煤化工項目輸煤鐵路卸車系統及交接站布置方案研究

劉 丹

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司 線路運輸設計院，陜西 西安 710043)

1 概述

全球廉價石油時代結束，多元化能源時代興起，煤制化學產品具有經濟優勢，促進了煤化工技術的發展。煤化工項目由數十套生產裝置和公用工程及輔助生產設施組成，其中輔助生產設施包括鐵路專用線、工業站、交接站、清洗站等設施。神華陶氏項目利用陜西榆林神府煤田優質煤炭，采用先進的工藝技術，興建世界級煤化工生產基地，項目占地12 km2。該項目由數十家科研院所參與，長達10年的前期科學論證，積累了大量科研和應用技術成果。目前，世界化學工業領域不斷創新，尤其在催化化學領域尋求突破，煤化工進一步實現了能源高效轉化、資源優化利用及生態環境優化的愿景。結合我國化石能源資源的天然稟賦(多煤、少油和少氣)，考慮國家實現碳達峰和碳中和的發展要求，新型技術路線的煤化工項目將會引領中國化工產業發展。

煤化工項目通常位于煤炭儲量豐富地區或水陸交通樞紐地區，確保煤源穩定、可靠、有保障，同時配套建設儲煤場?？紤]到煤化工項目一旦投產，設備非檢修狀況下應保證連續全天候的運轉，因此，內地建設煤化工項目，通常配套建設專用或備用輸煤鐵路。結合我國鐵路機車車輛裝備政策，應優選自動化程度高、節能環保的輸煤卸車系統。在項目可行性研究報告編制中，建設單位提出當配套煤礦不能正常供煤時，務必確?；ぱb置的連續運行，應修建備用輸煤鐵路，并先期協調備用煤礦供煤。神華陶氏項目耗煤量1 150萬t/a，儲煤場應具備20 d原煤儲備能力。結合項目前期研究成果，按照“大運量、高連續性、高可靠性”的原則，確保項目煤炭供給和化工產品外運，對運輸保障系統提出更高要求，重點研究輸煤鐵路卸車系統和交接站布置形式及選址。

2 輸煤鐵路卸車系統研究

2.1 輸煤鐵路概況

項目前期建設單位與備用煤源供應商達成初步協議，原料煤炭來自項目周邊陜北神府礦區，可獲取煤源區域半徑為100 km，區域內公路和鐵路路網均發達。經項目決策分析，原料煤炭在考慮不變成本、可變成本和綜合成本的情況下，優先選用鐵路運輸，同時滿足項目日耗煤量32 500 t的需要。利用本項目專用線增建備用輸煤鐵路接軌于國家鐵路(包西鐵路)系統，依托發達的區域鐵路網，煤炭經包西鐵路(包頭—西安)到項目廠區，鐵路運距平均150 km。

2.2 卸車系統研究

按照安全、高效、經濟、環保、靈活原則，針對煤化工項目特點，應采用高強度且安全可靠的鐵路卸車方式，本項目鐵路卸車系統主要研究敞車配翻車機卸車方案和底開門漏斗車卸車方案。

2.2.1 敞車配翻車機卸車方案

（1）翻車機卸車方式。翻車機系統是以翻車機為主機，調車機車將煤列推至作業范圍，翻車機系統開始運行，調車機牽引敞車至卸煤平臺，翻轉卸車后復位，空車經遷車臺至空車線。鐵路敞車車輛和翻車機作業現場如圖1所示。

圖1 鐵路敞車車輛和翻車機作業現場Fig.1 Working Site of railway gondola car and tipper

（2）翻車機卸車特點。①對煤炭來源地變化適應性強。翻車機系統通過在漏斗上安裝鉆松機、破碎機、振動器和加熱機，對雜物、大塊煤、凍煤振動破碎加速其下落，減少人工清理空車工作量。②翻車機配合鐵路敞車完成卸車作業，敞車車輛來源廣，無需單獨采購。③翻車機落煤點進行噴水除塵，效果較好。④翻車機設備日常作業運行耗能高。⑤翻車機系統機械和電氣檢修維護工作量較大，日常需配備專業的檢修、運行、管理定員，且人員專業知識要求較高[1-2]。

2.2.2 底開門漏斗車卸車方案

（1）底開門漏斗車卸車方式。底開門漏斗車輛依托承載貨物自重卸車，應用在自營鐵路固定編組、定點裝卸、循環使用的企業客戶，適于裝車點集中、車輛固定使用的運輸部門。近年隨著鐵路車輛裝備技術提升，為適應環境友好、節能環保、智能制造、新材料新工藝的要求，目前底開門車輛加裝頂蓋，為提高車體卸凈率和運營人員工作效率，采用技術性能穩定的機械碰撞式快速卸貨底門開閉機構，且增加振打裝置，運煤車輛送至縫式卸煤槽位置后，機械觸碰機構打開車門，卸完煤后，觸碰機構關閉車門。鐵路底開門漏斗車輛和卸車裝置作業現場如圖2所示。

圖2 鐵路底開門漏斗車輛和卸車裝置作業現場Fig.2 Working site of railway bottom door hopper vehicle and unloading device

機械觸碰式漏斗車是部分國外優先采用的煤炭運輸車輛，卸貨速度可達到翻車機4倍以上，其配套設備購置費及使用成本較低，完成相同煤炭年運量(以3 000萬t/a)估算，可節約工程建設投資約4億元，每年可節約電費約1 000萬元。目前煤炭漏斗車創新設計了可雙向運行的開閉機構，同時創新設計了二級鎖閉機構，防止底門意外開啟，更好地保障車輛運行安全。

（2）底開門漏斗車卸車特點。①無凍結煤及煤炭顆粒較小時，卸車時間快，系統可靠性高。冬季煤中水分較大時，煤炭在車門處凍結，影響底門開啟，解凍過程影響卸車效率。②檢修、維護工作量小，技術要求不高，管理簡單。③卸車效率高、運行耗能低、運行穩定可靠。④對煤源變化的適應性稍差，使用底開門車輛的煤源宜定點供應、固定車底。⑤自營鐵路上運行，底開門漏斗鐵路車輛需單獨采購[3]。

2.2.3 鐵路卸車系統推薦意見

本項目修建備用輸煤鐵路，僅當配套煤礦不能正常供煤時，啟用輸煤鐵路從其他區域調運煤炭，以滿足各類裝置不間斷工作。若采用底開門車卸煤系統需單獨自備采購車輛，項目在正常生產運行期間，自備底開門車輛閑置。同時，本項目地處我國北方地區，冬季寒冷，煤炭解凍過程影響卸車效率。目前，鐵路敞車保有量大，使用類型廣泛，車輛檢修保養可依托國家鐵路既有車輛檢修段(所)，不需新建；底開門車輛保有量少，適用車型單一，車型尚未取得國家鐵路系統上路許可，僅適用于企業自營鐵路線上運輸，具有一定局限性，該車型自采自用，還需配套檢修保養設施。

根據我國鐵路裝備制造業發展趨勢來看，卸煤系統應采用煤源適應性強、自動化程度高、車型匹配性優、卸車效率高的翻車機卸煤裝置。在研究過程中，經與相鄰國家鐵路運營管理單位溝通，推薦采用敞車配翻車機卸車系統[4]。

3 輸煤交接站布置方案研究

我國翻車機卸煤系統技術已非常成熟，基本上不受項目所在地地形、地質和氣候等條件的限制，同時隨著新技術新設備的快速發展，翻車機設備制造商也在不斷研發更安全高效節能的翻車機系統，根據翻車機主機工作原理差異，翻車機類型可分為“C”形和“O”形2種。根據用戶的實際需要，翻車機設備供貨商可定制設計制造一次翻卸單車、雙車、三車的翻車機和與之配套的自動化調車設備，翻車機卸煤系統的基本設備及工作原理沒有根本變化。

3.1 輸煤交接站布置方案

根據輸煤鐵路所承擔的運量，結合項目總圖規劃，輸(配)煤交接站(以下簡稱“交接站”)應設在項目進料區或儲煤區，按照卸車站翻車機作業線的布置要求，研究交接站采用折返式和貫通式卸煤系統2種方案。

目前，國內主要設備供應商提供的翻車機工作效率如下。

單車翻車機卸車系統：折返式(O形、C形，25～27次/h)；貫通式(O形、C形，28～30次/h)。

雙車翻車機卸車系統：折返式(C形，18～20次/h）；貫通式(O形、C形，25～27次/h)。

根據作業條件，通常翻車機日最大利用率為40%～45%，結合目前國家鐵路通用敞車保有量較大的C60車型納入分析。

3.1.1 折返式卸煤系統方案(方案Ⅰ)

輸煤鐵路從接軌站引出，在項目原料倉儲區或動力中心區設交接站，交接站末端卸煤線設翻車機，交接站規模按9條到發線(M1—M9)進行分析，其中M4—M6道為重車到達線，M1，M2和M8，M9道為空車出發線，M3，M7為雙方向使用的空重車到發線，同時兼機車走行線。鐵路牽引機車為電力機車，交接站重車線、機走線及空車線頭部需掛網電化。交接站布置方案示意圖(折返式卸煤系統)如圖3所示。

參考圖3交接站布置形式設雙車翻車機進行分析，計算折返式卸車系統卸煤能力。翻車機日工作量，可按以下公式計算。

圖3 交接站布置方案示意圖(折返式卸煤系統)Fig.3 Layout of transfer station (return coal unloading system)

式中：Q日為日工作量，t；H為日小時，h；i為翻車機日利用率系數；n為翻車機每小時翻卸循環次數，次/h；A為翻車機每次翻卸作業車輛數，取2輛/次；q為貨車車輛凈載重取值，t。

（1）翻車機日利用率系數(取40%)不變，每小時翻卸循環次數的取值對日工作量的影響分析。

當n取18次/h時，則Q日＝20 736 t/d；n取20次/h時，則Q日＝23 040 t/d。

（2）翻車機每小時翻卸循環次數(20次/h)不變，合理的日利用率取值對日工作量的影響分析。

當i取40%，則Q日＝23 040 t/d；i取45%，則Q日＝25 920 t/d。

綜上分析，折返式卸煤系統中，翻車機日利用率系數(i)和每小時翻卸循環次數(n)是其工作量(Q日)的重要指標，因此，加強翻車機的日常維護，提高設備日利用率相當關鍵，同時確保設備適度的工作效率，單臺雙車翻車機的日卸煤能力基本為20 736～25 920 t，無法滿足該項目日耗煤量32 500 t的需要，按照2臺雙車翻車機設置，日卸煤能力為41 472～46 080 t，能夠滿足要求且有富余。結合設備運營安全及冗余度考慮，建議采用2臺雙車翻車機。

3.1.2 貫通式卸煤系統方案(方案Ⅱ)

翻車機與交接站橫列式布置，重車場、翻車機和空車場縱列式布置，重車場和空車場間設翻車機。交接站按重車線5條(MZ1—MZ5)和空車線4條(MK1—MK4)規模進行分析，其中MZ1—MZ5道為重車線(部分兼機車走行線)，MK1—MK4道為空車線。牽引機車為電力機車，交接站及重車場重車線需掛網電化，空車場空車線及牽出線不需掛網電化，但需相應配備調車機車。交接站布置方案示意圖(貫通式卸煤系統)如圖4所示。

參考圖4交接站布置形式設雙車翻車機進行分析，利用3.1.1公式計算貫通式卸車系統卸煤能力。

圖4 交接站布置方案示意圖(貫通式卸煤系統)Fig.4 Layout of transfer station (through coal unloading system)

（1）翻車機日利用率系數(取40%)不變，每小時翻卸循環次數的取值對日工作量的影響分析。

當n取25次/h，則Q日＝28 800 t/d；n取27次/h，則Q日＝31 104 t/d。

（2）翻車機每小時翻卸循環次數(27次/h)不變，合理的日利用率取值對日工作量的影響分析。

當i取40%，則Q日＝31 104 t/d；i取45%，則Q日＝34 992 t/d。

綜上分析，貫通式卸煤系統中，翻車機日利用率系數(i)和每小時翻卸循環次數(n)依然是其工作量(Q日)的重要指標。相同工況條件下，折返式單臺雙車日卸煤能力為20 736～25 920 t，貫通式單臺雙車日卸煤能力為28 800～34 992 t，顯然，貫通式卸煤系統完成工作量優勢明顯。當翻車機利用率(i取45%)和翻卸循環次數(n取27次/h)均取上限時，貫通式單臺雙車日卸煤能力能夠滿足日耗煤量32 500 t的需要[5-6]。

3.2 輸煤交接站方案優缺點分析

交接站卸煤系統工藝布置的選擇，要考慮到整個卸車系統對翻車機的功能需求、翻車機系統的效率要求和工程場地情況[7-8]。交接站布置方案優缺點比較如表1所示。

表1 交接站布置方案優缺點比較Tab.1 Comparative table of advantages and disadvantages of coal interface station layout

結合備用輸煤鐵路的功能定位、設備運營安全及冗余度和項目總圖規劃考慮，通過分析折返式和貫通式卸煤方案的優勢和劣勢，建議將2種布置形式均納入交接站選址方案做進一步研究[9]。

4 交接站選址方案研究

煤化工項目總平面布置按照生產特點及工藝功能進行分區，核心化工區按照工藝流程，依次為動力區、煤氣化區和醇制烯烴區；煤氣化區一側依次布置鐵路專用線、儲運設施、化工產業區和公用工程及輔助設施區。項目總圖按照功能分區明確和物料流動順暢的原則，臺階式豎向布置更符合場地地形實際情況[10]。下面結合該項目研究成果，對煤化工項目輸煤鐵路交接站選址進行分析研究。

4.1 輸煤鐵路交接站選址方案

本項目專用線(服務產品外運)接軌于包西鐵路大保當車站，工業站位于項目西北側，平行于儲運設施，同時預留接神華自營鐵路的條件。結合項目總平面圖和工業站位置，按照車流徑路順暢、廠內運輸便捷、功能區域匹配的原則，考慮增設備用輸煤鐵路交接站[11]，本次研究4個站址方案，交接站與工業站布置方案示意圖如圖5所示。

圖5 交接站與工業站布置方案示意圖Fig.5 Layout of transfer station and industrial station

4.1.1 交接站(折返式卸煤系統)與工業站集中布置(方案Ⅰ)

交接站平行于工業站集中布置，卸煤系統采用折返式布置方案(方案Ⅰ)，輸煤鐵路自成系統，工業站主要辦理除煤炭以外的化工產品(原料)運輸。

4.1.2 交接站(貫通式卸煤系統)與工業站集中布置(方案Ⅱ)

交接站與工業站橫列式布置，卸煤系統采用貫通式布置方案(方案Ⅱ)，重車場、翻車機和空車場縱列式設置，空車場尾部與工業站連通，其中工業站部分到發線共用。

4.1.3 交接站(折返式卸煤系統)與工業站分設布置(方案Ⅲ)

交接站與工業站成90°角分設布置，卸煤系統采用折返式布置方案(方案Ⅲ)，同時在兩站間設聯絡線，預留神華自營鐵路的煤列接入條件。輸煤鐵路自成系統，工業站主要辦理除煤炭以外的化工產品(原料)運輸。

4.1.4 交接站(貫通式卸煤系統)與工業站分設布置(方案Ⅳ)

交接站與工業站成90°角分設布置，卸煤系統采用貫通式布置方案(方案Ⅳ)，同時在兩站間設聯絡線，其中工業站部分到發線共用。

4.2 交接站選址方案綜合分析

交接站選址優先滿足項目總圖規劃，結合項目物料流通的經濟性、安全性、可靠性，同時遵循環境保護和安全生產的規定，有效降低運營期間產生的粉塵、廢水、固體廢物和噪聲、振動對環境的影響。交接站選址方案技術經濟比較如表2所示。

表2 交接站選址方案技術經濟比較Tab.2 Techno-economic comparison of site selection schemes for transfer station

經比較分析，結合建設單位已批復項目總圖布置，交接站與工業站宜分開設置，且交接站應設在主導風向下風側。充分考慮折返式卸煤方案設備布置緊湊，占地面積小，煤炭儲運區環境友好，且2套雙車翻車機系統冗余度適中，本項目采用交接站(折返式卸煤系統)與工業站分設布置方案(方案Ⅲ)[12]。

5 結束語

煤化工項目的生產具有系統性、連續性、全天候的特點，供應鏈的暢通是保證整個項目運轉的基本條件，因此，供應鏈技術方案的選擇對安全生產、產品競爭力具有重要意義。本項目通過科研院所協作，鐵路運輸部門調研，設備廠家參與，按照“大運量、高連續性、高可靠性”的原則，分析探討輸煤鐵路卸車系統和交接站布置形式及選址。重點研究敞車配翻車機卸車方案和底開門漏斗車卸車方案，結合備用輸煤鐵路功能定位，分析煤源適應性、車型匹配性，優選成本低適用廣泛的翻車機卸車方案。結合運量實際情況，將翻車機日利用率、翻卸循環次數等基本參數納入能力計算，分析翻車機折返式和貫通式方案能力適應性，將2種交接站布置形式納入交接站選址做進一步研究，推薦采用翻車機折返式布置交接站與工業站分設方案。研究結合工程實際情況，其設備選型及技術方案在煤化工項目中具有一定的代表性，可以為類似項目提供部分參照。