鋼鐵企業大型運輸裝備節能減污降碳的運用實踐

王 晶，郭璐生

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司物流中心，山西 太原 030003）

0 引言

2021 年9 月22 日，中共中央、國務院下發的《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》提出，要加快建設綜合立體交通網，提高鐵路、水路在綜合運輸中的承運比重，持續降低運輸能耗和二氧化碳排放強度。推廣節能低碳型交通工具。加快發展新能源和清潔能源車船，推廣智能交通，推進鐵路電氣化改造，加快淘汰高耗能、高排放老舊車船。

2022 年2 月6 日,國家發展改革委、國家能源局下發的《國家發展改革委 國家能源局關于完善能源綠色低碳轉型體制機制和政策措施的意見》指出,要完善工業領域綠色能源消費支持政策，引導工業企業開展清潔能源替代，降低單位產品碳排放，鼓勵具備條件的企業率先形成低碳、零碳能源消費模式。完善交通運輸領域能源清潔替代政策。推行大容量電氣化公共交通和電動、氫能、先進生物液體燃料、天然氣等清潔能源交通工具，完善充換電、加氫、加氣（LNG）站點布局及服務設施，降低交通運輸領域清潔能源用能成本。

山西太鋼集團作為內陸大中型鋼鐵企業，鐵水、鋼渣和鑄坯的牽引運輸離不開內燃機車。目前，太鋼保有傳統型內燃機車近50 臺次，約50%的機車使用時限已超過25 年，傳統型機車能耗高、污染大，遠不能達到當前環保要求。而且，從機車運用實際分析（以高爐下鐵水取送作業為例），機車近70%的時間為待命停機狀態，由于機車需要供給輔助設備用電，故柴油機須怠速運行，存在大量的怠速油耗。同時，由于生產用鐵路線較短、道口多，機車啟停頻繁，負荷變化大，實際運用中的機車均在低速、低功率運用，燃油不能充分燃燒，增大了油耗和排放。且部分老舊機車已屬淘汰機型，日常檢修備品備件無渠道調撥，拆舊檢修模式難以為繼。設備老化日趨嚴重，動力不足，故障率高，已對公司的生產、安全、環?？冃Мa生了一定的負面影響。因此，如何處置老舊內燃機車成為內陸型鋼鐵企業物流運輸組織方迫切需要解決的一個“痛點”問題。

1 老舊內燃機車改造的可行性分析

在環保形勢日漸嚴苛的態勢下，國內鋼鐵企業物流運輸組織方對牽引動力設備的共識是：逐步運用純電動機車或油電混合動力機車實現牽引運輸。對于老舊機車的處置方案，有兩個基本思路：一是逐步小批量進行淘汰、重新購置新能源機車，但企業經濟負擔大。二是對老舊機車進行改造，既經濟適用，又能實現節能環保，符合企業綠色發展要求。中車資陽機車廠、中車大連機車廠以及部分民營企業（如山東華車、山東斯泰重工、寶雞秦嶺重工、寶雞中鐵中聯和安徽萬航等），已走在新能源軌道機車行業前沿，有成熟的機型。國內鋼鐵企業已運用的案例有：馬鋼、鞍鋼、武鋼、包鋼、南鋼、哈熱電和淮南鐵運等，從運行數據跟蹤推斷，無論是油電混合動力機車，還是純鋰電池動力機車，在性能和節能方面都是成功的。

為此，太鋼物流中心在充分研究國內成功實例和先進技術的基礎上，創造性提出將2 臺老舊DFH5 型機車（已使用35 年，屬淘汰車型）改造為油電混合動力機車，機車動力源由柴油機變為動力電池組+柴油發電機組。對中車資陽機車廠進行實地考察，該廠具備成熟的改造經驗，且2 臺老舊DFH5 型機車原本即采購自該廠，經過全盤考慮，最終委托中車資陽機車廠進行改造。

2 改造中需要解決的主要問題及解決方案

多數鋼鐵企業選擇純電或混合動力機車，從穩定性、改造周期等方面考慮，基本以新購整車為主流思路，對老舊淘汰機車實施升級改造進行盤活，太鋼屬國內首創。在進行機車改造時，需要著重考慮以下幾個方面。

2.1 保證原機車主要外形結構尺寸不發生變化

改造以重新盤活老舊淘汰型機車、減少固定資投入為核心，因此，需要對原DFH5 型機車車體實施整體性破拆改造，取消原柴油機及傳動軸等附屬傳動裝置，確定動力電池組及相應功率柴油發電機的型號。保證原機車主要外形結構尺寸不發生變化，是首先需要解決的問題。

解決方案:鑒于改造后的混合動力機車主要用于廠內調車用，故動力電池的容量必須選擇能量密度較高的大容量電池，以盡量增加車載電池容量，在充分考慮環保且功率匹配兩方面因素后，經過多方溝通、調研，最終動力電池定型為420 kW·h 動力電池組，并配合使用250 kW 的電噴康明斯柴油機。

2.2 保持機車原有軸重

鑒于改造需要，拆除柴油機及附屬傳動軸、中間齒輪箱，必然造成機車軸重減小，啟動牽引力弱化，無法滿足在太鋼現有鐵路條件的啟動、牽引需要。

解決方案：取消原液力傳動裝置后，機車質量會發生變化。為不引起機車軸重轉移，彌補質量損失，采取增加壓鐵和鐵沙子等方式增加機車配重，使機車軸重仍保持為23 t。

2.3 傳動方式要滿足“牛馬特性”

機車原液力傳動能滿足“牛馬特性”。使用電傳動方式是否能滿足此特性，需要重點關注。

解決方案：經過與廠家多次測算、試驗，充分證明選用“牽引電機+車軸齒輪箱”電液混合傳動方式能完全滿足“高速低牽、低速高牽”的“牛馬特性”。

3 改造前后各項情況比較

3.1 改造前后機車動力對比

由表1、表2 可知，機車改造后啟動牽引力達到297 kN，大于原車的237 kN。在線路坡道為9‰、半徑為300 m 的線路（折算坡度為11‰），推進15 輛敞車1 400 t 進行重載試運，混動工況下可以在該坡道輕松起動（83%的負荷）。結果表明，混動機車的牽引能力超過了原型機車，滿足運行條件。

表1 改進前后機車功率對比

表2 改進前后傳動方式和牽引力對比

3.2 改造后機車運用模式分析

1）改造后，可以采用純電牽引、純柴牽引以及混合牽引等3 種牽引模式。通常情況下，機車使用純電模式進行調車作業。機車待命停機時，可以只由動力電池組提供機車輔助用電，不用啟動柴油機，從而消除了大量怠速燃油消耗和排放污染。同時，使用純電模式能更好地適應冶金企業運輸線路短、道口多及轉線頻繁的作業環境，機車在運用中可反復進行啟動、加速、減速、換向和停車的操作模式，有效避免了柴油機轉速頻繁變化導致的燃油不充分燃燒，達到了節省燃油的目的。

2）就充電模式來說，在無地面充電裝置條件下，柴油機可以在額定轉速下給動力電池充電。而在有地面充電裝置條件下，可直接采用地面充電模式。經試驗，機車SOC（機車剩余電量）由51%充電至91%，僅用2 h，完全可與現場實際情況契合，滿足使用要求。

3）混動機車與液傳機車相比，可靠性更高。液傳機車一旦有1 個柴油機或液壓傳動箱發生故障，整臺機車就處于死機狀態，需要出車救援，而煉鋼區域往往無等待救援的時間條件?；靹訖C車若發生柴油機故障，還有電池組可以提供動力繼續運行。電池組由3個支路組成，即使其中2 個支路都發生故障，機車仍然可以只靠1 個支路降功率維持運行，等待預備機車到現場頂替作業。

4 經濟效益與節能情況

1）本次太鋼升級改造1 臺機車投資總費用相較新購1 臺相同傳動結構、功率等級的混動機車，可節約費用100 多萬元。改造2 臺機車，可節約投資約300 萬元。

2）經過現場實際測算，混動機車較原型機車柴油節油率達61%。

3）原車柴油機市場已淘汰、檢修成本大，柴油機每天運行時間近20 h?，F在選配的柴油機機型屬于市場通用型柴油機、零配件充足，柴油機每天運行時間只有2 h 左右，因此，大大延長了柴油機的檢修周期。

5 社會效益

1）2 臺混動機車較原機車減少碳排放=（液傳機車月均耗油量-混動機車月耗油量）×1.2×柴油碳排放系數=（13 959-5 444）kg×1.2 L/kg×2.778 kg/L=28 385 kg，全年可減少柴油碳排放340 620 kg。（其中：柴油碳排放系數為2.778 kg/L，即1 kg 柴油的體積按1.2 L 換算）。

2）采用混合動力機車進行純電牽引，能同步消除機車動力產生的噪聲對沿線附近居民區的影響。

本次創新可大幅降低機車尾氣排放，減少廢氣危害，滿足了國家非道路移動機械第三階段排放標準。同比純柴油模式，節油率達61%，且從源頭上杜絕了以往機車油水系統頻發的跑冒滴漏現象。

6 結語

作為位于內陸地區且毗鄰大中型城市主城區的太鋼而言，只有依靠技術創新、管理創新，才能在節能、減污、降碳的具體實踐中成就綠色發展模式，實現內陸型鋼廠與中心城市的和諧發展格局。

鋼鐵企業物流運輸環節是鋼鐵企業實現高效、循環經濟中密不可分的一環，在物流運輸環節緊跟市場先進技術，選擇性吸收轉化，不斷淘汰高耗能、高污染的裝備，才能實現綠色、高效、低成本運輸?；靹訖C車的各項性能在實踐過程中均能達到預期目標，因此，太鋼計劃繼續對老舊GK1B 型機車實施改造升級。目前，太鋼作為混動機車改造的成功案例，被同行業單位紛紛效仿，并與資陽機車廠簽訂了老舊液傳機車升級改造混動機車的改造合同。