梅鋼鐵水運輸機車純電動改進研究

摘要：通過對梅鋼物流部現有內燃機車機型的狀況、運用分析進行研究，結合機車牽引、制動能力及排放等因素，從能耗、性價比等角度比較，確定了機車純電動改進方向，介紹了機車動力電池的選擇、運用管理及安全防護。

關鍵詞：混合動力;純電動力;鈦酸鋰電池;機車

中圖分類號：U267.1 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）19-0060-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.014

0 引言

梅鋼物流部普鐵區域機車共有8臺，其中3臺電傳機車用于梅山礦及古雄站大噸位牽引，軸距長，不適宜廠內小曲線半徑作業;5臺GK1型液傳機車用于廠內過磅、焦化、翻車機作業區域，液傳機車于1993年從資陽機車廠引進，最早一臺GK1型022內燃液傳機車已運用近30年，配備Z12V190BJ4發動機及ZY1011GY液力傳動箱。該機型早些年已經淘汰，目前機車傳動箱、柴油機及走行等部件由于運用年限長，處于加速劣化階段，維修成本高。根據機車現狀和運用狀況分析，目前普鐵區域GK1型機車運用年限長、機械部件磨耗嚴重、狀態差、燃油消耗及排放高，需進行新能源化改進。

1 生產中存在的實際問題

1.1 國家層面相關政策要求

近年來，隨著高質量發展和碳達峰、碳中和總體發展戰略的提出，各地方政府環保政策相繼出臺，對企業高質量發展、環境保護、尾氣排放等提出了明確要求。近期，國家鐵路局組織編制了《老舊型鐵路內燃機車淘汰更新監督管理辦法》[1]，對老舊型鐵路內燃機車實行分類管理，對達到報廢運用年限30年的老舊型鐵路內燃機車實施報廢管理，已達到報廢運用年限或者使用已達到報廢運用年限機車零部件拼裝的老舊型鐵路內燃機車不得參與鐵路運輸。另外，國家鐵路局貫徹落實“雙碳”國家戰略，推動鐵路裝備技術創新和綠色發展，支持新能源鐵路機車替代運用。

1.2 公司層面內在需求

分析公司鐵運現狀，GK1型內燃機車從節能減排、降本增效、機車運用率、可靠性指標等方面均無法適應國家政策要求和公司發展趨勢，面臨淘汰升級。當前公司GK1型內燃機車主要存在以下不足：

1）內燃機車尾氣排放造成的環保問題。為完善我國移動源排放標準體系，落實國務院“十四五”節能減排方案中推動實施鐵路內燃機車國一排放標準的要求，推動鐵路內燃機車行業技術進步和發展，生態環境部組織編制了國家生態環境標準《鐵路內燃機車及其發動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）（征求意見稿）》[2]。GK1型內燃機車柴油機為濟南柴油機廠生產，根據該廠《190柴油機系列排放特性的研究》[3]，在怠速工況至滿負荷工況間柴油機排放標準試驗數據如下：氮氧化物16.4～19.28 g/（kW·h），一氧化碳3.47～14.77 g/（kW·h），碳氫化合物1.169～2.99 g/（kW·h）。該數據遠未達到當前國家行業排放標準。

2）運用成本高。為保證工作臺班內任何情況下機車都能夠隨時投入，現有內燃調車機車采取怠速不熄火的運用方式，造成燃料成本高;同時內燃機車柴油機及輔助系統的日常維保工作量大，當前國內各主要冶金企業內燃機車普遍采用小、輔修加輪換大、中修的模式，機車的年維保成本居高不下，年運用成本達115萬元。

3）工作環境差。內燃調車機車的柴油機噪聲大、振動大，司機室內環境差，司乘人員長期受噪聲、振動等困擾。

4）冷機狀態起機時間長，尤其是在冬季時需要長時間階段性起機打溫，浪費燃油，并易受到周邊居民噪聲投訴。

5）機車部件磨損嚴重、故障率高，影響機車運用效率。

6）GK1型內燃機車柴油機、液力傳動效率低，機車燃油消耗達33 L/h，與機車牽引能效嚴重不成正比。

7）自動化程度不高。設備狀態的檢查以人工為主，質量難以把控，需進一步提高設備智能化水平，實時監控機車各主要部件，全面掌握機車及主要部件狀態信息，為設備運維一體的管控模式提供有利條件。

2 機車新能源改進方案市場調研情況及優缺點對比

2.1 機車牽引動力改進的兩種方式

2.1.1 混合動力

混合動力機車主要動力模式分為動力電池模式、柴油機動力模式和柴油機+動力電池的雙動力模式。動力電池模式下，機車牽引采用動力電池供電，柴油機根據機車功率需求、動力電池容量狀態等參數自動啟動或停止為動力電池充電，同時機車微機控制動力電池的充放電邏輯;柴油機動力模式下以柴油機為機車運行提供動力，車載微機根據機車需求控制柴油機功率;雙動力模式下由動力電池+柴油機同時為機車運行提供動力，該模式主要應用在特殊、困難、重載、機車需要大功率輸出工況條件下，雙動力模式保證了機車功率和牽引力的穩定輸出。

1）混合動力機車優點：機車動力系統為雙動力源，動力電池可采用地面充電和柴油機充電兩種。充電方式靈活，作業過程不受動力電池電量限制;作業等待時間柴油機不啟動，降低了油耗。

2）混合動力機車缺點：結構相對復雜，改進成本高，機車動力電池充電、柴油機模式牽引運行仍以燃料為主提供電源和動力，機車尾氣排放、振動、噪聲等仍存在;相比既有內燃機車，混合動力機車的柴發機組檢修維護人員并不減少;混合動力機車仍存在燃油、機油等消耗，無法實現真正意義的節能減排。

2.1.2 純電動力

純電動力機車采用純動力電池驅動，為機車牽引運行提供動力;輔助設備（牽引通風機、空壓機、空調等）均由動力電池提供電源;風扇、雨刮器、微機、變流裝置等DC110 V電源由動力電池供電;同時動力電池也對機車控制用的鉛酸電池進行充電。純電動力機車具有操作維護簡便、綠色環保、噪聲低、運維費用低、便于智能運維等特點，但機車運用、調度受動力電池電量及地面充電樁位置限制。

1）純電動機車優點：采用動力電池供電，機車噪聲、振動等顯著降低，改善了乘務人員作業環境;機車運行采用動力電池，無柴油機機械傳動功率損耗，無燃料消耗，無尾氣排放，真正實現了節能減排，滿足碳達峰、碳中和要求;機車無柴發機組，無須配置柴油機檢修維護人員，降低了機車檢修維護成本;動力系統采用動力電池，機車傳動為直交電傳動，效率顯著提升，機車運用成本降低，實現了降本增效。

2）純電動機車缺點：根據機車運用環境、運用要求和牽引作業工藝等對動力電池進行合理匹配，機車運行需充分考慮動力電池電量，無法做到隨時隨地投入運用;動力電池充電采用地面充電樁模式，且充電時間一般為0.5～1.5 h，對牽引作業產生影響;動力電池作為新型儲能裝置，其應用需對現有部分檢修維護人員進行培訓。

2.2 確定機車新能源改進方案及應用范圍

結合物流部鐵路運輸業務實際，權衡兩種改進方式的優缺點及成本考慮，確定機車新能源改進方案為純電動改進，理由如下：

1）機車采用純動力電池供電，操作簡便，機車噪聲、振動等顯著降低，改善了乘務人員作業環境。

2）機車運行采用動力電池，無柴油機機械傳動功率損耗，無燃料消耗，無尾氣排放，機車傳動為直交電傳動，效率顯著提升，真正實現了節能減排，滿足碳達峰、碳中和要求。

3）機車無柴發機組，無須配置柴油機檢修維護人員，降低了機車檢修維護成本。

4）機車采用遙控操作，操作人員遠離危險源，確保了現場人員安全。

3 機車改進內容

3.1 鐵水運輸機車運行線路條件及運用要求

重車牽引重量：1 200 t;

空車牽引重量：560 t;

最大坡道：3‰;

最小曲線半徑：150 m;

運行速度：5～12 km/h。

運行負荷：

1）常用負荷：重車總距離1.7～1.9 km，空車返回等待下一次的重車牽引為一個循環，循環周期為30～34 min。

2）最大負荷：重車坡道加彎道（450 m），總距離3.7 km，空車返回等待下一次的重車牽引為一個循環，循環周期約為80 min。

3.2 牽引特性估算

牽引能力以煉鋼走行線校核，動力電池電量以4#、5#高爐運輸能力估算。鐵水運輸中往返一次動力電池耗電量統計如表1所示。

3.3 電池選擇

1）機車8 h耗電量約為268.65 kW·h（53.73×5），充分考慮動力電池特性（20%電量不能放完，充電至90%時無法充滿），配置動力蓄電池電量按330 kW·h核算，綜合作業時間約8 h。

2）機車輪周最大牽引功率300 kW，加上輔助功率及必要保留功率，整車功率按500 kW計。

3）當前機車動力電池以磷酸鐵鋰及鈦酸鋰為主。磷酸鐵鋰電池價格低;鈦酸鋰電池價格高，但快速充放電能力強，充電倍率高、安全。

磷酸鐵鋰電池與鈦酸鋰電池主要性能對比如表2所示。

綜上，根據機車運用要求、動力電池充放電性能、動力電池安全、機車維護保養、動力電池壽命周期成本等因素，如采用磷酸鐵鋰電池充電時間近2 h，機車的運用效率較低，而采用鈦酸鋰電池，充電時間在1 h以內，機車等待時間即可完成，因此新能源機車改進宜采用鈦酸鋰電池，電池電量330 kW·h。

3.4 機車新能源化方式

3.4.1 新能源機車總體布置

新能源機車總體布局如圖1所示，采用單司機室雙操縱端、外走廊、底架承載結構，機車自左向右設備布置如下：

1）Ⅱ端操縱端：添乘座椅、機車風壓表、速度表、照明燈具、緊急停車按鈕等;

2）輔助室：螺桿式空壓機、干燥器、牽引通風機等;

3）動力電池室：動力電池及管理系統、動力電池高壓系統、空調水冷裝置、自動滅火裝置等;

4）變流裝置：主輔一體式牽引變流裝置;

5）電氣室：微機系統、電器柜、整車級自動滅火裝置、遠程傳輸裝置、遙控裝置等;

6）司機室：操縱臺（含司機控制器、制動控制器、微機顯示屏、扳鍵/開關、空調控制面板）、空調、風扇、司機座椅、添乘座椅、雨刮器、照明燈具、電笛、遙控器（不固定安裝）、平面調車等;

7）Ⅰ端操縱端：添乘座椅、機車風壓表、速度表、照明燈具、緊急停車按鈕等。

3.4.2 地面充電站

固定地面點（鋼07線）布置一體式直流充電站，充電設備采用高壓充電箱變模式，將高壓配電、變壓器、充電機集成在一臺箱式變電站內。充電樁主動監測動力電池BMS運行狀態、電池特性參數及充電機自身的運行狀態，診斷故障和異常，設備具備過欠壓檢測、過流檢測、短路檢測、絕緣檢測、煙霧檢測、傾倒檢測以及開門斷電等功能，當動力電池剩余電量低于20%時，發出告警信號，通知司機進站充電。

4 結束語

機車純電動改進滿足國家關于老舊型鐵路內燃機車淘汰管理要求，能夠減少燃油消耗，符合碳排放、碳中和的趨勢，達到清潔運輸效果，更好地滿足環保達A的要求，無廢氣排放，降低噪聲，改善了乘務員操作環境。機車搭載目前主流的微機控制系統、變流裝置，實施對機車動力電池、牽引電機、開關類部件等的監測控制，并存儲機車運行數據、部件狀態數據信息，對機車故障分析和處理等有積極的幫助作用，可實現健康診斷功能，為鐵水運輸遠程運維及無人化做支撐。

[參考文獻]

[1] 老舊型鐵路內燃機車淘汰更新監督管理辦法：國鐵綜設備監函〔2024〕106號[A].

[2] 鐵路內燃機車及其發動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）（征求意見稿）：環辦標征函〔2023〕30號[A].

[3] 萬德玉，吳曉軍.190系列柴油機排放特性的研究[C]//中國內燃機學會第五屆學術年會論文集，1999：541-546.

收稿日期：2024-08-05

作者簡介：宋建波（1974—），男，江蘇人，高級工程師，研究方向：鐵路機車車輛設備。