施效果。