高海拔交通隧道电动新能源出渣装备应用模式探索.pdf

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-GX)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/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 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,China;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 equipment,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 application 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 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 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 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0.806.000.806.000.806.00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 0002 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,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CLG856E-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道内充电过程中发生动力电池燃爆事故,将对作业人员的生命安全和隧道结构造成极大的威胁。645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3 高海拔交通隧道电动出渣装备“车电分离”应用模式思考 目前,提高续航能力、安全快速补能、降低投入成本是电动出渣装备尤其是电动挖掘机和电动装载机在高海拔交通隧道中推广应用亟待解决的问题。本文认为,“车电分离”模式将是解决上述难题最有效的技术路线。“车电分离”模式以换电技术为基础,用户可以购买不含电池的装备,使用过程中通过租赁电池的方式来获得电能补充的一种应用模式。一方面能够大幅降低用户的一次性投入,另一方面能够在实现快速补能的同时保证安全性。目前,电动挖掘机和电动装载机产品研发尚处于初期阶段。在高海拔交通隧道施工条件下,采用“车电分离”模式,除了研发换电型装备以外,还需在以下 4 个方面开展进一步的探索。3.1 提高动力电池集成度 提高续航能力的核心是增加电池容量,主要途径包括提高电池能量密度、增加电池组数量、提升电池包空间利用率等。目前,电动出渣装备主要采用磷酸铁锂电池,受限于电池技术水平,短期内电芯单体能量密度很难有较大的提升。此外,隧道内的作业空间对电动挖掘机、电动装载机的外形尺寸有一定限制,电池组的布置空间有限。因此,提高现有动力电池的集成度是现阶段增加电动挖掘机、电动装载机电池容量的唯一手段。“无模组”电池是近年来研究的热点,其中比较有代表性的是宁德时代推出的 CTP(cell to pack)技术和比亚迪推出的刀片电池技术14。以宁德时代CTP 技术为例,动力电池体积利用率将会提升 15%20%(如图 1 所示),若能够应用到电动挖掘机和电动装载机上,将会在一定程度上提升装备的续航能力。图 1 传统技术与 CTP 技术对比Fig.1 Comparison between traditional technology and CTP technology3.2 推动动力电池标准化 “车电分离”模式虽然能够降低用户的购置成本,但实质上是电池成本由用户向换电服务供应商的转移。在乘用车市场,换电模式起步较早,主要因其补能效率高,提高了消费者对新能源汽车的接受度。但在发展过程中,由于电池标准不完善、兼容性差,导致换电服务的投入成本较高,市场转而选择了充电模式。因此,动力电池标准化问题是“车电分离”模式能否顺利推广应用的关键。与乘用车相比,工程机械市场较小,统一动力电池标准的难度也较小;同时,高海拔交通隧道施工作业对电动出渣装备有着正向需求。因此,以铁路市场作为突破口,在动力电池系统的结构、热管理、接口和通信协议等方面制定相应的铁路标准,进行标准化设计,实现换电动力电池系统在铁路专用型装备上的跨机型应用,是亟待开展的研究工作。3.3 研发快速换电技术装备 乘用车换电以及重型卡车(含电动自卸车和电动混凝土搅拌车)换电目前较为成熟,一般采用固定式换电站的技术路线。在高海拔交通隧道应用场景中,电动挖掘机和电动装载机无法驶出隧道进行补能,因此需要在隧道内进行换电作业。隧道内空间狭小、环境复杂,需要在不影响正常施工工序的前提下对装备的动力电池系统进行快速、安全的更换。因此,需要研发专用换电装备(专用车),同时具备电池运输和电池更换的功能,在能够适应隧道复杂作业环境的前提下,匹配多种装备机型,并实现标准化、自动化、智能化作业,单次换电作业时间控制在 15 min 以内。3.4 配套建设专用能源保障基础设施 投资建设专用能源保障基础设施(电站)是实现“车电分离”模式的另一个关键环节。在技术层面,需要研究同时具备动力电池存储与充电、运输车辆充换电、动力电池配送等功能的电站建设方案。电站主体应实现模块化,可配置、可移动、可复用。同时,针对高海拔地区丰富的太阳能资源,还应考虑引入光伏储能作为电力来源之一。在运营层面,需要针对高海拔交通隧道电动装备利用率及作业工区分布的特点,从站点设置、配送方式及投资运营模式等方面,研究适应高海拔交通隧道的光储充换一体化电站的规划布局方案及商业运营模式(如“电池银行”)。同时,还需考虑工程结束后专用电站与民用电站的结合。形成的高海拔交通隧道电动出渣装备“车电分离”模式示意如图 2 所示。4 高海拔交通隧道电动出渣装备其他应用模式思考 从徐工、柳工、宁德时代、比亚迪等企业的产品研发情况来看,目前除换电型电动装载机已完成样机试制外,换电型电动挖掘机、移动式快速换电设备以及模块化动力电池模组等均还在研发、试制过程中,预计2024 年末成熟产品才能够实现规模化应用。因此,在当前“车电分离”模式所需技术、装备基础尚不完备的情况下,为加快推动电动出渣装备的工程化应用,本文建议尽快在以下 3 个方面展开探索。745隧道建设(中英文)第 43 卷图 2 高海拔交通隧道电动出渣装备“车电分离”模式示意图Fig.2 Application mode of electric new energy mucking equipment in plateau railway tunnel construction4.1 研发小型化移动式补电设备 目前,电动出渣装备采用的均是固定式充电桩,属于分散充电设施,参照电动汽车分散充电设施工程技术标准15,充电桩进入隧道面临 2 个问题:1)隧道空间狭小,固定式充电桩体积较大,布置困难;2)隧道环境复杂,富水、高粉尘、剧烈震动、高温等环境均不满足充电桩设置要求,存在极大的安全隐患。因此,需要研发小型化移动式补电设备,以适应隧道复杂的作业环境,以及出现安全问题时能够及时断电和移出隧道。4.2 探索电动出渣装备电缆供电工艺工法 电缆式供电能够从根本上解决电动出渣装备的续航问题,但与凿岩台车、湿喷台车等钻爆法施工装备不同,挖掘机、装载机作业时移动和回转较频繁,目前该条技术路线很难实现。因此,可以从配套工艺工法入手开展研究,包括电缆布置形式、电缆收纳装置、装备操作规程、施工工艺流程等。4.3 探索装备租赁、劳务分包等多种商业模式 目前,电池成本平均占电动出渣装备总成本的40%50%,一次性购置成本较高也是用户很难采购电动出渣装备的主要原因之一,尤其是在已经配置了大量燃油装备的情况下,即便电动出渣装备在能耗和维保成本方面有较大的优势。因此,除“车电分离”模式以外,还应通过装备制造企业或第三方企业,探索装备租赁或劳务分包等商业模式。一方面,用户不需要承担装备电动化带来的一次性购置成本压力,有利于提高电动出渣装备的市场认可度和接受度,快速提高市场渗透率;另一方面,电动出渣装备由专业人员操作,能够一定程度提高作业效率,进一步减少能耗和维保成本,缩短投资回报期,并更有利于产品技术的迭代。5 结论与建议 在隧道钻爆法出渣工序部分或全部采用新能源装备替代传统燃油装备,是高海拔交通隧道施工技术的发展趋势。电动新能源出渣装备在零尾气排放、减少施工噪音、缓解通风压力、减少氧气消耗、动力无损耗等方面具有明显优势,但续航能力差、充电时间长、购置成本高以及存在一定安全隐患是现阶段推广应用中面临的问题。针对上述问题,本文对高海拔交通隧道电动出渣装备的技术研发方向和应用模式提出如下结论与建议:1)基于换电技术的“车电分离”模式是电动出渣装备提高续航能力、安全快速补能、降低投入成本最有效的技术路线。2)采用“车电分离”模式,除了研发换电型装备以外,还需要加快推进铁路专用装备动力电池系统的标准化、研发配套的移动式快速换电装备、建设适应高海拔交通隧道的光储充换一体化能源保障基础设施、探索“电池银行”等配套商业模式。3)在当前“车电分离”模式所需技术、装备基础尚不完备的情况下,为加快推动电动出渣装备的工程化应用,针对现有充电型电动出渣装备,应加紧研发小型化移动式补电设备,同时开展电动出渣装备电缆供电工艺工法研究。4)依托装备制造企业或第三方企业,积极探索装备租赁、劳务分包等多种商业模式,缓解用户一次性购置成本高的压力,加速提高电动出渣装备的市场认可度和接受度以及产品技术的迭代效率。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 国家铁路局.2021 年铁道统计公报EB/OL.(2021-04-28).2023-08-03.http:/ Railway Administration.Railway statistics bulletin 845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2021EB/OL.(2021-04-28).2023-08-03.http:/ 巩江峰,唐国荣,王伟,等.截至 2021 年底中国铁路隧道情况统计及高黎贡山隧道设计施工概况J.隧道建设(中英文),2022,42(3):508.GONG Jiangfeng,TANG Guorong,WANG Wei,et al.Statistics of Chinas railway tunnels by the end of 2021 and design&construction overview of Gaoligongshan tunnelJ.Tunnel 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