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纯电动矿车助力绿色矿山 兖州中材在万年青水泥德安矿山的低碳实践

2022-06-09 15:29:33 胡军

兖州中材对纯电动宽体车在德安万年青石灰石矿山进行了一年的应用实践。10辆纯电矿车完成了339万吨矿石的运输任务,每吨矿石的运输电耗仅0.032kWh,成本只有燃油车的4%。电动矿车的重载下坡电能回馈是实现该节能效果的主要技术手段。电动车每往返一趟耗电量仅±1kWh,充电一次可连续运行2-3天,快充电池每次充电平均耗时不足30分钟。通过该批快充电动车使用,德安万年青石灰石矿山一年来减少柴油消耗30.51万升、减碳219吨,体现了先进绿色设备带来的经济和社会效益。

一、前言

生态环境的保护和经济持续发展是辩证统一、相辅相成的,建设绿色矿山不仅可以满足人民日益增长的优美生态环境需要,而且可以推动实现更高质量、更有效率、更加公平、更可持续、更为安全的发展。

“绿水青山就是金山银山”--兖州中材为积极推动国家绿色矿山建设,在德安万年青石灰岩矿山开采项目中,选购了10辆超快充纯电动宽体自卸车,用于矿石的运输和山皮土排运。这批车辆由湖州宏威新能源汽车有限公司开发生产,配备了微宏动力先进的145kWh快充动力电池、额定功率430kW的双电机及法士特矿山专用自动档变速箱。自2021年5月正式投入运营,迄今已经连续稳定运行了一年时间。

纯电动矿车助力绿色矿山  兖州中材在万年青水泥德安矿山的低碳实践

二、运行总结

1. 运量与能耗成本

自2021年5月到2022年4月,完成了339万吨的矿石运输作业,此外还进行了排土作业9000余车次。

纯电动矿车助力绿色矿山  兖州中材在万年青水泥德安矿山的低碳实践

纯电动宽体车矿石运输道路为空载上坡,重载下坡。路线和坡度如下图所示。

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矿石运输的运距平均约1.5公里,海拔落差约平均85米,平均坡度约5.6%。纯电动车辆在下坡时,可以利用电机的反拖力进行制动,在不消耗刹车片的同时,回收可观的电能。因此可以大大节约能量消耗。

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排土作业为平路运输,占比较少。

矿石运输路况主要分为两个平台:

(1)435平台作业

作业线路---435平台数据

重载下坡(路况):

约6%的坡度+平路占比1/5路段;

硬化路面1.0km;

非铺装路面0.4km.

平均能耗:

0.027kwh/吨

月份

总产量/车

(约57t/车)

充电量

(kwh)

运输量

(吨)

平均能耗

(kwh/吨)

2021年5月

1726

2979

98224

0.030

2021年6月

1123

1627

63811

0.026

2021年7月

2033

2828

115091

0.025

2021年8月

1750

1947

99960

0.019

2021年9月

2603

3175

147844

0.021

2021年10月

2377

2826

135279

0.021

2021年11月

2658

4009

152064

0.026

2021年12月

2932

5713

168024

0.034

2022年1月

2499

4502

143438

0.031

2022年2月

1426

2582

81729

0.032

2022年3月

3494

5263

200211

0.026

2022年4月

1782

2693

102086

0.026

总计:

26403

40144

1507761

0.027

(2)450平台作业

作业线路---450平台数据

重载下坡(路况):

约6%的坡度+平路占比1/4路段;

硬化路面1.0km;

非铺装路面0.8km.

平均能耗:

0.36kwh/吨

月份

总产量/车

(约57t/车)

充电量

(kwh)

运输量

(吨)

平均能耗

(kwh/吨)

2021年5月

4028

8480

229191

0.037

2021年6月

2387

5153

135598

0.038

2021年7月

3776

7695

213740

0.036

2021年8月

2856

4893

163093

0.03

2021年9月

3594

6329

204166

0.031

2021年10月

2906

5291

165342

0.032

2021年11月

2998

6345

171477

0.037

2021年12月

2932

7057

168024

0.042

2022年1月

2307

5429

132405

0.041

2022年2月

1215

2715

69621

0.039

2022年3月

2745

5820

157309

0.037

2022年4月

1290

2587

73925

0.035

归总

33034

67794

1883881

0.036

一年时间,完成总运量339万吨,总耗电107938kWh。平均每吨矿石耗电量0.032kWh。按照0.7元/kWh电价计算,每吨矿石的运输成本约2.24分钱。

2021年5月至2022年4月,每个月的平均运输量和平均单耗如下图所示。

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纯电动矿车助力绿色矿山  兖州中材在万年青水泥德安矿山的低碳实践

2.电动矿车节能分析

在本项目矿石运输的作业路线上,满载约90吨的车辆下坡时,势能转换为机械能并通过电机发电,发出来的电经过交流-直流变换后储存进了动力电池。这个过程称为“能量回馈”,它同时又实现了车辆的制动,几乎完全避免了刹车片的损耗。以某一趟运输为例,空车从卸料点到上料点上坡,消耗了14.5度电;满载后从上料点回到卸料点,电池电量增加了15.1度电。这一次往返一趟里程3.3KM,耗电- 0.6度,即电池电量反而多出来0.6度电。

这个过程可以理解为矿石的势能被转换成了电能,用于运输过程的能耗。由于矿石的势能是来自于大自然,因此这部分回馈的电能属于零碳的“绿电”。根据实践经验,影响电耗或者能量回收的因素包括:

(1)道路的平均坡度

经验值,平均坡度达到6-7%时,能够实现“0”电耗。此时重载下坡回馈的电量和空车上坡消耗的电量打平,实现类似“永动机”的效果。在此工况下,即便车辆配备小容量的电池(本项目的电池容量为145kWh),车辆充一次电也能够连续工作2-7天。

(2)电池接受回馈的能力

纯电动宽体车,配备了额定功率430kW、峰值功率550kW的电机,满载90吨下坡时,观测到的电机发电电流(直流侧)最大可达780A。如果电池不能接受这么大的电流,车辆必然表现为电制动力不够,需要使用机械刹车来补充制动。这不仅增大了车辆运输的电耗,也增加了刹车片的磨损。本项目使用的145kWh快充动力电池,最大充电电流可达800A,能够最大限度地实现电能的回馈,从而表现出了极低的电耗。

(3)路面因素

硬化路面、碎石路面、松软的土路面,其电耗依次增加。特别地,在雨天湿滑时,无论哪种路面都会表现为电耗的增加。

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(4)驾驶因素

熟练操作电动车的驾驶员,能够完全通过电缓速手柄良好地控制下坡的车速,尽量避免使用机械刹车。反之,深踩气刹的驾驶习惯将显著增加电耗。

(5)其它因素

冬季驾驶室取暖、夏季开空调,以及夏季动力电池的冷却系统工作,都增加了电耗。虽然其功率看似不大(<3kW),但是相比往返一趟仅±1kWh的行驶电耗,这部分电耗比例还是相当可观的。

万年青水泥德安石矿代表了典型的砂石骨料矿的运输特点,即属于重载下坡工况,非常适合投入纯电动矿车来满足经济性要求;兖州中材通过对不同运输平台一年来的作业能耗数据分析发现:最好的经济性来源于对势能的回收效率—即势能的利用率越高,能量回收能力越好,经济性越好。

3. 纯电动矿车的出勤率和可靠性

项目现场投入车辆数为10辆,配备10名司机,基本为单班生产,除去司机休息天数,车辆的出勤率超过了98.5%(含排土作业)。

纯电动矿车助力绿色矿山  兖州中材在万年青水泥德安矿山的低碳实践

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10台纯电动宽体自卸车在运营期间,经历了春季的潮湿泥泞,夏季的高温湿热,以及秋季的强风暴雨,冬天的低温,未出现安全隐患。稳定性良好,尤其是电气稳定性表现优秀。

4、快速充电的特点

该批车辆配备的动力电池,是微宏动力系统(湖州)有限公司生产,除了接受能量回馈的能力强之外,最大的特点是充电快、充电时间短。这更进一步提高了运输单位的生产效率。

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随即选取了11月份几次典型的充电记录:

时间

充电起止电量范围

充电耗时

11月8日

34%—84%

18分钟

11月8日

36%—70%

13分钟

11月8日

26%—99%

30分钟

11月10日

21%—99%

32分钟

11月10日

40%—90%

19分钟

11月26日

26%—97%

29分钟

11月26日

34%—93%

23分钟

11月26日

36%—90%

18分钟

11月28日

38%—84%

17分钟

11月28日

35%—100%

21分钟

11月30日

52%—85%

13分钟

11月30日

35%—76%

19分钟

从记录上看,每次充电时间从13分钟—32分钟不等,平均值在20分钟左右。相对比常规1小时左右的充电时间,该充电效率给生产带来了一定的便利性,并提高了车辆的出勤效率,增加了单车的产量。

5、售后服务保障

新能源矿车是一个技术相对复杂的综合性新产品,为了完成矿山的生产任务,需要严谨科学的售后服务来保障。为此项目现场设立了备品备件仓库,包括消耗品、电气部件以及专业的检测工具,以便及时解决车辆的使用中遇到的问题。充分的备件支持、良好的运维管理,使得纯电动宽体矿车的运输任务得以顺利开展。

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三、总结

建设绿色矿山是新形势下保证矿业可持续健康发展的必由之路,绿色矿山建设是矿产资源开发利用与经济社会发展、生态环境保护相协调的重要举措。兖州中材本着积极推进绿色矿山建设目标,遵循科技进步、改进采矿运输工艺,结合砂石骨料矿区特点,不断提高能源利用水平和环境保护水平。

针对自身砂石骨料矿区环境和作业条件,兖州中材一期投入了10台湖州宏威新能源设计生产的纯电动矿车,在德安万年青矿区稳定、高效地运行了一年,完成339万吨矿石运输,每吨运输成本仅2.24分钱。纯电动车辆出勤率超过98.5%,表现出了“30分钟短时充电,数天长时运行”的良好效果,在提高能源效率、保护矿山环境、提升驾驶员操控便捷性、控制使用成本以及车辆数字化管控等方面均取得了长足的进步。

在减排方面,纯电动宽体自卸车依靠电力驱动,10辆车一年运输339万吨矿石,直接减少燃油消耗约30.51万升,对应减少如下的各类污染物排放量:

减排

单位(吨)

CO2

802.41

219.06

PM2.5

3.17

NOX

13.55

SO2

1.04

未来,德安矿区要增加产能到600万吨,由此纯电动宽体矿车将助力实现上述污染物减排量翻番。

纯电动矿车的投运响应了国家“两山文化”的理念,兖州中材建设有限公司以发展绿色矿业、建设绿色矿山,以资源合理利用、节能减排、保护生态环境和促进矿地和谐为主要目标,以开采方式科学化、资源利用高效化、企业管理规范化、生产工艺环保化、矿山环境生态化为基本要求,将绿色矿业理念贯穿于矿产资源开发利用全过程;因地制宜推行循环经济发展模式,实现资源开发的经济效益、生态效益和社会效益协调统一,为转变单纯以消耗资源、破坏生态为代价的开发利用方式提供了现实途径;为砂石骨料行业摸索出了坚实可行的绿色方案。

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