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(wù)院下發(fā)的《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》提出，要加快建設(shè)綜合立體交通網(wǎng)，提高鐵路、水路在綜合運輸中的承運比重，持續(xù)降低運輸能耗和二氧化碳排放強度。推廣節(jié)能低碳型交通工具。加快發(fā)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(fā)展改革委、國家能源局下發(fā)的《國家發(fā)展改革委 國家能源局關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機制和政策措施的意見》指出,要完善工業(yè)領(lǐng)域綠色能源消費支持政策，引導(dǎo)工業(yè)企業(yè)開展清潔能源替代，降低單位產(chǎn)品碳排放，鼓勵具備條件的企業(yè)率先形成低碳、零碳能源消費模式。完善交通運輸領(lǐng)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(wù)設(shè)施，降低交通運輸領(lǐng)域清潔能源用能成本。

山西太鋼集團作為內(nèi)陸大中型鋼鐵企業(yè)，鐵水、鋼渣和鑄坯的牽引運輸離不開內(nèi)燃機車。目前，太鋼保有傳統(tǒng)型內(nèi)燃機車近50 臺次，約50%的機車使用時限已超過25 年，傳統(tǒng)型機車能耗高、污染大，遠不能達到當(dāng)前環(huán)保要求。而且，從機車運用實際分析（以高爐下鐵水取送作業(yè)為例），機車近70%的時間為待命停機狀態(tài)，由于機車需要供給輔助設(shè)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(chǎn)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(diào)撥，拆舊檢修模式難以為繼。設(shè)備老化日趨嚴(yán)重，動力不足，故障率高，已對公司的生產(chǎn)、安全、環(huán)?？冃Мa(chǎn)生了一定的負面影響。因此，如何處置老舊內(nèi)燃機車成為內(nèi)陸型鋼鐵企業(yè)物流運輸組織方迫切需要解決的一個“痛點”問題。

1 老舊內(nèi)燃機車改造的可行性分析

在環(huán)保形勢日漸嚴(yán)苛的態(tài)勢下，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)物流運輸組織方對牽引動力設(shè)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(xiàn)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(yè)經(jīng)濟負擔(dān)大。二是對老舊機車進行改造，既經(jīng)濟適用，又能實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，符合企業(yè)綠色發(fā)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(yè)（如山東華車、山東斯泰重工、寶雞秦嶺重工、寶雞中鐵中聯(lián)和安徽萬航等），已走在新能源軌道機車行業(yè)前沿，有成熟的機型。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)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(shù)據(jù)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(jié)能方面都是成功的。

為此，太鋼物流中心在充分研究國內(nèi)成功實例和先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)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?yōu)閯恿﹄姵亟M+柴油發(fā)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(jīng)驗，且2 臺老舊DFH5 型機車原本即采購自該廠，經(jīng)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(shù)鋼鐵企業(yè)選擇純電或混合動力機車，從穩(wěn)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(nèi)首創(chuàng)。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(jié)構(gòu)尺寸不發(fā)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(yīng)功率柴油發(fā)電機的型號。保證原機車主要外形結(jié)構(gòu)尺寸不發(fā)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(nèi)調(diào)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(huán)保且功率匹配兩方面因素后，經(jīng)過多方溝通、調(diào)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(xiàn)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(zhì)量會發(fā)生變化。為不引起機車軸重轉(zhuǎn)移，彌補質(zhì)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(guān)注。

解決方案：經(jīng)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(jié)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(diào)車作業(yè)。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(yīng)冶金企業(yè)運輸線路短、道口多及轉(zhuǎn)線頻繁的作業(yè)環(huán)境，機車在運用中可反復(fù)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(zhuǎn)速頻繁變化導(dǎo)致的燃油不充分燃燒，達到了節(jié)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(zhuǎn)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(jīng)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(xiàn)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(fā)生故障，整臺機車就處于死機狀態(tài)，需要出車救援，而煉鋼區(qū)域往往無等待救援的時間條件?；靹訖C車若發(fā)生柴油機故障，還有電池組可以提供動力繼續(xù)運行。電池組由3個支路組成，即使其中2 個支路都發(fā)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(yù)備機車到現(xiàn)場頂替作業(yè)。

4 經(jīng)濟效益與節(jié)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(jié)構(gòu)、功率等級的混動機車，可節(jié)約費用100 多萬元。改造2 臺機車，可節(jié)約投資約300 萬元。

2）經(jīng)過現(xiàn)場實際測算，混動機車較原型機車柴油節(jié)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(xiàn)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(shù)=（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(shù)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(chǎn)生的噪聲對沿線附近居民區(qū)的影響。

本次創(chuàng)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(biāo)準(zhǔn)。同比純柴油模式，節(jié)油率達61%，且從源頭上杜絕了以往機車油水系統(tǒng)頻發(fā)的跑冒滴漏現(xiàn)象。

6 結(jié)語

作為位于內(nèi)陸地區(qū)且毗鄰大中型城市主城區(qū)的太鋼而言，只有依靠技術(shù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新，才能在節(jié)能、減污、降碳的具體實踐中成就綠色發(fā)展模式，實現(xiàn)內(nèi)陸型鋼廠與中心城市的和諧發(fā)展格局。

鋼鐵企業(yè)物流運輸環(huán)節(jié)是鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)高效、循環(huán)經(jīng)濟中密不可分的一環(huán)，在物流運輸環(huán)節(jié)緊跟市場先進技術(shù)，選擇性吸收轉(zhuǎn)化，不斷淘汰高耗能、高污染的裝備，才能實現(xiàn)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(yù)期目標(biāo)，因此，太鋼計劃繼續(xù)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(yè)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。