袁榮林

上港集團(tuán)振東分公司

港口輪胎吊混合動(dòng)力節(jié)能改造

袁榮林

上港集團(tuán)振東分公司

輪胎吊是港口集裝箱碼頭主要的起重設(shè)備之一，也是主要的能源消耗設(shè)備之一，輪胎吊的節(jié)能工作是港口集裝箱碼頭節(jié)能工作的一個(gè)重要組成部分。上海港目前的輪胎吊節(jié)能手段以市電供電的電動(dòng)輪胎吊為主，但是電動(dòng)輪胎吊存在轉(zhuǎn)場(chǎng)不靈活的缺點(diǎn)，所以混合動(dòng)力輪胎吊也成為港口節(jié)能手段之一?；旌蟿?dòng)力輪胎吊與電動(dòng)輪胎吊相比，具有節(jié)能率高、可方便轉(zhuǎn)場(chǎng)優(yōu)點(diǎn)。混合動(dòng)力輪胎吊成為港口輪胎吊環(huán)保節(jié)能的發(fā)展方向之一。

港口；RTG；節(jié)能；混合動(dòng)力RTG；環(huán)保

1 港口集裝箱碼頭能耗概況

傳統(tǒng)集裝箱碼頭的機(jī)械配置主要由岸邊集裝箱起重機(jī)、場(chǎng)地輪胎式集裝箱起重機(jī)（簡(jiǎn)稱輪胎吊）、集裝箱正面吊、集裝箱空箱堆高車及港內(nèi)水平運(yùn)輸機(jī)卡組成。這些設(shè)備中岸邊集裝箱起重機(jī)全部采用市電供電的方式，且采用帶能量反饋的變頻器控制技術(shù)，能源利用率較高，其他設(shè)備則采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，能源消耗及尾氣排放均不理想。隨著我國外貿(mào)量的持續(xù)增長，上海港的集裝箱吞吐量持續(xù)保持在高位，能源消耗和排放總水平也處于高位，為順應(yīng)節(jié)能減排發(fā)展趨勢(shì)，上海港逐步改變能源結(jié)構(gòu)，用天然氣替代柴油，改善污染環(huán)境的排放尾氣，還落實(shí)一系列節(jié)能改造措施節(jié)約能源。其中較成功的節(jié)能改造是場(chǎng)地輪胎式集裝箱起重機(jī)由柴油發(fā)電機(jī)組供電改為市電供電，單箱節(jié)能率達(dá)到45 %，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)尾氣排放、噪音為零，取得了良好的企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)環(huán)境效益。但是與傳統(tǒng)能源輪胎吊相比，采用市電供電的輪胎吊在轉(zhuǎn)場(chǎng)的時(shí)候要先斷市電電源，然后用柴油發(fā)電機(jī)供電來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)場(chǎng)，后要重新接入市電電源，由此，市電輪胎吊工作效率和靈活性就大大差于傳統(tǒng)動(dòng)力輪胎吊，而港區(qū)生產(chǎn)的繁忙程度在各堆場(chǎng)間經(jīng)常變化，需輪胎吊經(jīng)常轉(zhuǎn)場(chǎng)。為彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，在已做好油改電改造的港區(qū)需要一部分輪胎吊仍使用發(fā)電機(jī)組為動(dòng)力，保持經(jīng)常轉(zhuǎn)場(chǎng)的機(jī)動(dòng)性，以滿足各個(gè)集裝箱堆場(chǎng)之間忙閑不同的生產(chǎn)需要，對(duì)這些輪胎吊的混合動(dòng)力改造成為港區(qū)節(jié)能減排的重要課題。

2 常規(guī)動(dòng)力輪胎吊的動(dòng)力系統(tǒng)

常規(guī)動(dòng)力輪胎吊的動(dòng)力系統(tǒng)由柴油發(fā)電機(jī)組提供動(dòng)力，其一般由3大機(jī)構(gòu)組成，即起升機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)和大車機(jī)構(gòu)，其中起升機(jī)構(gòu)所需要的能量最大，占RTG所需能量的65%以上。

起升機(jī)構(gòu)在上升時(shí)由柴油發(fā)電機(jī)提供能量，在輪胎吊負(fù)載的功率變大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速機(jī)構(gòu)就會(huì)增加供油量，此時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不充分，致使發(fā)動(dòng)機(jī)的黑煙排放問題突出。當(dāng)起升機(jī)構(gòu)下降時(shí)和各大機(jī)構(gòu)減速時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定的再生能源，在常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)輪胎吊中這部分再生能源是通過能耗電阻消耗，既不節(jié)能又不環(huán)保。以一款常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)堆4過5的輪胎吊為例，其主要技術(shù)參數(shù)為：發(fā)動(dòng)機(jī)功率330 kW，發(fā)電機(jī)570 kW，起升電機(jī)170 kW，小車電機(jī)25 kW，兩個(gè)45 kW大車電機(jī)，在月總作業(yè)箱量為18 000標(biāo)箱的情況下，單箱能耗達(dá)到1.08 kg標(biāo)煤/標(biāo)箱，如果作業(yè)量較少，能耗還將更高，而且還存在噪音、排放等環(huán)境問題。傳統(tǒng)常規(guī)輪胎吊的能源流向見圖1。

圖1 常規(guī)輪胎吊能源流向

3 混合動(dòng)力輪胎吊的動(dòng)力系統(tǒng)

混合動(dòng)力輪胎吊在輪胎吊的直流母線上加裝儲(chǔ)能系統(tǒng)，當(dāng)輪胎吊初始運(yùn)行時(shí)由發(fā)電機(jī)組對(duì)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)充電至規(guī)定數(shù)值后開始正常運(yùn)行。運(yùn)行時(shí)，輪胎吊正常工作需要的能量由柴油發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)共同提供，起升機(jī)構(gòu)下降時(shí)和各大機(jī)構(gòu)減速時(shí)產(chǎn)生的再生能量可儲(chǔ)存在儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將原來消耗在能耗電阻上的能源回收利用， 以節(jié)約能源，并可降低混合動(dòng)力輪胎吊需要裝備的發(fā)電機(jī)組的功率。儲(chǔ)能系統(tǒng)工作時(shí)還能平緩負(fù)載變化時(shí)發(fā)電機(jī)組的負(fù)載變化，當(dāng)輪胎吊的負(fù)載變大時(shí)，發(fā)電機(jī)組輸出功率突然變大、發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速機(jī)構(gòu)突變?cè)黾庸┯土浚瑥亩鉀Q了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載突變時(shí)黑煙排放問題?；旌蟿?dòng)力輪胎吊的能源流向見圖2。

圖2 混合動(dòng)力輪胎吊能源流向

混合動(dòng)力輪胎吊在工作機(jī)構(gòu)工作時(shí)，其能源供給可由發(fā)動(dòng)機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)各提供一部分能量，在對(duì)普通動(dòng)力輪胎吊進(jìn)行改造時(shí)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量與柴油發(fā)電機(jī)組的容量進(jìn)行合理配置就能達(dá)到良好的節(jié)能效果。

4 混合動(dòng)力輪胎吊的改造

從集裝箱港區(qū)的實(shí)際生產(chǎn)情況來看，輪胎吊在作業(yè)時(shí)實(shí)際作業(yè)時(shí)間約等于總工作時(shí)間的1/3，常規(guī)輪胎吊在等待作業(yè)時(shí)只能讓發(fā)電機(jī)組空耗，因發(fā)電機(jī)組頻繁的啟動(dòng)、停止將影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損害。同時(shí)，輪胎吊在等待狀態(tài)時(shí)其輔助通訊裝置必須要正常供電。以至空載等待時(shí)間消耗能源使普通輪胎吊的單箱能耗上升。以采用額定功率330 kW的卡特彼勒3 408發(fā)電機(jī)組為例，經(jīng)測(cè)定以1 500轉(zhuǎn)/min的額定轉(zhuǎn)速等待1 h，消耗柴油9 L?；旌蟿?dòng)力輪胎吊的輔助供電由儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的直流電源經(jīng)逆變器逆變后提供，在輪胎吊等待作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)沒有必要保持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，只要怠速預(yù)熱等待即可隨時(shí)轉(zhuǎn)入正常作業(yè)的額定轉(zhuǎn)速。因此對(duì)普通輪胎吊進(jìn)行混合動(dòng)力改造時(shí)，還可對(duì)發(fā)電機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行改造，經(jīng)改造后，在輪胎吊等待作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)為怠速運(yùn)行，能耗有了較大下降?；旌蟿?dòng)力輪胎吊各種組合式改造的節(jié)能效果見表1。

混合動(dòng)力輪胎吊仍配備制動(dòng)單元和能耗電阻，功率比常規(guī)輪胎吊小，正常工作時(shí)輪胎吊的再生能源不再消耗在制動(dòng)單元和能耗電阻上，當(dāng)混合動(dòng)力輪胎吊的儲(chǔ)能系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)制動(dòng)單元和能耗電阻可以進(jìn)入工作狀態(tài)，確保輪胎吊的起升機(jī)構(gòu)空載慢速升降和輪胎吊大車機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行，能保證故障混合動(dòng)力輪胎吊正常離開作業(yè)區(qū)域，使生產(chǎn)作業(yè)的連續(xù)性不受影響。 混合動(dòng)力輪胎吊系統(tǒng)組成見圖3

5 混合動(dòng)力輪胎吊的改造實(shí)例

本公司進(jìn)行的混合動(dòng)力輪胎吊改造以一款堆4過5的輪胎吊為改造原型機(jī)，其原動(dòng)力系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)為：發(fā)動(dòng)機(jī)功率330 kW，發(fā)電機(jī)570kW，發(fā)動(dòng)機(jī)為固定轉(zhuǎn)速1 500轉(zhuǎn)/min，改造后其動(dòng)力系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)為：發(fā)動(dòng)機(jī)功率160kW，發(fā)電機(jī)152kW，配25Ah鋰電池作為儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，見圖4。發(fā)動(dòng)機(jī)采用工作時(shí)高速，等待時(shí)怠速的二點(diǎn)調(diào)速。

對(duì)改造后的混合動(dòng)力改造機(jī)與未改造的原型機(jī)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試選用30 t負(fù)載，在三種不同工況下進(jìn)行：

起升工況：吊具帶負(fù)載起升至最高點(diǎn)、小車橫跨輪胎吊跨度往復(fù)移動(dòng)一次，吊具帶負(fù)載下降至原位。

大車移動(dòng)工況：空吊具起升至最高點(diǎn)、大車往復(fù)移動(dòng)300 m一次，空吊具下降至原位。

原地怠速工況：輪胎吊空載原地怠速1/4 h。

混合動(dòng)力改造機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

未改造的原型機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表1 混合動(dòng)力輪胎吊的節(jié)能率

圖3 混合動(dòng)力輪胎吊系統(tǒng)圖

圖4 鋰電池組

表2 混合動(dòng)力改造機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 未改造的原型機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試數(shù)據(jù)分析。

起升工況：

未改造的原型機(jī)運(yùn)行6次共耗油4.2 kg，單次耗油量為0.7 kg。

混合動(dòng)力改造機(jī)運(yùn)行10次共耗油3.5 kg，單次耗油量為0.35 kg。

測(cè)試節(jié)能率50%。

大車移動(dòng)工況：

未改造的原型機(jī)耗油量為2.8 kg?；旌蟿?dòng)力改造機(jī)耗油量為1.2 kg。

測(cè)試節(jié)能率57.14%。

原地怠速工況：

未改造的原型機(jī)耗油量為2.0 kg；

混合動(dòng)力改造機(jī)耗油量為0.6 kg

測(cè)試節(jié)能率70.00%。綜合節(jié)能率見表4。

6 結(jié)語

傳統(tǒng)輪胎吊的混合動(dòng)力改造與傳統(tǒng)輪胎吊的市電供電動(dòng)力改造相比，節(jié)能率高，且具有使用靈活、方便轉(zhuǎn)場(chǎng)、便利生產(chǎn)調(diào)度的優(yōu)點(diǎn)。與以市電供電的電動(dòng)輪胎吊相比，在相同規(guī)模及生產(chǎn)條件情況下，可減少輪胎吊的投入，提高混合動(dòng)力輪胎吊的利用率，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的無效等待油耗，進(jìn)一步提高混合動(dòng)力輪胎吊的節(jié)能率。上海港目前使用中的傳統(tǒng)動(dòng)力輪胎吊100臺(tái)以上，進(jìn)行混合動(dòng)力改造的潛力可觀。

現(xiàn)在混合動(dòng)力輪胎吊的儲(chǔ)能鋰電池理論預(yù)期壽命8～10年，有待實(shí)踐證明，使用壽命中有效能量是否會(huì)變小，也有待實(shí)踐證明。目前尚未大規(guī)模使用的飛輪儲(chǔ)能電池，具有相同容積率、儲(chǔ)能大的優(yōu)點(diǎn)，使用壽命也比鋰電池的預(yù)期壽命高，且報(bào)廢后僅是處理一些機(jī)械裝置，與鋰電池相比對(duì)環(huán)境的壓力更小，相信隨著飛輪電池技術(shù)突破，制造成本下降后，飛輪電池儲(chǔ)能的混合動(dòng)力輪胎吊將成為港口輪胎吊的選擇方案之一。

Energy Saving Renovation of
Port Tire Hanging Hybrid Power Supply

Yuan Ronglin
Shanghai Port Group Zhendong Branch

Tire hanging is the main equipment in port container,which contributes main energy consumption. Energy saving task of tire hanging is also one of important port container energy saving task. Shanghai port uses electric power to drive electric hanging tire,but electric hanging lacks flexible transition so that hybrid hanging tire is energy saving means. Hybrid compares electric power to hang tire,which has high energy saving ratio and flexible transition. Hybrid hanging tire is energy saving and environment-friendly so that becomes developing trend at port.

Port,RTG,Energy Saving,Hybrid Power Supply RTG,Environment-Friendly

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.04.011