中国能源供应体系的建设——北煤南运工程

能源是发展工业的基础

能源是国民经济的重要物质基础，能源的开发和利用程度体现了社会生产力的发展水平，而人均能源消费量是生活水平的重要标志之一。

从国家的角度，对能源的掌控和利用是工业发展的基础，能源安全是国家安全的重要方面！

一个国家能源体系的建设，必然是基于本国的自然资源禀赋，充分利用本国拥有的可产生能源的各种资源（如煤炭、石油、水能、风能、太阳能等）。

但是如何高效、低成本、大规模的开发和利用这些资源却并非易事。

从资源的开采、运输、存储到利用，都依赖各种重大技术装备并需要掌握多个产业领域的技术，没有这些先进技术装备就无法达到大规模、低成本、高效利用的目标。

国家能源体系的建设是工业化的重要内容，低成本能源供应体系的建设将会显著增强本国工业的竞争力并促进国家的工业化。

中国的资源禀赋和能源供应体系

中国的经济发展和工业化需要大量的能源。

随着中国经济的增长，中国对能源消费的需求快速增加。

1958年，中国的能源消费总量首次突破1亿吨标准煤达到1.67亿吨标准煤。（标准煤是衡量热量的一个单位，1吨石油的热量相当于1.43吨标准煤，1000立方米天然气相当于1.33吨标准煤）

随着中国工业化进程的开启，中国的能源消费总量保持了持续快速增长，1991年超过10亿吨标准煤，随后在2004年和2009年分别超过20亿吨和30亿吨标准煤.

2022年中国的能源消费总量高达54.1亿吨标准煤。

中国的能源消费总量在2009年首次超过美国，成为全球最大的能源消费国。

此后中国的能源消费增量仍然保持了快速增长，2021年中国的能源消费总量比美国高了将近70%，是印度能源消费总量的4.4倍。

2021年中国的能源消费总量占全球能源消费总量的26.5%。

中国、美国和印度是全球最大的三个能源消费国。

中国自然资源禀赋的特点是“多煤、少油、缺气”。

在石油、煤炭、天然气这三种主要能源矿产中，中国只有煤炭的储量最丰富，石油和天然气都无法满足本国的需求，十分依赖进口。

根据国土资源部2022年公布的数据，中国的煤炭储量是2078.9亿吨。

2021年中国的煤炭产量达到41.3亿吨，在中国能源消费中的占比为54.7%。

充分利用好煤炭资源，是保障中国的能源安全、降低能源对外依存度的需求，也是降低全社会能源成本的要求。

我国能源资源分布不均衡，煤矿主要集中在西部和北部地区，而对能源需求量大的经济发达地区主要分布在东部和东南沿海地区。

能源供应和需求的地域不匹配，给我国经济快速稳定发展带来严重制约和巨大影响，这是中国能源体系建设必须解决的问题。

从我国能源总体流向格局图中可以看出，我国能源输送需要实现远距离输送，包括“北煤南运”、“西气东输”、“西电东送”。

煤炭的长距离运输，天然气的长距离运输和电力的长距离运输是中国能源体系建设的难题，是中国能源工业面临的重大挑战。

中国能源体系的建设，即是解决这些重大技术挑战的过程，也通过解决这些挑战成功实现了工业化！

煤炭是中国能源体系的核心基础，实现煤炭的大规模、远距离和低成本运输是我国能源供应体系建设的首要任务！

 “北煤南运”工程就是中国实现煤炭的大规模、远距离和低成本运输代表性工程，通过“北煤南运”工程我们可以看到中国是如何建设符合本国国情的能源供应体系的。

如何实现煤炭的大规模、远距离和低成本运输？

什么是“北煤南运”？

“北煤南运”是一项长期的、系统性的工程，包含了一系列的项目，任何将陕西、山西、内蒙古等北方地区的煤炭运输到东部地区的项目都可以归为“北煤南运”工程。

“北煤南运”工程的第一个重大项目是以大秦铁路为核心的一系列工程，此后的神华朔黄铁路（神华工程）、浩吉铁路等也都属于“北煤南运”工程。

北煤南运工程是中国充分利用自身丰富的煤炭资源，满足经济发展对能源的需求的代表性重大工程项目。

北煤南运工程是一个系统性工程，涵盖的环节包括：煤炭的开采和储装，铁路运输、港口装卸，海运和最终利用。

北煤南运工程的第一个重大项目包括晋北煤炭储装设施、大秦重载铁路、秦皇岛煤码头、华北电力网工程以及煤炭海运系统装备。

这是一个跨部门、跨地域、跨学科的大型系统工程！

这个大型系统工程包括陆上煤炭的“装、运、卸”，港口枢纽的“卸、运、装”和海上煤运的“装、运、卸” 三个工程系统。

要实现煤炭的大规模、远距离和低成本的运输，这三个环节都必须高效运行。

那么中国是如何做到的？

我们以煤炭的流动路线为主线，从煤炭的集中存储和装车，铁路运输，港口卸车和装船，最后达到火电厂这一系列过程来详细分析北煤南运工程。

一、煤炭的装车

需要设备：煤炭集运站成套设备。

大秦铁路的年运输量达到4亿多吨，平均每天运量超过100万吨。

这么多的煤炭是如何装上火车的？

一列万吨列车的货车车厢数量高达上百节，一列两万吨列车拖带的货车车厢数量更是超过200，要保证这么多的货车车厢在短时间内装好煤炭并不是件容易的事。

大秦铁路煤运专线的煤炭货源主要在山西，煤炭部根据要求先后在山西省内兴建了18个集运站。这些集装站不是普通的煤炭集散中心，而是配备了先进的技术装备能够实现高效装车的集运站。

建设煤炭集运站使得范围内的煤炭能够集中存储、整列装车、整列发车，有效提高货物运输效率。

煤炭集运站高效装车的核心设备是快速定量装车系统。

目前国内大部分采用塔式快速定量装车站，装车自动化程度高、计量精度高、装车能力大。快速定量装车站装车能力可达到5300吨/小时，平均每节车皮装车时间45秒，重量误差<0.5%。

装车站由缓冲仓，计量仓，液压系统，控制系统，装车闸门，钢结构等部分组成。铁路列车在机车慢速牵引下匀速通过装车站，装车站计量漏斗内的煤通过装车溜槽均匀装入车厢内并整平煤堆，控制系统可以提供每节车皮的装车重量清单。

煤炭部以新高山、金沙滩等4个集装站工程为依托工程，从国外引进集运站的先进技术和装备，并组织国内企业消化吸收，并最终达到全套装备的国产化。

在建设集运站的过程中遇到两道难题，一是定量的精度，一是连续下落煤炭的稳定。

为解决这两项技术关键，国务院重大办组织全国科研单位和设备制造企业，进行了协同攻关。最终完成了采用减量法的自动定量装车漏斗（计量精度控制在1/1000）；振动可调速给煤机（装载速度1300~2500吨/小时）及堆取料机等装载设备。

要实现高效装煤，仅仅依靠集运站的设备还不够，列车控制技术也必须提高——这就是机车低恒速控制装置，保证列车能够以恒定的低速度牵引货车通过装车漏斗。

铁道部组织相关单位，会同煤炭部、山西省及相关煤矿协同开展多项试验，最终立足国内研制成功机车低恒速控制装置，实现了列车以0.8±0.2公里/小时的低速不停车连续装煤。

同时，还研制成功了不落弓装置，大大缩短了漏斗仓下无电区的长度，可在2~2.5小时内装一列万吨列车，成功解决了煤炭装运的卸接难题，确保了整体工程按期投运。

二、煤炭铁路运输

煤炭运输的核心是铁路。

北煤南运工程建设的第一条运煤专线是大秦铁路。

大秦铁路西起煤都大同，东至河北秦皇岛港，全长653公里，是一条现代化双线电气化铁路，运行单元重载列车，最初设计年输送能力为1亿吨。

1985年经国务院批准正式开工兴建，一期工程于1988年开通投运；二期工程1989年全面开工建设，于1992年建成投运。

大秦铁路是我国以25吨轴重为核心的铁路重载技术的代表。

列车重载需要以下条件：线路条件，机车车辆，货车，通信信号系统等各方面的条件。

大秦铁路是如何满足这些条件的？

1、线路条件

在设计和修建大秦铁路时，铁路的主要参数如限制坡度、最小曲线半径、桥梁载荷、路基承重载荷等指标都能满足开行25吨轴重的重载列车。

2、牵引机车

大秦铁路使用的牵引机车主要是SS4改进型机车和HXD1、HXD2型机车三种。

SS4型电力机车是80年代初我国为实现铁路重载研制的一款机车， 牵引功率达到6400kW，主传动系统采用交-直流电传动方式，使用串励式直流牵引电动机。1985年9月第一台韶山4型电力机车（SS4-0001）制成，是当时中国国内功率最大的货运电力机车。1988年通过国家鉴定，1989年开始批量生产。

HXD1、HXD2型机车是我国机车车辆企业与西门子和阿尔斯通合作制造的大功率货运机车，采用先进的交-直-交电传动技术，机车总功率达到9600千瓦以上。

3、货车车厢

大秦铁路开通运营后，最先使用的是C63A系列和C76系列敞车，由于早期设计和制造水平较为落后，这些车辆存在结构可靠性差、车体刚度和耐腐蚀性差、载重小等缺陷。

2003年后，铁道部专门安排研制了轴重25t、载重80t的C80、C80B型敞车。这些敞车车体采用铁素体不锈钢或铝合金制造，车辆轻量化水平较高，抗腐蚀能力好，有效降低了车辆自重系数，提高了列车载重水平。

这些新研制的货车还采用了120-1型空气控制阀，16、17型车钩，RFC牵引杆和大容量缓冲器，为大秦铁路提供了优良的装备保障。

4、机车无线同步操纵技术

重载列车通常都需要使用多台牵引机车，不论机车采用“集中式”重联牵引还是采用“分散式”牵引，都需要机车能实现同步操纵，实现2台或多台机车能够完全一致完成列车运行任务。

机车无线同步操纵技术是实现重载的关键技术之一。

通过实地考察，铁道部最终引进了GE公司的Locotrol技术以开行大秦线2万吨重载组合列车。

5、通信信号系统

通信和信号系统必须能为列控信息、车地通信等关键信息提供承载网络通道。

确保车机联控及机车与机车、机车与调度(大三角)通话问题，满足信号调度集中的使用，同时有效地防止尾追事故，保证列车运输安全。

铁道部与华为共同开发了铁路综合数字移动通信系统(GSM- R)，并对大秦线既有通信系统进行改造，将有线与无线通信方式相结合，确保通信方便、快捷，信号稳定、可靠。

大秦线 60%左右的线路处于山区，其余40%为平原和丘陵交织地带。在恶劣的地形条件下，GSM-R系统为重载列车提供全程通信，消除了多年来因山区通信盲区对运输造成的困扰，既保证了容量的要求，又保证了实时性的要求。

信号系统由计算机联锁系统、自动闭塞系统、DMIS系统及建立在 DMIS系统平台上的CTC系统、车载信号系统、环境监控系统组成。

在大秦线建设TETRA/GSM-R铁路移动信息化基础平台，满足了无线调度、无线传输、无线预警、车机联控、区间工务无线维护通信、区间应急救援无线通信、DMIS无线传输、列车尾部装置传输等移动通信需要。彻底解决枢纽干扰问题，确保车机联控及机车与机车、机车与调度(大三角)通话问题，满足信号调度集中的使用，同时有效地防止尾追事故，保证大秦线重载列车运输安全。

除此之外，供电系统、线路维修模式、货源组织等进行相应的改进，以满足重载铁路高效运输必须的条件。

1990年，大秦铁路以不同形式编组完成5000吨、8000吨、10000吨重载单元列车、组合列车综合试验，湖东站至茶坞站区间实现4000吨列车常态化开行。

1992年，大秦铁路全线贯通，实现5000吨、6000吨重载单元列车常态化开行。

1万吨重载列车于2002年底开始研究和试验，2003年9月1日开始常态化开行。2007年达到日均61列，2008年达到62列。

2万吨重载组合列车于2003年开始进行技术经济论证，并对固定设备和移动设备进行技术改造，在一系列试验的基础上，于2006年3月28日正式开行。

1992年建成通车时，大秦铁路设计的年运输能力为1亿吨。

当时列车牵引重量只有5000~6000吨，编组辆数60~72辆，列车长度720~864m，最高运行速度为空车70km/h、重车80km/h。

为了在较短时间内提高煤炭运量，2003年开始，大秦铁路的重载技术不断升级，先后实施2亿吨、4亿吨扩能改造。

随着各项技术的进步，大秦铁路先后常态化开行了10000吨和20000吨列车，使得运输能力有了显著的提升。

2005年大秦铁路成功突破2亿吨, 实现了运输能力的翻番。

大秦铁路 2007年年运量突破了 3亿吨。

2008年进行了 4亿吨扩能改造。

2010年大秦铁路年运输量突破4亿吨。

三、港口卸车和装船

万吨运煤列车到了港口，如何高效的卸煤和装船？

为达到高效卸车和装船的目的，交通部负责建设了秦皇岛煤码头三期、四期工程，并采用先进的专用大型设备以提高效率。

根据国务院要求秦煤三期工程承担晋煤南运和出口任务，必须具备装煤车辆不脱钩作业的能力，年吞吐能力在3000万吨。

秦皇岛煤码头三期工程的主要技术装备包括：

1、翻车机，美国DRAVO与大连重机合作；

翻车机能以车钩中心为旋转中心实施快速卸货，以其低能耗、低卸车成本而受到港口的普遍欢迎。

秦皇岛煤码头三期工程装备了两台单转子三翻式翻车机（4680吨/小时），卸煤过程中列车不需要脱钩解体，保证了全程的高效率。

2、装船机，西德DWH与上海港机合作；

装船机是用于散料码头装船时使用的大型散料机械。一般装船机由臂架皮带机，过渡皮带机，伸缩溜筒、尾车、走行装置、门架、塔架、俯仰装置、回转装置等组成。

秦皇岛煤码头三期工程装备了三台移动式装船机（6000吨/小时）。

秦皇岛煤码头三期工程其它的大型设备还包括：三台大型取料机（6000吨/小时），西德MAN与大连重机合作；两台大型堆料机（4860吨/小时），西德PWH与江南造船厂合作；17条宽2米、全长12.5公里的皮带运输机（转速4.85米/秒），西德PWH与沈阳矿山机器厂合作。

整个码头装卸设备由二级PLC系统和计算机系统控制和管理，使秦煤三期成为具有20世纪80年代世界先进水平的大型现代化煤运码头，该系统全部由西门子公司承包提供。

通过成套的机械设备，保障了在码头的高效卸车和装船。

通过秦煤三期工程的建设，我国煤炭港口码头的重大成套装备在消化吸收国外先进技术和经验的基础上，取得了显著进步，极大地推进了秦煤四期港口码头重大装备的国产化水平。

秦煤四期工程建设是在秦煤三期工程建设基础上进行的。该工程（年吞吐能力为3000万吨）的港口成套设备均纳入国家“八五”、“九五”重大技术装备专项，基本立足国内企业研制，国产化率达70%以上。其中，增加了一台门式斗轮取料机（6000吨/小时），由哈尔滨重机厂研制；三台翻车机仍由大连重机厂与国外公司合作制造，国产化率达到50%左右，卸车能力90辆/小时，卸煤能力5000吨/小时，翻转角度175度，设置了电磁脉冲破冻装置，解决了冬季冻煤翻卸问题。

从秦煤四期工程整体评估重大装备水平达到并超越了三期工程，国产化率有较大提升，表明我国港口成套设备已跨入世界先进水平。1997年12月18日秦煤四期工程通过国家验收正式投入运营，有力地保证了我国北煤南运大通道的畅通。

四、煤炭的海运

通过大秦铁路和秦皇岛三、四期煤运码头的建设，我国为北煤南运建成了一个大规模、高效率的煤炭陆路运输通道。

海路运输通道作为北煤南运工程必不可少的组成部分，需每年将数亿吨的煤炭运往华东、华南地区、沿江沿海地区以满足这些地方火力发电厂的燃煤需求。

煤炭海运需要的主要装备包括浅吃水肥大船型、自卸船以及高效装卸煤设备。

根据国务院重大办确定的要求及目标， 交通部和船舶工业总公司联合开发出一批技术先进、效率高、经济性好的新型运煤船型，建立起强大的海上船运系统，圆满完成了北煤南运工程的总体目标。

根据我国沿江沿海卸煤码头多数为河口港，航道浅，回淤快的现实情况，采用一般的大型船舶难以满足运煤要求。为此上海船舶研究设计院、上海水运研究所、广州海运局和大连造船厂，以“科研、设计、制造、使用”相互结合，依靠自主创新开发出了3.5万吨大型浅吃水运煤船。它具有吃水浅，载重量大，耗能低，效率高，效益显著等特点，适合我国煤码头多为河口型的国情。

1990年6月国家对浅吃水肥大船进行了国家级鉴定验收，获得到会专家的一致好评。到1990年底，共完成6艘，成为当时我国北煤南运工程的主力船型。

这批船投入运营后显示出良好的技术、经济性能，国产化率达到80%以上。主要表现：

1、装载量大，平均每航次载货3.5万吨以上，在相同吃水的情况下比常规2万吨的散货船多装2万吨；

2、实际营运单耗比同吨位的常规船低10%；

3、每吨货支出比相同吃水2万吨的散货船下降20.4%；

4、燃料单耗指标比2万吨散货船降低36.9%；

5、船员劳动生产指标比2万吨的散货船提高74.5%，经济效益明显。

“八五”期间，芜湖造船厂会同上海船舶设计院、702所联合成功研制出超浅吃水1.2万吨运煤船。

交通部在这段期间，还组织北京水运研究所、上海港机厂等单位，先后研制成功1250吨/小时抓斗装卸桥和1200吨/小时链头卸船机，船用推把机等，出色地实现了大型高效装卸煤设备的国产化。

这些设备依托石洞口电厂和上海朱家门煤码头项目进行。1989年12月28日通过交通部组织的国家验收，得到一致好评，替代进口，具有显著的经济效益，达到国外同类产品20世纪80年代先进水平。

以大秦铁路为核心的首个“北煤南运”工程项目的建设是十分成功的。

在项目建设过程中，煤炭“装、运、卸”各环节通过引进技术和自主研发都达到了高效运输的目标，各运输环节的主要技术设备都实现了国产化。项目按期建成，很快就达到了预定的煤炭运输能力。

铁路和港口是国家经济发展的大动脉，没有重大技术装备的支撑，大秦铁路这条能源“大动脉”的畅通是无法得到保证的。

在这之后，我国的轨道交通装备技术、重机和港口装备技术不断进步，依托国内数量众多的大型工程项目，先后建成了一个又一个“国内最大”和“世界之最”，在技术上实现了对发达国家的超越。

大连重工与北方重工集团，在建设秦煤三期、四期、五期工程时14台大型斗轮堆取料机的堆取料能力为6000吨/小时，发展到国投集团曹妃甸港煤码头15000吨/小时的设备。

大连重工集团在煤炭港口码头最核心的关键装备——“翻车机”上同样取得了重要突破。大连重工不仅能够根据客户需求设计各种类型的翻车机，而且翻车机卸车效率由最初的10节/小时到目前的96节/小时。安装在河北曹妃甸煤码头的四车翻车机一天能卸10多列重载列车，一列最长的由100多车厢组成。大连重工在翻车机系统领域实现了新的跨越，抢占了新高点。

神华工程的建设

神华集团的建设是我国“北煤南运”工程的第二个重要项目。

为加速跨世纪能源战略基地的建设，1995年10月国务院批准在原华能精煤公司的基础上组建神华集团公司，负责开发经营神府—东胜煤田及其配套的铁路（包括神包、神黄线）、电站、港口、航运船队等项目，实行煤路电港航一体化开发、产运销一条龙经营。

由神华集团承建的跨世纪能源战略基地规模宏大，它的建设是我国社会经济生活中的一件大事，被喻为“南有三峡，北有神华”。它的建成，将使我国在相当长的历史时期内缓解能源供应的后顾之忧，以源源不断的“工业粮食”支持国民经济的发展后劲，并能以优质的能源产品在国际能源市场上为中国争得应有的席位，从而保障国民经济持续、快速、健康地发展。

神华工程运输的核心是朔黄铁路，是国家继“六五修建的大秦铁路之后规划建设的第二条煤炭运输大通道。

朔黄铁路全长860 km，把陕西蒙南的新兴能源基地(神府东胜矿区)与渤海湾新兴出海口黄骅港联接起来。

1997年11月25日朔黄铁路正式开工，全线于2002年11月1日建成，比计划工期提前1年零2个月。

2009年神华进行了朔黄铁路3.5亿吨扩能改造，朔黄铁路的年运输能力也接近4亿吨左右。

神华朔黄铁路与大秦铁路等共同组成了中国能源运输的大动脉，有力支持经济的发展。

中国依靠自己的能力建成了能源供应体系

以大秦铁路和秦皇岛煤码头、朔黄铁路和黄骅港为代表“北煤南运”工程是成功的，这些项目的建成使得我国东南沿海的火力发电厂可以用上便宜的煤炭，降低了全社会的能源成本。

“北煤南运”工程的投运同时还减少我国能源的对外依存度，保障了能源安全，同时还可以抑制进口能源的价格。

低成本能源是中国制造业竞争力的重要来源之一。

“北煤南运”工程是一项复杂的系统工程，涉及到多个产业领域。

“北煤南运”工程的实施需要煤炭采掘和运输设备，轨道交通装备，港口装备，航运装备，火力发电设备和输变电技术，这些技术设备都是只有发达国家才掌握的先进技术。

中国通过“北煤南运”工程的建设学习并掌握了这些技术，并最终完成了超越。

“北煤南运”工程的成功实施本身就是工业化的重要内容，中国完成“北煤南运”工程的建设则充分体现了中国的工业化能力。

在工程的建设和发展过程中，中国掌握的技术也在不断提升，大秦铁路的运输量就从最初设计的1亿吨提升至4亿吨。

通过项目的建设和改造，中国在各产业领域的技术最终实现了领先。

这就是中国成功工业化的过程。

参考资料：

1、《大秦铁路》。

2、《朔黄铁路公司志》。

3、《神华集团志》。

4、董必钦：我国能源战略生命线——北煤南运工程重大技术装备自主化纪实。

5、《国家重大技术装备三十年》。

6、《大秦铁路重载运输技术》。

7、《大秦铁路建设工程纪实》。