煤化工项目输煤铁路卸车系统及交接站布置方案研究

刘 丹

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 线路运输设计院，陕西 西安 710043)

1 概述

全球廉价石油时代结束，多元化能源时代兴起，煤制化学产品具有经济优势，促进了煤化工技术的发展。煤化工项目由数十套生产装置和公用工程及辅助生产设施组成，其中辅助生产设施包括铁路专用线、工业站、交接站、清洗站等设施。神华陶氏项目利用陕西榆林神府煤田优质煤炭，采用先进的工艺技术，兴建世界级煤化工生产基地，项目占地12 km2。该项目由数十家科研院所参与，长达10年的前期科学论证，积累了大量科研和应用技术成果。目前，世界化学工业领域不断创新，尤其在催化化学领域寻求突破，煤化工进一步实现了能源高效转化、资源优化利用及生态环境优化的愿景。结合我国化石能源资源的天然禀赋(多煤、少油和少气)，考虑国家实现碳达峰和碳中和的发展要求，新型技术路线的煤化工项目将会引领中国化工产业发展。

煤化工项目通常位于煤炭储量丰富地区或水陆交通枢纽地区，确保煤源稳定、可靠、有保障，同时配套建设储煤场。考虑到煤化工项目一旦投产，设备非检修状况下应保证连续全天候的运转，因此，内地建设煤化工项目，通常配套建设专用或备用输煤铁路。结合我国铁路机车车辆装备政策，应优选自动化程度高、节能环保的输煤卸车系统。在项目可行性研究报告编制中，建设单位提出当配套煤矿不能正常供煤时，务必确保化工装置的连续运行，应修建备用输煤铁路，并先期协调备用煤矿供煤。神华陶氏项目耗煤量1 150万t/a，储煤场应具备20 d原煤储备能力。结合项目前期研究成果，按照“大运量、高连续性、高可靠性”的原则，确保项目煤炭供给和化工产品外运，对运输保障系统提出更高要求，重点研究输煤铁路卸车系统和交接站布置形式及选址。

2 输煤铁路卸车系统研究

2.1 输煤铁路概况

项目前期建设单位与备用煤源供应商达成初步协议，原料煤炭来自项目周边陕北神府矿区，可获取煤源区域半径为100 km，区域内公路和铁路路网均发达。经项目决策分析，原料煤炭在考虑不变成本、可变成本和综合成本的情况下，优先选用铁路运输，同时满足项目日耗煤量32 500 t的需要。利用本项目专用线增建备用输煤铁路接轨于国家铁路(包西铁路)系统，依托发达的区域铁路网，煤炭经包西铁路(包头—西安)到项目厂区，铁路运距平均150 km。

2.2 卸车系统研究

按照安全、高效、经济、环保、灵活原则，针对煤化工项目特点，应采用高强度且安全可靠的铁路卸车方式，本项目铁路卸车系统主要研究敞车配翻车机卸车方案和底开门漏斗车卸车方案。

2.2.1 敞车配翻车机卸车方案

（1）翻车机卸车方式。翻车机系统是以翻车机为主机，调车机车将煤列推至作业范围，翻车机系统开始运行，调车机牵引敞车至卸煤平台，翻转卸车后复位，空车经迁车台至空车线。铁路敞车车辆和翻车机作业现场如图1所示。

图1 铁路敞车车辆和翻车机作业现场Fig.1 Working Site of railway gondola car and tipper

（2）翻车机卸车特点。①对煤炭来源地变化适应性强。翻车机系统通过在漏斗上安装钻松机、破碎机、振动器和加热机，对杂物、大块煤、冻煤振动破碎加速其下落，减少人工清理空车工作量。②翻车机配合铁路敞车完成卸车作业，敞车车辆来源广，无需单独采购。③翻车机落煤点进行喷水除尘，效果较好。④翻车机设备日常作业运行耗能高。⑤翻车机系统机械和电气检修维护工作量较大，日常需配备专业的检修、运行、管理定员，且人员专业知识要求较高[1-2]。

2.2.2 底开门漏斗车卸车方案

（1）底开门漏斗车卸车方式。底开门漏斗车辆依托承载货物自重卸车，应用在自营铁路固定编组、定点装卸、循环使用的企业客户，适于装车点集中、车辆固定使用的运输部门。近年随着铁路车辆装备技术提升，为适应环境友好、节能环保、智能制造、新材料新工艺的要求，目前底开门车辆加装顶盖，为提高车体卸净率和运营人员工作效率，采用技术性能稳定的机械碰撞式快速卸货底门开闭机构，且增加振打装置，运煤车辆送至缝式卸煤槽位置后，机械触碰机构打开车门，卸完煤后，触碰机构关闭车门。铁路底开门漏斗车辆和卸车装置作业现场如图2所示。

图2 铁路底开门漏斗车辆和卸车装置作业现场Fig.2 Working site of railway bottom door hopper vehicle and unloading device

机械触碰式漏斗车是部分国外优先采用的煤炭运输车辆，卸货速度可达到翻车机4倍以上，其配套设备购置费及使用成本较低，完成相同煤炭年运量(以3 000万t/a)估算，可节约工程建设投资约4亿元，每年可节约电费约1 000万元。目前煤炭漏斗车创新设计了可双向运行的开闭机构，同时创新设计了二级锁闭机构，防止底门意外开启，更好地保障车辆运行安全。

（2）底开门漏斗车卸车特点。①无冻结煤及煤炭颗粒较小时，卸车时间快，系统可靠性高。冬季煤中水分较大时，煤炭在车门处冻结，影响底门开启，解冻过程影响卸车效率。②检修、维护工作量小，技术要求不高，管理简单。③卸车效率高、运行耗能低、运行稳定可靠。④对煤源变化的适应性稍差，使用底开门车辆的煤源宜定点供应、固定车底。⑤自营铁路上运行，底开门漏斗铁路车辆需单独采购[3]。

2.2.3 铁路卸车系统推荐意见

本项目修建备用输煤铁路，仅当配套煤矿不能正常供煤时，启用输煤铁路从其他区域调运煤炭，以满足各类装置不间断工作。若采用底开门车卸煤系统需单独自备采购车辆，项目在正常生产运行期间，自备底开门车辆闲置。同时，本项目地处我国北方地区，冬季寒冷，煤炭解冻过程影响卸车效率。目前，铁路敞车保有量大，使用类型广泛，车辆检修保养可依托国家铁路既有车辆检修段(所)，不需新建；底开门车辆保有量少，适用车型单一，车型尚未取得国家铁路系统上路许可，仅适用于企业自营铁路线上运输，具有一定局限性，该车型自采自用，还需配套检修保养设施。

根据我国铁路装备制造业发展趋势来看，卸煤系统应采用煤源适应性强、自动化程度高、车型匹配性优、卸车效率高的翻车机卸煤装置。在研究过程中，经与相邻国家铁路运营管理单位沟通，推荐采用敞车配翻车机卸车系统[4]。

3 输煤交接站布置方案研究

我国翻车机卸煤系统技术已非常成熟，基本上不受项目所在地地形、地质和气候等条件的限制，同时随着新技术新设备的快速发展，翻车机设备制造商也在不断研发更安全高效节能的翻车机系统，根据翻车机主机工作原理差异，翻车机类型可分为“C”形和“O”形2种。根据用户的实际需要，翻车机设备供货商可定制设计制造一次翻卸单车、双车、三车的翻车机和与之配套的自动化调车设备，翻车机卸煤系统的基本设备及工作原理没有根本变化。

3.1 输煤交接站布置方案

根据输煤铁路所承担的运量，结合项目总图规划，输(配)煤交接站(以下简称“交接站”)应设在项目进料区或储煤区，按照卸车站翻车机作业线的布置要求，研究交接站采用折返式和贯通式卸煤系统2种方案。

目前，国内主要设备供应商提供的翻车机工作效率如下。

单车翻车机卸车系统：折返式(O形、C形，25～27次/h)；贯通式(O形、C形，28～30次/h)。

双车翻车机卸车系统：折返式(C形，18～20次/h）；贯通式(O形、C形，25～27次/h)。

根据作业条件，通常翻车机日最大利用率为40%～45%，结合目前国家铁路通用敞车保有量较大的C60车型纳入分析。

3.1.1 折返式卸煤系统方案(方案Ⅰ)

输煤铁路从接轨站引出，在项目原料仓储区或动力中心区设交接站，交接站末端卸煤线设翻车机，交接站规模按9条到发线(M1—M9)进行分析，其中M4—M6道为重车到达线，M1，M2和M8，M9道为空车出发线，M3，M7为双方向使用的空重车到发线，同时兼机车走行线。铁路牵引机车为电力机车，交接站重车线、机走线及空车线头部需挂网电化。交接站布置方案示意图(折返式卸煤系统)如图3所示。

参考图3交接站布置形式设双车翻车机进行分析，计算折返式卸车系统卸煤能力。翻车机日工作量，可按以下公式计算。

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

式中：Q日为日工作量，t；H为日小时，h；i为翻车机日利用率系数；n为翻车机每小时翻卸循环次数，次/h；A为翻车机每次翻卸作业车辆数，取2辆/次；q为货车车辆净载重取值，t。

（1）翻车机日利用率系数(取40%)不变，每小时翻卸循环次数的取值对日工作量的影响分析。

当n取18次/h时，则Q日＝20 736 t/d；n取20次/h时，则Q日＝23 040 t/d。

（2）翻车机每小时翻卸循环次数(20次/h)不变，合理的日利用率取值对日工作量的影响分析。

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

综上分析，折返式卸煤系统中，翻车机日利用率系数(i)和每小时翻卸循环次数(n)是其工作量(Q日)的重要指标，因此，加强翻车机的日常维护，提高设备日利用率相当关键，同时确保设备适度的工作效率，单台双车翻车机的日卸煤能力基本为20 736～25 920 t，无法满足该项目日耗煤量32 500 t的需要，按照2台双车翻车机设置，日卸煤能力为41 472～46 080 t，能够满足要求且有富余。结合设备运营安全及冗余度考虑，建议采用2台双车翻车机。

3.1.2 贯通式卸煤系统方案(方案Ⅱ)

翻车机与交接站横列式布置，重车场、翻车机和空车场纵列式布置，重车场和空车场间设翻车机。交接站按重车线5条(MZ1—MZ5)和空车线4条(MK1—MK4)规模进行分析，其中MZ1—MZ5道为重车线(部分兼机车走行线)，MK1—MK4道为空车线。牵引机车为电力机车，交接站及重车场重车线需挂网电化，空车场空车线及牵出线不需挂网电化，但需相应配备调车机车。交接站布置方案示意图(贯通式卸煤系统)如图4所示。

参考图4交接站布置形式设双车翻车机进行分析，利用3.1.1公式计算贯通式卸车系统卸煤能力。

图4 交接站布置方案示意图(贯通式卸煤系统)Fig.4 Layout of transfer station (through coal unloading system)

（1）翻车机日利用率系数(取40%)不变，每小时翻卸循环次数的取值对日工作量的影响分析。

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

（2）翻车机每小时翻卸循环次数(27次/h)不变，合理的日利用率取值对日工作量的影响分析。

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

综上分析，贯通式卸煤系统中，翻车机日利用率系数(i)和每小时翻卸循环次数(n)依然是其工作量(Q日)的重要指标。相同工况条件下，折返式单台双车日卸煤能力为20 736～25 920 t，贯通式单台双车日卸煤能力为28 800～34 992 t，显然，贯通式卸煤系统完成工作量优势明显。当翻车机利用率(i取45%)和翻卸循环次数(n取27次/h)均取上限时，贯通式单台双车日卸煤能力能够满足日耗煤量32 500 t的需要[5-6]。

3.2 输煤交接站方案优缺点分析

交接站卸煤系统工艺布置的选择，要考虑到整个卸车系统对翻车机的功能需求、翻车机系统的效率要求和工程场地情况[7-8]。交接站布置方案优缺点比较如表1所示。

表1 交接站布置方案优缺点比较Tab.1 Comparative table of advantages and disadvantages of coal interface station layout

结合备用输煤铁路的功能定位、设备运营安全及冗余度和项目总图规划考虑，通过分析折返式和贯通式卸煤方案的优势和劣势，建议将2种布置形式均纳入交接站选址方案做进一步研究[9]。

4 交接站选址方案研究

煤化工项目总平面布置按照生产特点及工艺功能进行分区，核心化工区按照工艺流程，依次为动力区、煤气化区和醇制烯烃区；煤气化区一侧依次布置铁路专用线、储运设施、化工产业区和公用工程及辅助设施区。项目总图按照功能分区明确和物料流动顺畅的原则，台阶式竖向布置更符合场地地形实际情况[10]。下面结合该项目研究成果，对煤化工项目输煤铁路交接站选址进行分析研究。

4.1 输煤铁路交接站选址方案

本项目专用线(服务产品外运)接轨于包西铁路大保当车站，工业站位于项目西北侧，平行于储运设施，同时预留接神华自营铁路的条件。结合项目总平面图和工业站位置，按照车流径路顺畅、厂内运输便捷、功能区域匹配的原则，考虑增设备用输煤铁路交接站[11]，本次研究4个站址方案，交接站与工业站布置方案示意图如图5所示。

图5 交接站与工业站布置方案示意图Fig.5 Layout of transfer station and industrial station

4.1.1 交接站(折返式卸煤系统)与工业站集中布置(方案Ⅰ)

交接站平行于工业站集中布置，卸煤系统采用折返式布置方案(方案Ⅰ)，输煤铁路自成系统，工业站主要办理除煤炭以外的化工产品(原料)运输。

4.1.2 交接站(贯通式卸煤系统)与工业站集中布置(方案Ⅱ)

交接站与工业站横列式布置，卸煤系统采用贯通式布置方案(方案Ⅱ)，重车场、翻车机和空车场纵列式设置，空车场尾部与工业站连通，其中工业站部分到发线共用。

4.1.3 交接站(折返式卸煤系统)与工业站分设布置(方案Ⅲ)

交接站与工业站成90°角分设布置，卸煤系统采用折返式布置方案(方案Ⅲ)，同时在两站间设联络线，预留神华自营铁路的煤列接入条件。输煤铁路自成系统，工业站主要办理除煤炭以外的化工产品(原料)运输。

4.1.4 交接站(贯通式卸煤系统)与工业站分设布置(方案Ⅳ)

交接站与工业站成90°角分设布置，卸煤系统采用贯通式布置方案(方案Ⅳ)，同时在两站间设联络线，其中工业站部分到发线共用。

4.2 交接站选址方案综合分析

交接站选址优先满足项目总图规划，结合项目物料流通的经济性、安全性、可靠性，同时遵循环境保护和安全生产的规定，有效降低运营期间产生的粉尘、废水、固体废物和噪声、振动对环境的影响。交接站选址方案技术经济比较如表2所示。

表2 交接站选址方案技术经济比较Tab.2 Techno-economic comparison of site selection schemes for transfer station

经比较分析，结合建设单位已批复项目总图布置，交接站与工业站宜分开设置，且交接站应设在主导风向下风侧。充分考虑折返式卸煤方案设备布置紧凑，占地面积小，煤炭储运区环境友好，且2套双车翻车机系统冗余度适中，本项目采用交接站(折返式卸煤系统)与工业站分设布置方案(方案Ⅲ)[12]。

5 结束语

煤化工项目的生产具有系统性、连续性、全天候的特点，供应链的畅通是保证整个项目运转的基本条件，因此，供应链技术方案的选择对安全生产、产品竞争力具有重要意义。本项目通过科研院所协作，铁路运输部门调研，设备厂家参与，按照“大运量、高连续性、高可靠性”的原则，分析探讨输煤铁路卸车系统和交接站布置形式及选址。重点研究敞车配翻车机卸车方案和底开门漏斗车卸车方案，结合备用输煤铁路功能定位，分析煤源适应性、车型匹配性，优选成本低适用广泛的翻车机卸车方案。结合运量实际情况，将翻车机日利用率、翻卸循环次数等基本参数纳入能力计算，分析翻车机折返式和贯通式方案能力适应性，将2种交接站布置形式纳入交接站选址做进一步研究，推荐采用翻车机折返式布置交接站与工业站分设方案。研究结合工程实际情况，其设备选型及技术方案在煤化工项目中具有一定的代表性，可以为类似项目提供部分参照。