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新能源智能电动轨道机车在石灰石运输系统中的应用

2024-01-18 69 上传者：管理员

摘要：矿山采运系统原使用柴油内燃机车运输石灰石，存在环境污染大、运行成本高、工作环境差等问题，为了实现清洁生产、节能减排、降低成本、杜绝尾气造成环境污染等，采用新能源智能电动轨道机车代替柴油内燃机车，有效消除诸多不利因素，不仅满足国家环保要求国五标准，每年还能节约燃油及维修维护等成本455万元。

关键词：
新能源
柴油内燃机车
电动机车
采运系统
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2020年6月，国家生态环境部发布《重污染天气重点行业应急减排技术指南（2020年修订版）》，对重点行业在重污染天气期间实施差异化管控。针对水泥企业，湖北省规定A级和引领性企业年错峰生产停窑时间不少于30 d,B级企业年错峰生产停窑时间不少于42 d,C级及以下企业年错峰生产停窑时间不少于60 d。其中A级企业物料运输车辆全部达到国五及以上排放标准或使用新能源机械。我公司原使用的石灰石轨道内燃机车为国一排放标准，成为公司评定环境绩效A、B级的主要制约因素。公司采用新能源智能电动轨道机车代替柴油内燃机车，使厂内运输车辆实现了满足国家环保要求的目标。

1、改造前石灰石运输系统存在的不足

原石灰石运输系统内燃机车为国一排放标准，存在尾气排放超标、噪音污染等问题，制约着公司环境绩效及绿色工厂创建，另外内燃机车使用约15年，机车驾驶室、动力室、车体等主要部件已明显破损、变形（见图1所示），维修维护成本较高，工作台班内长期处于怠速状态，无法满足生产需求，单台车每年配备四个司机班组，燃料费及人工成本非常高。

图1 内燃机车现场照片

2、新能源智能电动轨道机车改造方案

2.1 新能源电动轨道机车运行方案

公司现有一条4 800 t/d熟料生产线，生料立磨型号为LM56.4，台时产量480 t/h，石灰石需求量约为20万t/月，单程运输距离为18 km，电动机车设计运输能力为8 000 t/d，石灰石运输系统车厢利用内燃机车车厢（45节），每节车厢自重14.5 t，石灰石运输量≤20 t，每列轨道机车设计15节车厢，载荷≤550 t，机车采用4用2备的运行模式，其中3台承担常规运输功能，1台承担装卸运载功能，每节车厢石灰石运输量为17.8 t，单台常规运输机车每天运行10趟，运行360 km。单趟运行周期为2.4 h，单趟来回运行里程为36 km。

按照电动机车90 km续航里程，运输机车换电频率设计为每2趟换电1次，每天换电5次。装卸运载机车每天换电1次。换电站每天共计换电16次。现场建设一座换电站，换电站配置有3个充电工位，可具备在2 h内同时将3套放空的电池组充满的能力，换电时间需6 min。

2.2 新能源电动轨道机车整体改造方案

(1）新能源智能电动轨道机车整体结构及相关参数。

新能源智能电动轨道机车（以下简称“电动机车”）车体采用高强度结构钢结构，由前向后可分为制动室、电气室、司机室3个部分，电动机车最前端是制动室，内部安装有螺杆压缩机1台，电气室位于机车中部，放置磷酸铁锂电池组，内置消防风冷、一组BMS汇流柜，一套高压驱动及逆变电源柜及七氟丙烷灭火消防柜。电动机车内部结构图如图2所示，性能参数如表1所示。

图2 电动机车内部结构图

(2）电动机车改造方案。

首先拆除原内燃的柴油机及液力传动装置，仅保留车架部分；其次更换轴箱内轴承、油压减震器、轮毂，改造原车轴并经过探伤合格；改造机车车体，整形翻新原车承载架、车厢，修补加固车体，改造操作面板，对司机室进行全新装修；最后安装电气设备，包括电池系统、整车控制器、主驱动器、电机、逆变器、电气柜、空调、消防、水冷温控系统等设备。

2.3 电动机车动力系统

电动机车动力系统（见图3所示）由动力蓄电池系统（电池PACK、高压接线箱、BMS、充电插座）、控制电池组、电机控制器、牵引电动机、逆变电源/车载充电机及其滤波器变压器、DC24V电源、车辆控制器（VCU）等设备组成。整车使用磷酸铁锂蓄电池组作为电源，运行时，蓄电池电源通过蓄电池高压箱整合配置后引入到电机控制器，整车装有两套电机控制器，每套电机控制器牵引一台牵引电机，从而驱动整车运行[1]。

表1 电动机车性能参数表

图3 电动机车动力系统原理图

2.4 电动机车控制系统

控制系统负责车辆的正常行驶、制动能量回馈、整车发动机及动力电池的能量管理、网络管理、故障诊断及处理、车辆状态监控等，从而保证整车在较好的动力性、较高经济性及可靠性状态下正常稳定地工作。

车辆控制器采用移动控制器，该控制器自带数字量输入/输出口、模拟量输入输出口及CAN总线接口和RS232接口。车辆控制器通过I/O接口与司机操纵元件、触点执行元件等相连，通过CAN1总线与两个司控台的监视触摸屏及蓄电池管理系统BMS相连，通过CAN2总线与高压接线箱、电机驱动器、牵引蓄电池DC/及辅助逆变电源箱相连，通过两个控制器的CAN3口与他车相关。以上3条CAN总线构成机车控制网络[2]，见图4所示。

2.5 电动机车制动系统及远程监控管理系统

机车采用空气制动，通过降低列车管道压力，可以自动对车辆和后面车厢进行制动。当列车管道中的压缩空气被迅速排出时，紧急制动被启动。供气系统由空气压缩机、压力调节器、总风缸油水分离器、安全阀等组成。通过压力继电器实现自动控制空气压缩机，压力继电器连接在总风缸的主管道上，将总风缸压力的上下限值转换为电信号，控制空压机充气总风缸，当总风缸压力上升到最大压力10 bar时，压力继电器输出信号给PLC,ACSR将通电使卸荷电动气动阀工作，空气压缩机将无负载运行。当总风缸压力低于8.5 bar时，压力继电器将切断电磁阀，PLC的信号丢失，ACSR将断电，使卸荷电动气动阀停止，空气压缩机将再次给总风缸充气。

图4 电动机车控制系统原理图

远程监控系统由传感信息采集系统、视频采集与传输系统、定位&调度系统、定期保养管理系统、监控中心、云服务器&数据库等组成，对行车数据和驾驶员操作过程进行监视，实现数据实时采集，统计分析，发现异常及时告警，确保设备安全和可靠的运行。

3、改造效果分析

生产方面，改造前内燃机车因工作年限已久，长期处于怠速状态，石灰石运输能力为18万t/月，改造后电动机车运输能力达24万t/月，满足20万t/月的石灰石需求。

经济方面，原内燃机车每年消耗柴油600 t，柴油单价为8 000元/t，每年消耗燃油费约480万元，电动机车每年电费约120万元；另外每台内燃机车维修及机械润滑与保养等费用约37万元/年，5台185万元，每台电动机车维护费约18万元/年，5台90万元。由此可知，电动机车相比内燃机车每年可节省运行及维修维护费用455万元，即在相同工况下运行的燃料费用相比传统内燃机车降低75%以上，维护费用相比传统内燃机车降低50%。

社会效益方面，通过电能清洁替代，电动机车每年可减排二氧化硫14 t、二氧化碳3 750 t。同时，电动机车满足新能源机械要求，有利于公司创建环境绩效A、B级及绿色工厂。

4、结束语

电动机车投运后，石灰石运输系统表现出明显优势：在拉载能力方面，电动机车启动牵引力、持续牵引力均较原内燃机车有显著提升；在制动方面，保留内燃机车空气制动和手动制动的同时，增加了电机励磁制动，进一步提升机车的制动安全性能；在驾驶体验方面，智能化程度高，机车操作性能好，可遥控驾驶，司机免受内燃机车噪音、振动、尾气排放的困扰，有效保障司乘人员的身心健康，另外机车具备自动化、信息化、智能化等特点，适合远期的无人驾驶。电动机车无需燃油作为动力、无污染、噪音小、能源效率高、结构简单，使用维修费用低。总之，对比传统的内燃机车，该电动机车展现出经济、安全、环保和智能的特征。

参考文献:

[1]王华.一种隧道用新能源牵引机车的研究与应用[J].建筑机械化,2021,42(4):40-42.

[2]孙洋洋,游达章,戴科华,等. JCD-4G型蓄电池高空作业车的研发[J].内燃机与配件,2020(5):208-210.

文章来源:李鹏,王福生,严爱平等.新能源智能电动轨道机车在石灰石运输系统中的应用[J].新世纪水泥导报,2024,30(01):65-67.