储能型电动牵车机在日照港智慧化升级中的应用

黄东辉

（山东港口日照港集团有限公司，山东日照 276826）

引言

从20世纪60年代至今，港口行业每20年便经历一次转型升级，从机械化、自动化到信息化[1]。2020年底发布的《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》中包括14项主要任务，推动打造融合高效的智慧交通基础设施，其中明确提出以智慧港口、智慧铁路为载体，体现先进信息技术对行业的全方位赋能[2]。在全国港口智慧化转型的趋势中，各港口自动化、数字化、智能化发展水平成为提升核心竞争力的重要手段，也是降低物流成本、提高物流效率、提高管理组织能力的关键所在。

散货装卸设备的全自动化、环保化和散货装卸系统的信息智能化是散货运输的三个关键点[3]，目前石臼港区正竭力完成南区专业化改造建设。在专业化铁矿石接卸码头中，采用环保条件更高、计量精度更高、专业化程度更好的装车楼设备完成火车装车作业是一种主流的作业模式。而火车装车楼需要配套牵车设备，目前绝大部分火车装车楼所配套的牵车设备是“铁牛+绞车”方案。该方案投资低，但也存在土建基础工作量大、基坑易积水、润滑油污染严重、维修部件较多的缺点。本文针对日照港实施高效智慧化运输组织模式和智慧化转型升级，在智能硬件应用的工艺流程、总体方案、技术参数、远期效益等方面进行了重点论述，并结合日照港石臼港区南作业区14#、15#泊位工程火车装车楼的布置现状，重点阐述储能型电动牵车系统的应用。

1 工程背景

日照港位于中国山东省日照市，东临黄海，北与青岛港、南与连云港港毗邻，是中国重点发展的沿海20个主枢纽港之一[4]。但日照港现状装卸效率较低，车流组织困难，堆场容量不足，设施较陈旧，港口长期的发展模式亟待转型升级。为此，拟对原通用泊位作业模式进行专业化改造，改造包括新建带式输送系统、卸料小车、堆取料机，堆场北侧新建装车楼以及堆场高程、配套设施的调整等。

改造后的专业化堆场呈矩形布置，南北长905 m，东西长444 m，采用“堆取合一”“双线双机”的布置型式，共设3条坝基，即每条坝基上设2条堆取料线及2台堆取料机。沿3条坝基共设6条堆场，垛堆宽度为55 m，堆高14 m，总堆存容量为373.3万t[5]。东侧为在建铁路车场，东北侧布置火车装车楼，其下两条装车线上各设有一座装车楼、其额定能力为6 000 t/h。如图1。

图1 专业化堆场与铁路车场相对位置

码头、堆场、铁路之间通过带式输送机及堆场取料系统进行物料的取装、卸堆、混配、周转，并经由火车装车楼对以矿石、煤炭、铝矾土等为主的大宗干散货进行疏港[6]。本工程堆场内物料经堆场取料系统、带式输送机系统进入装车楼缓冲仓内，经定量仓计量后，通过下方装车溜槽进行装车。为提高疏港效率，集疏运体系硬件配置亟需转型升级，疏港火车需采用高效节能的牵车系统配合装火车作业。铁路牵车系统的选择应用需根据现状进行适应性、安全性、经济性分析。

2 铁路牵车系统对比

目前应用较多、环保且适用于南区运行模式的牵车系统，主要有两类，一是目前应用工程案例较多的“铁牛+绞车”系统；二是在天津神华煤码头、曹妃甸首钢矿石码头得到应用的储能型电动牵车系统。

第一类“铁牛+绞车”的铁路牵车系统，需要每条火车装车线均配套建设牵车系统，包括铁牛专用轨道、绞车房、钢丝绳、钢丝绳托辊、改向装置、张紧装置以及地下坑道等。第二类为储能型电动牵车系统，其机上配备了可快速充电的新能源电池，替代内燃机和上机电缆作为动力电源，同时机车配备先进的智能化控制系统，可实现远程操控、故障诊断、无人驾驶等。

图2 铁牛牵引小车

图3 铁牛地下坑道

2.1 适应性分析

南区4条专业化铁路装车线位于整个南区车场的中间，附近线路布置密集，空间紧凑。

空间布局方面。若采用“铁牛+绞车”系统，绞车机房宜集中布置在线间距最大的2#装车线和3#装车线之间，但二者间实际可利用距离仅为6 m左右，布置牵车机房后需要改造该区域内的排水沟，同时会占用维修作业通道，日常维护、保养、检修较为困难；同时遍布的牵车系统组件，对火车装车线形成分割，影响火车返料清理作业，在整体布局上也显得相对杂乱无章。而电力牵引机车系统整体布局清晰、节省空间，不占用维修作业通道、返料清理通道，整个车场更加井然有序。

线路有效长度方面。铁路装车线南北两端布置完轨道衡后，“铁牛+绞车”布置方式装车线有效长度约为1 900 m，扣除直线段铁牛地坑占用长度，线路有效长度约1 820 m，装车楼两端线路长度不满足整列车（60辆C70编组）长度要求。采用储能型电动牵车机可以借用机待线有效长度进行牵引装车作业，矿1和矿2线路有效长度2 039 m，矿3线路有效长度2 015 m，矿4线有效长度1 950 m，线路有效长度可满足整列车装车要求。

综上，从适用性角度考虑，储能型电动牵车系统具有明显优势。

2.2 安全性分析

“铁牛+绞车”系统组件应用广泛、工艺成熟、设备常规，但现场的基坑和钢丝绳缠绕，容易造成维修人员受伤，安全性不佳。

储能型电动牵车机牵引速度快，牵引能力大，作业效率高，可靠性高，通过无线网络与装车楼系统之间实现联动控制，使安全性能得到进一步保障，从目前行业应用实例来看，安全性能良好。

2.3 技术分析

“铁牛+绞车”系统通过钢丝绳将铁牛小车及火车连接起来。经驱动站驱动装置驱动，钢丝绳沿火车轨道内及轨道旁钢丝绳托辊进行拖行，到装车线端部经改向装置完成改向，整个系统组件技术成熟，在其它行业领域内也应用较广。

储能型电动牵车系统的控制单元采用中国中车CRRC研发的成熟产品，已在国铁和城轨中有工程实例应用。

2.4 经济性分析

“铁牛+绞车”系统前期投资较低，后期维护费用高，且耗损严重，维保频繁，密集布置的构件更加剧检修困难性，同时影响铁路装车作业。

储能型电动牵车系统前期投资较高，但因不需要对场地基础进行大规模改造，且可停车至充电位进行设备检修维护，维修地点相对集中，无需投入更多人力进行分散维护保养，后期维护成本低；此外，设备维护时铁路线装车作业不受影响。

2.5 行车组织

对于铁牛绞车系统，空车清车→装车作业（由装车线北侧铁牛牵引空车）→铁牛入坑→内燃调机连挂重车牵引至日照港南站→日照港南站列检后发往区间。

对于电力牵引机车系统，空车清车→装车作业（蓄电调机牵引空车进行装车作业）→蓄电调机摘钩进入机待线，内燃调机连挂重车牵引至日照港南站→日照港南站列检后发往区间。其中，左侧道岔口可设置3个牵引机车停靠点，在场外运送重车、空车时，机车至停靠点位等待，采用侧方位充电桩或车顶受电弓的方式进行充电。另外，装车楼可以对牵车机进行一对多控制，因此储能型电动牵车机相较于“铁牛+绞车”系统可以实现机车调线作业，当装车过程中遇到机车突发故障，可以临时调用其他闲置线路的机车完成作业，而故障机车可以牵引至停靠点或其他维修地点进行检修，不会长时间占用铁路线。

从整体布置、绿色环保、后期运营维护等多方面比选，储能型电动牵车机系统优于“铁牛+绞车”牵引系统。

3 储能型电动牵车机主要技术指标

3.1 车型及主要参数

该工程实例选用TG4B-3型新能源机车，它适用于煤炭、港口、料场等工况的装卸车线牵引编组作业，具有超低匀速、平稳运行的特点。此型号机车是港口智慧化的硬件提升重要环节之一，具有远程遥控、无人驾驶、有人驾驶（仅用于机车检修或脱离装车系统时）三种模式，机车控制系统对接装车楼系统，可对机车自动控制，实现全智能化无人驾驶。机车主要参数见表1[7]。

表1 机车主要参数表

3.2 作业模式

装车楼作业流程中铁路段作业流程：a场外送车（机车脱钩返回）→b机车从停靠点移动至装车楼（挂钩，移动与检查堵漏作业同时进行）→c装车平车（机车牵引运行）→d回顶重车（机车回顶、脱钩）→e移动至停靠点（等待场外机车取车，场外机车送空车作业），时长为220分钟。根据流程时间节点推算，其中电车在a、e节点处为停车状态；b、c、d节点为电车作业状态。经计算，仅需6分钟即可由停车点移动至装车楼，为机车预留总计110分钟的等待时间，可充分完成充电。

3.3 总体技术方案

机车采用单司机室外走廊式结构，机车上部结构以司机室为I端，由前往后依次为电气室、动力室、气源室。机车下部设有两台两轴转向架，机车整体上部结构通过前后转向架的八个弹性摩擦旁承支撑。

其中无人驾驶系统用于实现机车远程监控，当牵引空货车匀速通过装车楼时，车载子系统与装车楼操作室子系统对接，车辆状态数据可通过车地无线传输网络（4G/WIFI等）实时发送到装车楼操作室，装车楼操作室子系统根据装车楼落料速度及实时监控的车辆状态，通过车地无线传输网络向车辆发送控制指令，车辆按接收到的指令自动调速，实现车辆无人驾驶。

装车楼子系统的操作室实时接收机车信号，通过专用软件对机车状态进行监控，主要包括机车启动/停止状态、行车方向、行车速度、制动装置、车钩状态、充电状态等；同时综合落料速度、机车特性等信息，对机车的运行状态进行远程控制，实现车辆的自动调速和无人驾驶。

图4 无人驾驶系统示意

机车内设置视频监控系统，在机车前后远端、司机室内部、设备间、动力间、车钩处，共9个视频监控点，同时在司机室内装有大屏幕高清显示器，便于司机观察脱钩状态和远方目标。

配合照明系统、空气管路系统、转向架驱动系统等，可实现电力牵车系统与装车楼系统的有机协调，保障智能化作业的顺畅、安全、高效。

3.4 储能设备

储能型电动牵车机属于新兴产品，青岛港、京唐首钢曾在调车作业和钢包拖运作业中用过此类产品，但最后均因电池问题停用，因此储能型电动牵车机最核心技术在于储能设备的选择。

根据南区装车作业特点，储能设备需满足快速充电、能承担频繁充放电循环。理论上符合要求的储能电源有两种：超级电容和钛酸锂电池。虽然超级电容拥有超快的充电速度和大于10万次的充放电循环次数，但因其放电速度快、能量密度低、价格昂贵，一般作为辅助电源在设备短时间大功率运行时补充电能输出，或在太阳能和风能发电系统、势能回收系统中作临时储能用；近年来随着技术进一步发展，在城市轨道交通系统中逐步也有少量应用，但在工矿机车和港口机械领域内至今鲜有应用。钛酸锂电池具有充电速度快、能量密度较低的特点，目前应用于青岛港集装箱自动化码头的AGV小车，相较于超级电容，已有应用案例可参考。但考虑充放电速度的优势和环保价值，本工程选择使用超级电容，这也是新型储能设备在港口领域的首次应用。

电容管理系统实时采集电容的电压、电流、温度等数据，并自动均衡压差，实现对电容过温、过压、过流、欠压的报警及保护。保障牵引机车高效、可靠、安全运行。

电容管理系统主要功能如下：

1）实时跟踪电容运行状态及参数检测

实时采集各种数据（电压、电流、温度等），监测电容充放电状态。

2）剩余电量估算

采用相应算法，实现电容内部状态（如容量、SOC（State of Charge，荷电状态））的估算和监控。

3）充放电控制

支持国标充电协议，连接充电机，实现对超级电容的充电。根据电容的荷电状态控制对电容的充放电。

4）热管理

实时采集每个电容箱内电容测点温度，通过对空调风机等制冷装备的控制防止电容温度过高。

5）均衡控制

由于电容个体的差异以及使用状态的不同等原因，电容在使用过程中不一致性会越来越严重，系统应能判断并自动进行均衡处理。

6）故障诊断

电容管理系统实时检测电容系统的状态参数，并根据设定的报警门限，触发故障报警。

7）信息监控

电容的主要信息可在HMI显示终端进行实时显示。

8）参数设定

由于不同车型使用的电容类型、数量，每个电容箱容量和数量不同，因此系统应具有对车型、车辆编号、电容类型和电容模式等信息灵活配置的功能。

9）远程监视

基于远程无线传输系统，实时在线监视系统运行状态。

4 结语

日照港区南作业区对原通用作业模式进行改造，同时对火车牵车系统进行新型设备的探索实践。从生产作业和适用性方面考虑，储能型电动牵车机可满足整列车装车作业要求，工程建设和后期运维较为简单；从环保要求上分析，储能型电动牵车机更符合港口建设智慧绿色发展方向。故推荐选用符合港口智慧、绿色发展理念，可实现整列装车作业的储能型电动牵车机。超级电容对比锂电池，充放电效率更高、安全性能好、寿命长、且几乎不存在化学污染，最终被选定为电动牵车系统的储能设备。

在推动交通运输领域新型基础设施建设政策的指导下，日照港继续推进通信网络的迭代升级、数字中台的建立、大型设备和作业流程自动化等，为智慧港口的发展打下坚实的基础[8]。储能型（超级电容）电动牵车系统，是促进铁路集疏港更为环保、高效的一步，是智慧港口、绿色港口建设的初步实践之一，具有创新性和借鉴意义。