儲能型電動牽車機在日照港智慧化升級中的應(yīng)用

黃東輝

（山東港口日照港集團有限公司，山東日照 276826）

引言

從20世紀60年代至今，港口行業(yè)每20年便經(jīng)歷一次轉(zhuǎn)型升級，從機械化、自動化到信息化[1]。2020年底發(fā)布的《關(guān)于推動交通運輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》中包括14項主要任務(wù)，推動打造融合高效的智慧交通基礎(chǔ)設(shè)施，其中明確提出以智慧港口、智慧鐵路為載體，體現(xiàn)先進信息技術(shù)對行業(yè)的全方位賦能[2]。在全國港口智慧化轉(zhuǎn)型的趨勢中，各港口自動化、數(shù)字化、智能化發(fā)展水平成為提升核心競爭力的重要手段，也是降低物流成本、提高物流效率、提高管理組織能力的關(guān)鍵所在。

散貨裝卸設(shè)備的全自動化、環(huán)保化和散貨裝卸系統(tǒng)的信息智能化是散貨運輸?shù)娜齻€關(guān)鍵點[3]，目前石臼港區(qū)正竭力完成南區(qū)專業(yè)化改造建設(shè)。在專業(yè)化鐵礦石接卸碼頭中，采用環(huán)保條件更高、計量精度更高、專業(yè)化程度更好的裝車樓設(shè)備完成火車裝車作業(yè)是一種主流的作業(yè)模式。而火車裝車樓需要配套牽車設(shè)備，目前絕大部分火車裝車樓所配套的牽車設(shè)備是“鐵牛+絞車”方案。該方案投資低，但也存在土建基礎(chǔ)工作量大、基坑易積水、潤滑油污染嚴重、維修部件較多的缺點。本文針對日照港實施高效智慧化運輸組織模式和智慧化轉(zhuǎn)型升級，在智能硬件應(yīng)用的工藝流程、總體方案、技術(shù)參數(shù)、遠期效益等方面進行了重點論述，并結(jié)合日照港石臼港區(qū)南作業(yè)區(qū)14#、15#泊位工程火車裝車樓的布置現(xiàn)狀，重點闡述儲能型電動牽車系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 工程背景

日照港位于中國山東省日照市，東臨黃海，北與青島港、南與連云港港毗鄰，是中國重點發(fā)展的沿海20個主樞紐港之一[4]。但日照港現(xiàn)狀裝卸效率較低，車流組織困難，堆場容量不足，設(shè)施較陳舊，港口長期的發(fā)展模式亟待轉(zhuǎn)型升級。為此，擬對原通用泊位作業(yè)模式進行專業(yè)化改造，改造包括新建帶式輸送系統(tǒng)、卸料小車、堆取料機，堆場北側(cè)新建裝車樓以及堆場高程、配套設(shè)施的調(diào)整等。

改造后的專業(yè)化堆場呈矩形布置，南北長905 m，東西長444 m，采用“堆取合一”“雙線雙機”的布置型式，共設(shè)3條壩基，即每條壩基上設(shè)2條堆取料線及2臺堆取料機。沿3條壩基共設(shè)6條堆場，垛堆寬度為55 m，堆高14 m，總堆存容量為373.3萬t[5]。東側(cè)為在建鐵路車場，東北側(cè)布置火車裝車樓，其下兩條裝車線上各設(shè)有一座裝車樓、其額定能力為6 000 t/h。如圖1。

圖1 專業(yè)化堆場與鐵路車場相對位置

碼頭、堆場、鐵路之間通過帶式輸送機及堆場取料系統(tǒng)進行物料的取裝、卸堆、混配、周轉(zhuǎn)，并經(jīng)由火車裝車樓對以礦石、煤炭、鋁礬土等為主的大宗干散貨進行疏港[6]。本工程堆場內(nèi)物料經(jīng)堆場取料系統(tǒng)、帶式輸送機系統(tǒng)進入裝車樓緩沖倉內(nèi)，經(jīng)定量倉計量后，通過下方裝車溜槽進行裝車。為提高疏港效率，集疏運體系硬件配置亟需轉(zhuǎn)型升級，疏港火車需采用高效節(jié)能的牽車系統(tǒng)配合裝火車作業(yè)。鐵路牽車系統(tǒng)的選擇應(yīng)用需根據(jù)現(xiàn)狀進行適應(yīng)性、安全性、經(jīng)濟性分析。

2 鐵路牽車系統(tǒng)對比

目前應(yīng)用較多、環(huán)保且適用于南區(qū)運行模式的牽車系統(tǒng)，主要有兩類，一是目前應(yīng)用工程案例較多的“鐵牛+絞車”系統(tǒng)；二是在天津神華煤碼頭、曹妃甸首鋼礦石碼頭得到應(yīng)用的儲能型電動牽車系統(tǒng)。

第一類“鐵牛+絞車”的鐵路牽車系統(tǒng)，需要每條火車裝車線均配套建設(shè)牽車系統(tǒng)，包括鐵牛專用軌道、絞車房、鋼絲繩、鋼絲繩托輥、改向裝置、張緊裝置以及地下坑道等。第二類為儲能型電動牽車系統(tǒng)，其機上配備了可快速充電的新能源電池，替代內(nèi)燃機和上機電纜作為動力電源，同時機車配備先進的智能化控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠程操控、故障診斷、無人駕駛等。

圖2 鐵牛牽引小車

圖3 鐵牛地下坑道

2.1 適應(yīng)性分析

南區(qū)4條專業(yè)化鐵路裝車線位于整個南區(qū)車場的中間，附近線路布置密集，空間緊湊。

空間布局方面。若采用“鐵牛+絞車”系統(tǒng)，絞車機房宜集中布置在線間距最大的2#裝車線和3#裝車線之間，但二者間實際可利用距離僅為6 m左右，布置牽車機房后需要改造該區(qū)域內(nèi)的排水溝，同時會占用維修作業(yè)通道，日常維護、保養(yǎng)、檢修較為困難；同時遍布的牽車系統(tǒng)組件，對火車裝車線形成分割，影響火車返料清理作業(yè)，在整體布局上也顯得相對雜亂無章。而電力牽引機車系統(tǒng)整體布局清晰、節(jié)省空間，不占用維修作業(yè)通道、返料清理通道，整個車場更加井然有序。

線路有效長度方面。鐵路裝車線南北兩端布置完軌道衡后，“鐵牛+絞車”布置方式裝車線有效長度約為1 900 m，扣除直線段鐵牛地坑占用長度，線路有效長度約1 820 m，裝車樓兩端線路長度不滿足整列車（60輛C70編組）長度要求。采用儲能型電動牽車機可以借用機待線有效長度進行牽引裝車作業(yè)，礦1和礦2線路有效長度2 039 m，礦3線路有效長度2 015 m，礦4線有效長度1 950 m，線路有效長度可滿足整列車裝車要求。

綜上，從適用性角度考慮，儲能型電動牽車系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。

2.2 安全性分析

“鐵牛+絞車”系統(tǒng)組件應(yīng)用廣泛、工藝成熟、設(shè)備常規(guī)，但現(xiàn)場的基坑和鋼絲繩纏繞，容易造成維修人員受傷，安全性不佳。

儲能型電動牽車機牽引速度快，牽引能力大，作業(yè)效率高，可靠性高，通過無線網(wǎng)絡(luò)與裝車樓系統(tǒng)之間實現(xiàn)聯(lián)動控制，使安全性能得到進一步保障，從目前行業(yè)應(yīng)用實例來看，安全性能良好。

2.3 技術(shù)分析

“鐵牛+絞車”系統(tǒng)通過鋼絲繩將鐵牛小車及火車連接起來。經(jīng)驅(qū)動站驅(qū)動裝置驅(qū)動，鋼絲繩沿火車軌道內(nèi)及軌道旁鋼絲繩托輥進行拖行，到裝車線端部經(jīng)改向裝置完成改向，整個系統(tǒng)組件技術(shù)成熟，在其它行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)也應(yīng)用較廣。

儲能型電動牽車系統(tǒng)的控制單元采用中國中車CRRC研發(fā)的成熟產(chǎn)品，已在國鐵和城軌中有工程實例應(yīng)用。

2.4 經(jīng)濟性分析

“鐵牛+絞車”系統(tǒng)前期投資較低，后期維護費用高，且耗損嚴重，維保頻繁，密集布置的構(gòu)件更加劇檢修困難性，同時影響鐵路裝車作業(yè)。

儲能型電動牽車系統(tǒng)前期投資較高，但因不需要對場地基礎(chǔ)進行大規(guī)模改造，且可停車至充電位進行設(shè)備檢修維護，維修地點相對集中，無需投入更多人力進行分散維護保養(yǎng)，后期維護成本低；此外，設(shè)備維護時鐵路線裝車作業(yè)不受影響。

2.5 行車組織

對于鐵牛絞車系統(tǒng)，空車清車→裝車作業(yè)（由裝車線北側(cè)鐵牛牽引空車）→鐵牛入坑→內(nèi)燃調(diào)機連掛重車牽引至日照港南站→日照港南站列檢后發(fā)往區(qū)間。

對于電力牽引機車系統(tǒng)，空車清車→裝車作業(yè)（蓄電調(diào)機牽引空車進行裝車作業(yè)）→蓄電調(diào)機摘鉤進入機待線，內(nèi)燃調(diào)機連掛重車牽引至日照港南站→日照港南站列檢后發(fā)往區(qū)間。其中，左側(cè)道岔口可設(shè)置3個牽引機車停靠點，在場外運送重車、空車時，機車至停靠點位等待，采用側(cè)方位充電樁或車頂受電弓的方式進行充電。另外，裝車樓可以對牽車機進行一對多控制，因此儲能型電動牽車機相較于“鐵牛+絞車”系統(tǒng)可以實現(xiàn)機車調(diào)線作業(yè)，當裝車過程中遇到機車突發(fā)故障，可以臨時調(diào)用其他閑置線路的機車完成作業(yè)，而故障機車可以牽引至停靠點或其他維修地點進行檢修，不會長時間占用鐵路線。

從整體布置、綠色環(huán)保、后期運營維護等多方面比選，儲能型電動牽車機系統(tǒng)優(yōu)于“鐵牛+絞車”牽引系統(tǒng)。

3 儲能型電動牽車機主要技術(shù)指標

3.1 車型及主要參數(shù)

該工程實例選用TG4B-3型新能源機車，它適用于煤炭、港口、料場等工況的裝卸車線牽引編組作業(yè)，具有超低勻速、平穩(wěn)運行的特點。此型號機車是港口智慧化的硬件提升重要環(huán)節(jié)之一，具有遠程遙控、無人駕駛、有人駕駛（僅用于機車檢修或脫離裝車系統(tǒng)時）三種模式，機車控制系統(tǒng)對接裝車樓系統(tǒng)，可對機車自動控制，實現(xiàn)全智能化無人駕駛。機車主要參數(shù)見表1[7]。

表1 機車主要參數(shù)表

3.2 作業(yè)模式

裝車樓作業(yè)流程中鐵路段作業(yè)流程：a場外送車（機車脫鉤返回）→b機車從停靠點移動至裝車樓（掛鉤，移動與檢查堵漏作業(yè)同時進行）→c裝車平車（機車牽引運行）→d回頂重車（機車回頂、脫鉤）→e移動至停靠點（等待場外機車取車，場外機車送空車作業(yè)），時長為220分鐘。根據(jù)流程時間節(jié)點推算，其中電車在a、e節(jié)點處為停車狀態(tài)；b、c、d節(jié)點為電車作業(yè)狀態(tài)。經(jīng)計算，僅需6分鐘即可由停車點移動至裝車樓，為機車預(yù)留總計110分鐘的等待時間，可充分完成充電。

3.3 總體技術(shù)方案

機車采用單司機室外走廊式結(jié)構(gòu)，機車上部結(jié)構(gòu)以司機室為I端，由前往后依次為電氣室、動力室、氣源室。機車下部設(shè)有兩臺兩軸轉(zhuǎn)向架，機車整體上部結(jié)構(gòu)通過前后轉(zhuǎn)向架的八個彈性摩擦旁承支撐。

其中無人駕駛系統(tǒng)用于實現(xiàn)機車遠程監(jiān)控，當牽引空貨車勻速通過裝車樓時，車載子系統(tǒng)與裝車樓操作室子系統(tǒng)對接，車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)可通過車地無線傳輸網(wǎng)絡(luò)（4G/WIFI等）實時發(fā)送到裝車樓操作室，裝車樓操作室子系統(tǒng)根據(jù)裝車樓落料速度及實時監(jiān)控的車輛狀態(tài)，通過車地無線傳輸網(wǎng)絡(luò)向車輛發(fā)送控制指令，車輛按接收到的指令自動調(diào)速，實現(xiàn)車輛無人駕駛。

裝車樓子系統(tǒng)的操作室實時接收機車信號，通過專用軟件對機車狀態(tài)進行監(jiān)控，主要包括機車啟動/停止狀態(tài)、行車方向、行車速度、制動裝置、車鉤狀態(tài)、充電狀態(tài)等；同時綜合落料速度、機車特性等信息，對機車的運行狀態(tài)進行遠程控制，實現(xiàn)車輛的自動調(diào)速和無人駕駛。

圖4 無人駕駛系統(tǒng)示意

機車內(nèi)設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在機車前后遠端、司機室內(nèi)部、設(shè)備間、動力間、車鉤處，共9個視頻監(jiān)控點，同時在司機室內(nèi)裝有大屏幕高清顯示器，便于司機觀察脫鉤狀態(tài)和遠方目標。

配合照明系統(tǒng)、空氣管路系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架驅(qū)動系統(tǒng)等，可實現(xiàn)電力牽車系統(tǒng)與裝車樓系統(tǒng)的有機協(xié)調(diào)，保障智能化作業(yè)的順暢、安全、高效。

3.4 儲能設(shè)備

儲能型電動牽車機屬于新興產(chǎn)品，青島港、京唐首鋼曾在調(diào)車作業(yè)和鋼包拖運作業(yè)中用過此類產(chǎn)品，但最后均因電池問題停用，因此儲能型電動牽車機最核心技術(shù)在于儲能設(shè)備的選擇。

根據(jù)南區(qū)裝車作業(yè)特點，儲能設(shè)備需滿足快速充電、能承擔頻繁充放電循環(huán)。理論上符合要求的儲能電源有兩種：超級電容和鈦酸鋰電池。雖然超級電容擁有超快的充電速度和大于10萬次的充放電循環(huán)次數(shù)，但因其放電速度快、能量密度低、價格昂貴，一般作為輔助電源在設(shè)備短時間大功率運行時補充電能輸出，或在太陽能和風能發(fā)電系統(tǒng)、勢能回收系統(tǒng)中作臨時儲能用；近年來隨著技術(shù)進一步發(fā)展，在城市軌道交通系統(tǒng)中逐步也有少量應(yīng)用，但在工礦機車和港口機械領(lǐng)域內(nèi)至今鮮有應(yīng)用。鈦酸鋰電池具有充電速度快、能量密度較低的特點，目前應(yīng)用于青島港集裝箱自動化碼頭的AGV小車，相較于超級電容，已有應(yīng)用案例可參考。但考慮充放電速度的優(yōu)勢和環(huán)保價值，本工程選擇使用超級電容，這也是新型儲能設(shè)備在港口領(lǐng)域的首次應(yīng)用。

電容管理系統(tǒng)實時采集電容的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，并自動均衡壓差，實現(xiàn)對電容過溫、過壓、過流、欠壓的報警及保護。保障牽引機車高效、可靠、安全運行。

電容管理系統(tǒng)主要功能如下：

1）實時跟蹤電容運行狀態(tài)及參數(shù)檢測

實時采集各種數(shù)據(jù)（電壓、電流、溫度等），監(jiān)測電容充放電狀態(tài)。

2）剩余電量估算

采用相應(yīng)算法，實現(xiàn)電容內(nèi)部狀態(tài)（如容量、SOC（State of Charge，荷電狀態(tài)））的估算和監(jiān)控。

3）充放電控制

支持國標充電協(xié)議，連接充電機，實現(xiàn)對超級電容的充電。根據(jù)電容的荷電狀態(tài)控制對電容的充放電。

4）熱管理

實時采集每個電容箱內(nèi)電容測點溫度，通過對空調(diào)風機等制冷裝備的控制防止電容溫度過高。

5）均衡控制

由于電容個體的差異以及使用狀態(tài)的不同等原因，電容在使用過程中不一致性會越來越嚴重，系統(tǒng)應(yīng)能判斷并自動進行均衡處理。

6）故障診斷

電容管理系統(tǒng)實時檢測電容系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)設(shè)定的報警門限，觸發(fā)故障報警。

7）信息監(jiān)控

電容的主要信息可在HMI顯示終端進行實時顯示。

8）參數(shù)設(shè)定

由于不同車型使用的電容類型、數(shù)量，每個電容箱容量和數(shù)量不同，因此系統(tǒng)應(yīng)具有對車型、車輛編號、電容類型和電容模式等信息靈活配置的功能。

9）遠程監(jiān)視

基于遠程無線傳輸系統(tǒng)，實時在線監(jiān)視系統(tǒng)運行狀態(tài)。

4 結(jié)語

日照港區(qū)南作業(yè)區(qū)對原通用作業(yè)模式進行改造，同時對火車牽車系統(tǒng)進行新型設(shè)備的探索實踐。從生產(chǎn)作業(yè)和適用性方面考慮，儲能型電動牽車機可滿足整列車裝車作業(yè)要求，工程建設(shè)和后期運維較為簡單；從環(huán)保要求上分析，儲能型電動牽車機更符合港口建設(shè)智慧綠色發(fā)展方向。故推薦選用符合港口智慧、綠色發(fā)展理念，可實現(xiàn)整列裝車作業(yè)的儲能型電動牽車機。超級電容對比鋰電池，充放電效率更高、安全性能好、壽命長、且?guī)缀醪淮嬖诨瘜W污染，最終被選定為電動牽車系統(tǒng)的儲能設(shè)備。

在推動交通運輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)政策的指導(dǎo)下，日照港繼續(xù)推進通信網(wǎng)絡(luò)的迭代升級、數(shù)字中臺的建立、大型設(shè)備和作業(yè)流程自動化等，為智慧港口的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)[8]。儲能型（超級電容）電動牽車系統(tǒng)，是促進鐵路集疏港更為環(huán)保、高效的一步，是智慧港口、綠色港口建設(shè)的初步實踐之一，具有創(chuàng)新性和借鑒意義。