高海拔交通隧道电动新能源出渣装备应用模式探索.pdf
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1、引用格式:李冰天,梅勇兵,黎庶,等.高海拔交通隧道电动新能源出渣装备应用模式探索J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):544.LI Bingtian,MEI Yongbing,LI Shu,et al.Application mode of electric new energy mucking equipment in plateau transportation tunnelsJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):544.收稿日期:2022-12-02;修回日期:2023-08-03基金项目:成都市重点研发项目(2022-YF08-00003-G
2、X)第一作者简介:李冰天(1989),男,黑龙江大庆人,2020 年毕业于西南交通大学,桥梁与隧道工程专业,博士,助理研究员,现从事铁路隧道工程研究工作。E-mail:40808860 。高海拔交通隧道电动新能源出渣装备应用模式探索李冰天1,梅勇兵2,黎 庶3,任 毅4(1.中国铁道科学研究院集团有限公司,北京 100081;2.中国铁建重工集团股份有限公司,湖南 长沙 410129;3.中国国家铁路集团有限公司工程管理中心,北京 100844;4.中铁十二局集团有限公司,山西 太原 030024)摘要:针对电动新能源出渣装备在高海拔交通隧道工程建设应用中续航能力不足、购置成本高、配套设备设施
3、及安全保障措施尚不完善等问题,通过对电动出渣装备应用情况进行跟踪分析,结合高海拔交通隧道施工场景需求和技术发展趋势,提出基于换电技术的“车电分离”模式是解决上述难题最有效的技术路线。该技术路线的实施需要以换电型装备研制、动力电池系统标准化、配套移动式快速换电装备研发及能源保障基础设施建设为基础。而在“车电分离”模式所需技术、装备尚不完备的情况下,针对现有充电型电动出渣装备,还应开展小型化移动式补电设备研发以及电缆供电工艺工法研究,同时积极探索装备租赁、劳务分包等多种商业模式,加快推动电动出渣装备的工程化应用。关键词:高海拔交通隧道;新能源;电动出渣装备;车电分离;应用模式DOI:10.3973
4、/j.issn.2096-4498.2023.S1.065中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0544-06A Ap pp pl li ic ca at ti io on n MMo od de e o of f E El le ec ct tr ri ic c N Ne ew w E En ne er rg gy y MMu uc ck ki in ng g E Eq qu ui ip pm me en nt t i in n P Pl la at te ea au u T Tr ra an ns sp po or rt ta at ti io
5、 on n T Tu un nn ne el ls sLI Bingtian1,MEI Yongbing2,LI Shu3,REN Yi4(1.China Academy of Railway Sciences Co.,Ltd.,Beijing 100081,China;2.China Railway Construction Heavy Industry Co.,Ltd.,Changsha 410129,Hunan,China;3.Engineering Management Center,China State Railway Group Co.,Ltd.,Beijing 100844,C
6、hina;4.China Railway 12th Bureau Group Co.,Ltd.,Taiyuan 030024,Shanxi,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:When the new energy mucking equipment is applied in construction of high-altitude transportation projects,many problems encounter,such as poor endurance,high purchase cost,and incomplete supporting e
7、quipment,facilities and security.Therefore,the application status of electric mucking equipment is introduced,and an effective technical route that can address the problems mentioned above,vehicle electricity separation mode based on battery swapping technology,is proposed to cope with the applicati
8、on scenario requirements and technology development trends.The implementation of this technical route should be based on the development of power exchange equipment,the standardization of power battery system,the development of rapid battery swapping equipment,and the construction of energy security
9、 infrastructure.It is also necessary to conducted research and development of miniaturized mobile charging equipment and cable power supply technology.At the same time,various business models such as equipment leasing and labor subcontracting should be actively explored to accelerate the engineering
10、 application of electric mucking equipment.增刊 1李冰天,等:高海拔交通隧道电动新能源出渣装备应用模式探索K Ke ey yw wo or rd ds s:high-altitude transportation tunnel;new energy;electric mucking equipment;vehicle electrical separation;application mode0 引言 我国是一个高原广布的国家,高原面积约占陆地总面积的 26%,且多集中在西部地区,其中青藏高原总面积约 250 万 km2,平均海拔 4 000 m 以
11、上。近年来,我国铁路加快推进路网建设,2021 年底西部地区铁路比2012 年增加了2.3 万 km1-2,高海拔特长隧道的数量也随之增多。高原山区地质条件复杂,除少数隧道采用掘进机(TBM)施工外,多采用钻爆法施工。其中,出渣作业占钻爆法施工作业循环时间的 40%60%,配套作业装备目前多为燃油(内燃机驱动)型。高原环境空气稀薄,内燃机功率、转矩下降,有效燃油消耗率、烟度值增高,导致燃油型出渣装备作业效率低、油耗高,环境污染严重3-4。同时,燃油型出渣装备“与人争氧”,在长距离隧道内部作业时,其尾气排放给作业人员安全和隧道通风能效带来严重隐患5-6。因此,为从根本上解决上述问题,研制高海拔交
12、通隧道电动化出渣装备势在必行。近年来,徐工、柳工、长安重工、三一、吉利、比亚迪、博雷顿等国内企业在新能源出渣装备方面开展了大量的研发工作,并相继推出了各自的工程样机,主要包括电动挖掘机、电动装载机、电动自卸车和电动混凝土搅拌车。王在广等7以新建西宁至成都铁路甘青段为对象,分析了新能源装备与传统燃油型装备的优缺点,并提出新能源装备应用的建议。任彦丽8分析了隧道出渣装备电动化的必要性,并提出了电动挖掘机、电动装载机、电动自卸车的技术方案。邢泊等9系统研究并针对性提出在高海拔高寒等极端环境下超前支护、开挖、初期支护、二次衬砌等钻爆法施工关键工序的装备选型建议。但是电动新能源出渣装备续航能力差、购置成
13、本高等仍是制约新能源装备推广应用的主要问题,其难以大规模替代燃油型装备,致使规模化应用的迫切需求与高性能新能源装备缺失之间的矛盾更加凸显。本文对电动出渣装备在高海拔交通隧道施工中的应用现状进行调研,分析目前存在的主要问题,并探讨适用于高海拔交通隧道的电动出渣装备技术研发方向和应用模式,以期为电动出渣装备在高海拔交通隧道的大面积推广应用提供参考。1 电动出渣装备的优势1.1 作业效率优势 随着海拔高度增加,大气压强度降低,导致内燃机燃烧室充气密度下降,过量空气系数降低,燃烧恶化,进而导致高原燃油型工程机械综合性能明显下降10。试验数据表明,海拔高度每上升 1 000 m,自然吸气型内燃机的功率和
14、转矩下降 8%13%;当海拔上升至4 000 m 时,其功率降低约 45%11。目前,电动出渣装备主要采用磷酸铁锂电池作为能量来源,在保留传统燃油装备传动系统的基础上,将内燃机换成电动机,减少了内燃机利用燃料与空气混合燃烧产生动能的环节,不受气压和氧气体积分数变化的影响,功率损耗较低。因此,高海拔交通隧道特别是海拔 3 000 m 以上的地区,电动出渣装备在提升作业效率方面较传统燃油装备具有明显优势。1.2 作业环境优势 一般情况下,无论是平原还是高原,空气中的氧气体积分数均为 21%左右。而在高原环境下,大气压降低,导致空气密度降低,氧分压降低,当海拔达到3 000 m 和 4 000 m
15、时,单位体积内的氧气占比仅为16.15%和 14.55%。隧道内空间狭小,传统燃油装备作业时消耗大量氧气,同时燃油的不充分燃烧造成大量 CO、CO2、NO、NO2等有害气体及 PM2.5 等颗粒物排放,需要通过加强通风及适时制氧补充隧道环境内的氧气体积分数。随着掘进长度的不断增加,通风供氧将会越来越困难,导致作业人员出现缺氧、头晕、窒息等高原反应。电动出渣装备采用纯电驱动,作业过程不消耗氧气,且零尾气排放,能够很好地解决传统燃油装备与人争氧的问题,缓解高原隧道施工通风及制氧压力。此外,根据现场实测数据,电动出渣装备驾驶室外噪音低至 7080 dB,比同规格传统燃油装备平均低 2030 dB,能
16、够有效改善作业环境。1.3 作业成本优势 高海拔环境下内燃机空燃比下降,导致燃烧不充分,油耗增加,在海拔 3 000 m 和 4 000 m 时,非涡轮增压内燃机完成单位作业量消耗的燃油较平原地区分别增加 57%和 86%12。电动新能源出渣装备能耗成本远低于燃油装备。根据目前使用情况统计分析可知,相比于传统燃油装备,电动出渣装备能耗成本约降低50%,部分装备能耗成本仅为传统燃油装备的 1/3 左右,详见表 1。此外,传统燃油装备发动机系统需要定期进行机油、机油滤芯、空气滤芯、燃油滤芯更换保养,且随着海拔的增高及作业环境粉尘含量、空气湿度的增加,燃油设备维护保养频率需提高,维护保养成本也相应增
17、加。电动新能源出渣装备电机系统维护保养周期长、维护成本低。根据目前使用情况统计分析可知,电动新能源出渣装备维护保养成本约为传统燃油装备的50%,如表2 所示。545隧道建设(中英文)第 43 卷表 1 电动出渣装备与传统燃油装备能耗/成本对比表Table 1 Comparison of energy consumption cost between electric equipment and fuel equipment对比项目挖掘机电动燃油装载机电动燃油自卸车电动燃油单次充电量/(kWh)360360360单次加油量/L340300230能耗单价/元0.806.000.806.000.80
18、6.00单次充电或加油费用/元2882 0402881 8002881 380单次充电或加油出渣量/m34061 4214061 421192384能耗成本摊销/(元/m3)0.711.440.711.271.503.59表 2 电动出渣装备与传统燃油装备维保成本对比表Table 2 Comparison of maintenance cost between electric equipment and fuel equipment对比项目挖掘机电动燃油装载机电动燃油自卸车电动燃油差异化维保成本/元7 00018 8008 20014 0003 4006 700维保周期/h2 0002 00
19、02 0002 0002 0002 000每小时维保成本/元3.509.404.107.001.703.35每日工作时间/h5.755.755.755.755.755.75每日出渣量/m3507.5507.5507.5507.5507.5507.5维保成本摊销/(元/m3)0.040.110.050.080.020.042 电动出渣装备在高海拔交通隧道应用中存在的问题2.1 续航里程不足 目前投入使用的电动出渣装备均为充电型,实际续航能力在 4 h 左右。采用隧道外设置的固定式充电桩进行电能补给,充电时间约 1.5 h,且需预留 10%20%电量用于补能行程。对于电动自卸车和电动混凝土搅拌车,
20、主要承担隧道内外间的运输作业,单次作业时间较短,补能较方便,能够满足现场的作业要求。而对于电动挖掘机和电动装载机,主要承担隧道掌子面附近的挖装作业,单次作业时间较长,且随着隧道作业面的不断推进,往返于隧道内外进行充电将消耗大量电能。根据现场试用情况来看,对于、级围岩段,电动挖装装备需充电 12 次才能完成出渣作业,无法实现连续作业;而对于围岩条件较好的、级段,在部分纵坡坡度较大的工况下,电动挖装装备单次充电无法满足 1 个施工循环作业的需求,严重影响了施工进度。2.2 购置成本较高 目前,电动新能源出渣装备购置成本较传统燃油装备高出 30%160%(不含充电桩购置成本),如表 3所示。成本增加
21、部分主要为动力电池成本,导致装备采购方一次性投入较大。由于动力电池成本受到原材料和技术水平的制约,短时间内很难大幅降低,一定程度阻碍了电动新能源出渣装备的推广应用。表 3 电动出渣装备与传统燃油装备购置成本对比表Table 3 Comparison of purchase cost between electric equipment and fuel equipment装备名称型号生产厂家电动出渣装备价格/万元同规格燃油装备价格/万元电动挖掘机CLG924F-ETN柳工165.00100.00XE215E徐工150.00100.00323EV长安重工130.00100.00电动装载机CLG8
22、56E-MAX柳工95.0050.00XC958EV徐工83.0050.00950E长安重工102.0050.00电动自卸车吉利 64吉利105.0040.00XGA3250徐工79.0040.00X3000长安重工102.0040.002.3 存在安全隐患 随着隧道掘进深度的不断增加,电动挖掘机和电动装载机将不具备驶出隧道进行充电补能的可行性。现行国家标准电动汽车供电设备安全要求及试验规范13要求的最低环境条件为海拔 2 000 m 及以下,对于海拔 2 000 m 以上需进行修正,且适用范围并未涵盖隧道内设置充电桩这种特殊情况。隧道属于半封闭狭长空间,施工作业环境复杂,一旦电动出渣装备在隧
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