散貨碼頭長距離水平運輸工藝方案研究

張 亮，龍詩東，梁 浩

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州，510220）

引言

在運輸距離不長時，從工程項目的全壽命周期綜合分析，帶式輸送機運輸較汽車運輸方式相比具有明顯經濟效益優勢。但是當水平運輸距離較長時，人們傳統上仍習慣考慮采用汽車或火車進行運輸，因為采用帶式輸送機進行水平運輸初期投資巨大[1]。而實際上，近年來采用帶式輸送機進行長距離運輸的案例也逐漸增多，十幾公里至幾十公里的帶式輸送機系統在國內外的礦山、冶煉、電力等行業均有應用[2-3]。因此，不能簡單的認為帶式輸送機在長距離輸送上不具優勢，長距離帶式輸送機在運營期節約的運營成本是否能抵償前期增加的投資，仍需結合具體情況進行研究。本文以海外某散貨碼頭工程為例，設計帶式輸送機運輸與汽車運輸兩種水平運輸方式，并進行相應技術經濟分析，以選取經濟合理的水平運輸方案。

1 工程概況

海外某企業現因業務拓展需要建設一座配套碼頭為鋼鐵廠輸送原料并兼顧石英砂礦出口。該項目的貨運量需求及船型如表1。

表1 碼頭年計劃吞吐量

該項目碼頭、鋼鐵廠區及石英砂礦區的相對位置關系如下：

圖1 工程地理位置示意圖

其中，碼頭為棧橋式，伸出海岸線約1.2 km，碼頭與石英砂礦區及鋼鐵廠區之間規劃路徑距離均約為18 km，石英砂礦區與鋼鐵廠區之間的直線距離約1 km。目前碼頭、石英砂礦區、鋼鐵廠區之間均無道路連接，工程所在地范圍內地形較為平緩。

經綜合分析，本項目建設1 個卸船泊位和2 個裝船泊位，卸船泊位與裝船泊位分開布置在引橋兩側，以避免卸船泊位產生的粉塵污染石英砂。其中，卸船泊位共配置3 臺2 000 t/h（卸礦）/1 250 t/h（卸煤）橋式抓斗卸船機，2 個裝船泊位背靠背布置，互為待泊泊位，共配置1 臺5 000 t/h 軌道式移動裝船機。

圖2 碼頭布置圖

結合項目需求，水平運輸考慮帶式輸送機運輸和汽車運輸兩種方案，并進行經濟比較分析，以選擇經濟合理的方案。

2 帶式輸送機運輸方案

設置一路長距離卸船帶式輸送機將礦石或煤炭直接運至鋼鐵廠區，設置一路長距離裝船帶式輸送機將石英砂直接運至碼頭裝船。

2.1 輸送效率選擇

考慮到水平輸送距離較遠（約18 km），為節省投資，建設一路卸船皮帶機與一路裝船皮帶機。皮帶機輸送效率與碼頭前沿裝卸船設備的效率相匹配，故卸船皮帶機效率Q1=6 000 t/h(礦)/3 750 t/h（煤），石英砂裝船皮帶機的效率Q2=5 000 t/h。

2.2 長距離帶式輸送機形式選擇

目前應用較成熟的長距離大運量帶式輸送機有普通帶式輸送機、平面彎曲帶式輸送機和管帶機。

管帶機密封環保，平面轉彎半徑小，空間上可有較大的提升傾角，線路布置靈活[2]；但是造價相對較高，輸送能力特別是長距離時輸送的能力不高。縱觀國內外的管帶機應用實例，管帶機輸送煤炭的效率暫未超過4 000 t/h，輸送鐵礦石的效率暫未超過5 000 t/h。針對長距離輸送(單機長度5～ 10 km)的管帶機，當輸送煤炭效率小于3 000 t/h、輸送鐵礦石小于4 000 t/h 時，國內外不少公司均有設計生產業績，若單機長度及輸送效率進一步增加，技術難度會增大，暫無工程應用實例，存在設計研發周期長、成本不可控的風險，因此，本工程不選用管帶機方案。

普通帶式輸送機技術成熟，可實現長距離大運量運輸的要求，主要缺點是單條輸送線路必須為直線，只能通過多條皮帶機搭接來實現線路的轉折，不僅增加了轉運站的投資，而且容易在轉接處發生撒料等故障，增加了維護難度。輸送距離越長，越會存在較多需要避開的地形或障礙物，輸送線路需要較多轉折，因此，長距離輸送工程中普通帶式輸送機反而并不常用。受條件限制，本工程的輸送路徑也存在較多轉折，也不適宜采用普通帶式輸送機（碼頭及引橋部分除外）。

平面彎曲帶式輸送機是在普通帶式輸送機的基礎上增加了平面轉彎功能，在具備普通帶式輸送機優點的同時，能靈活適應地形變化和避開障礙物，可由1 條輸送機替代若干條普通帶式輸送機，減少中間轉接，可提升綜合效益，特別適用于長距離輸送。平面轉彎帶式輸送機自20 世紀80 年代開始推廣使用以來，在散貨長距離輸送領域特別是采礦行業獲得廣泛應用，輸送距離從20 世紀90 年代的10～14 km 增大到目前的19～20 km，甚至更長，平面布置也越來越靈活，平面轉彎個數從1～2 個增加到10 個以上，轉彎半徑從幾千米可減小到幾百米[3-5]。長距離平面轉彎帶式輸送機在國內外均有很多應用案例，一些典型案例見表2：

表2 長距離輸送平面彎曲帶式輸送機典型應用案例

通過上述分析，結合本工程的輸送距離、輸送效率及輸送線路布置要求，本工程長距離輸送部分選用兩條8 km 左右的平面彎曲帶式輸送機，碼頭及引橋上帶式輸送機采用普通帶式輸送機。帶式輸送機系統的布置及各段長度如圖3 和表3。

圖3 帶式輸送機線路布置圖

表3 帶式輸送機方案各段水平投影長度

2.3 帶寬與帶速

卸船帶式輸送機效率為6 000 t/h(卸鐵礦)/3 750 t/h (卸煤炭)，選用的帶寬B1=1.8 m，帶速V1=3.55 m/s。

石英砂裝船帶式輸送機效率為5 000 t/h，考慮到石英砂粒度較小，流動性好，顆粒之間內摩擦力和粘聚力小，運行堆積角小，且運行堆積角隨帶速增加而下降較為明顯，因此輸送石英砂的帶式輸送機帶速不宜過高，選用帶寬B2=1.8 m，帶速V2= 3.15 m/s 的帶式輸送機。

3 汽車運輸方案

汽車運輸是常見的長距離運輸方式，其優點是固定投資少，靈活性和適應性強。但汽車若直接上碼頭進行接卸貨物，無法與高效的卸船機和裝船機有效銜接，會在碼頭上形成擁堵，裝卸船效率必然難以達到預期。因此，為了保證裝卸船效率，考慮在靠近碼頭的后方陸域設置一個具有緩沖儲存功能的中轉區，從碼頭至中轉區仍采用皮帶機運輸，而從中轉區至鋼鐵廠區及石英砂礦區再采用汽車運輸。卸船時，由帶式輸送機將煤炭或礦石運至緩沖料倉，由緩沖料倉給汽車裝車，運往后方廠區；裝船時，由汽車將石英砂運至中轉區并卸載至裝船帶式輸送機上，卸車區附近區域也可臨時堆料。根據項目用地條件，中轉區設置在距離碼頭約1.69 km處，即圖3 中B 點附近。

3.1 中轉區布置

中轉區共設緩沖料倉3個，總容量約1.5萬 m3，可儲存煤炭1.2 萬t 或鐵礦石3.6 萬 t，每個緩沖倉下設2 個汽車裝車口可給汽車裝料，單個裝車口的效率為800 t/h（煤炭）或1200 t/h（礦石）。裝船時，汽車將石英砂礦從礦區運至中轉區的自卸車卸車線卸車，然后通過裝船帶式輸送機運送至碼頭裝船，共設2 條卸車線，每條卸車線效率為2 500 t/h。

圖4 中轉區布置圖

3.2 汽車選型與配置數量

關于公路上行駛的自卸車載重量，各國均有相應的標準規定，一般不超過50 t。考慮到本工程運輸車輛在自有專屬道路上行駛，可不受上述限制。一般來說，汽車載重量越大，單位運輸成本越小，但車輛價格、基礎設備投資也相應增大。結合業主經驗，汽車采用后傾式改裝自卸車，車廂容積約 50 m3，可裝載100 t 鐵礦石或石英砂或50 t 煤炭。為了提高利用率，自卸車考慮雙程載貨，即從中轉區裝載鐵礦石或煤炭至鋼鐵廠區，卸載之后清洗車廂，然后去中轉區裝載石英砂，再運往中轉區并卸載至裝船帶式輸送機上，然后再在中轉區裝載鐵礦石或煤炭運往鋼鐵廠區，如此循環往復。由于年裝船作業量1 500 萬t 大于年卸船作業量905 萬t（690 萬t 鐵礦石與215 萬t 煤炭），必然存在一部分石英砂在運輸時單程載貨。單程載貨運輸的貨量為 1 500-（690+215×100/50）=380 萬t。自卸汽車的輸送效率PV可按照下式計算：

其中M-自卸汽車每次裝載的貨物重（t），T-自卸車行駛一個循環消耗的時間（h）。

自卸汽車雙程載貨時，T1=1.25 h，運輸礦石或石英砂的效率P1=80 t/h，運輸煤炭的效率為P1’= 40 t/h。自卸汽車單程裝載石英砂時，一個循環消耗時間為T2=0.82 h，則運輸石英砂效率P2=122 t/h。

考慮到裝卸船效率是動態變化的且在裝車區有緩沖料倉、卸車區可臨時堆料，能夠起到緩沖作用，自卸汽車的配置數量能夠保證水平輸送效率與裝卸船平均效率相等即可，故需要配置卡車數量N可按下式計算：

其中，Pu-裝卸船設備效率，η-裝卸船設備效率利用系數。

針對煤炭卸船作業，Pu=3 750 t/h，η 取0.55，計算得N1=57 輛；針對裝船作業Pu=5 000 t/h，η取0.8，計算得N2=50 輛。因此共需配置自卸汽車57 輛，考慮10%的備用系數，共配置69 輛。

3.3 運輸道路

目前，從中轉區到鋼鐵廠區和石英砂礦區無現有道路連接，擬新建一條專用道路用于本工程的散貨運輸。結合本工程運量需求，運輸道路設置雙向2 車道，寬度9 m，總長度約17.5 km。

4 水平運輸方案經濟效益分析

水平運輸經濟效益分析主要針對兩方案不同的部分，不含碼頭至中轉區部分。

4.1 固定投資

帶式輸送機方案固定投資主要包括帶式輸送機及其附屬設施（土建、電氣、控制、給排水消防、通風除塵等）的投資，皮帶機總長為32 150 m，綜合單價按照2 150 美元/m 計，總造價為6 912 萬美元。

汽車運輸方案固定投資包括中轉區綜合設施建設費用、自卸車購置費用、運輸道路設施建設費用。其中：中轉區綜合設施建設包括緩沖料倉及裝車系統、卸車系統、道路堆場等，該部分總造價為1 000 萬美元；自卸車購置費用為69×12=828 萬美元；運輸道路設施按照220 美元/m2，則其造價為0.022×17 500×9=3 465 萬美元。汽車運輸方案固定投資5 293 萬美元。

4.2 運營費用

運營費用主要包括人工費、動力消耗費用、維護費用。

表4 不同方案年運營費用

4.3 經濟分析

假定兩種水平運輸方案的建設期均為1 年，第2年初開始投產運營，經濟分析時項目壽命取15年，其中汽車壽命取5 年，因此每隔5 年，購置新的自卸車，則兩種方案的年現金支出如下表：

表5 不同方案年現金支出表（萬美元）

兩種運輸方案均可實現項目的運輸目標，因此可認為收益相同，僅計算費用支出即可[8]。各方案支出費用的財務凈現值按照下式計算：

式中：COt-技術方案第t 年的資金支出；ic為基準收益率。

取ic=10 %，計算得：帶式輸送機方案凈現值FNPV1=12 396 萬美元，汽車運輸方案凈現值FNPV2=13 974 萬美元。帶式輸送機方案的凈現值比汽車運輸方案少1 578 萬美元。因此，雖然帶式輸送機方案初期投資較汽車運輸方案增加投資 1 619 萬美元，從全壽命周期來看，長距離帶式輸送機方案仍具有經濟優勢。

5 結語

1）隨著帶式輸送機技術的發展，逐漸解決了長距離帶式輸送機驅動及其控制、輸送帶強度、平面轉彎、可靠性等問題，長距離帶式輸送機系統在礦山、冶金、電力等散貨物料運輸領域應用越來越廣泛。針對碼頭與堆場之間距離較遠的情況，也可以考慮采用長距離平面彎曲帶式輸送機系統將散貨物料從碼頭直接運往堆場，而不用在中間設置中轉堆場，既可減少陸域面積占用，又可避免中轉堆場堆取料過程增加投資及運營費用。

2）散貨長距離運輸（長達20 km）采用帶式輸送機，雖然初期投資大，但從全壽命周期來看，與汽車運輸方案相比，仍具有明顯的經濟效益，特別適用于運量穩定、業主資金較為充裕的項目。但需要注意的是，本工程案例的研究方法可為類似項目水平運輸方案的比選提供借鑒，但其結論不適用于某些特定環境，因為不同地區不同項目的費用構成差別較大。