邱濤

輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)（以下簡稱“輪胎吊”）是專業(yè)化集裝箱碼頭堆場的主力設(shè)備，其在用數(shù)量占在用場橋總數(shù)量的85%左右。與軌道吊相比，輪胎吊具有價格較低和機(jī)動性較強(qiáng)的優(yōu)勢，因而受到各大集裝箱碼頭的青睞。按照供能方式的不同，輪胎吊分為市電輪胎吊、柴油發(fā)動機(jī)輪胎吊和油電混合動力輪胎吊。市電輪胎吊通過電纜卷盤或滑觸線供電，使用成本較低;但其機(jī)動性較差，不能滿足轉(zhuǎn)場作業(yè)需求。柴油發(fā)動機(jī)輪胎吊由設(shè)備自帶的柴油發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)組為設(shè)備供電，轉(zhuǎn)場機(jī)動性較強(qiáng);但為了滿足輪胎吊起升、小車、大車等機(jī)構(gòu)滿載運(yùn)行時的峰值功率，需要配置大功率柴油發(fā)動機(jī)，使得其使用成本高昂。一方面，在實際作業(yè)過程中，輪胎吊很少全功率運(yùn)行，小車和大車的實際運(yùn)行功率僅70～90 kW，同時起升吊箱也不會經(jīng)常滿載，這使得柴油發(fā)動機(jī)輪胎吊在實際運(yùn)行過程中功率過剩，從而產(chǎn)生能源浪費(fèi);另一方面，柴油發(fā)動機(jī)無法回收起升機(jī)構(gòu)下降和各機(jī)構(gòu)減速過程中的多余能耗，這使得輪胎吊排放超標(biāo)。在此背景下，油電混合動力輪胎吊應(yīng)運(yùn)而生，有效避免市電輪胎吊機(jī)動性差和柴油發(fā)動機(jī)輪胎吊能耗高、污染大等問題，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

1 油電混合動力輪胎吊結(jié)構(gòu)

油電混合動力輪胎吊配備超級電容、飛輪或蓄電池等儲能單元，遵循能量守恒定律，利用能量反饋回收機(jī)制給儲能單元蓄電，以儲能單元中的電能為動力來源，節(jié)能效果十分明顯。[1]本文涉及的油電混合動力輪胎吊配備安川電控系統(tǒng)和東芝鋰電池儲能裝置。與柴油發(fā)動機(jī)輪胎吊相比，油電混合動力輪胎吊增設(shè)電池房。電池房內(nèi)裝配3組共135 A h東芝鋰電池組、安川D1000整流器、恒壓恒頻逆變器、濾波器及可編程邏輯控制器模塊等。鋰電池組由23個Type3-23電池模塊串聯(lián)組成，提供660 V直流電壓;每個電池模塊有獨(dú)立的通信接口，以便將電池狀態(tài)反饋給電控系統(tǒng)。此外，油電混合動力輪胎吊配備東風(fēng)康明斯120 kW柴油發(fā)動機(jī)來替代傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)輪胎吊的大功率柴油發(fā)動機(jī)，同時配備較小功率發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)輸出功率為106 kW。

2 油電混合動力輪胎吊工作原理

油電混合動力輪胎吊鋰電池系統(tǒng)供電方式如下：鋰電池系統(tǒng)將直流電源供給電控系統(tǒng)，并將逆變后的、50 Hz交流電源供給輔助系統(tǒng)。120 kW柴油發(fā)動機(jī)帶動106 kW發(fā)電機(jī)輸出400 V、50 Hz交流電源為鋰電池充電，并配合發(fā)動機(jī)啟停技術(shù)，將鋰電池電量控制在額定電量的43%～74%（該范圍內(nèi)電池工作效率最高）。油電混合動力輪胎吊鋰電池系統(tǒng)充電過程如下：發(fā)動機(jī)啟動后，即開始為鋰電池充電;當(dāng)鋰電池電量達(dá)到額定電量的74%時，電控系統(tǒng)發(fā)出指令使發(fā)動機(jī)停止運(yùn)行，輪胎吊待機(jī)和作業(yè)電能均由鋰電池提供;當(dāng)鋰電池電量消耗至額定電量的43%時，電控系統(tǒng)發(fā)出指令重新啟動發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)輸出電能;電能通過濾波器后由安川D1000整流器輸出660 V直流電為鋰電池充電。

輪胎吊待機(jī)時的耗能狀態(tài)與工作時的耗能狀態(tài)有所不同。在輪胎吊待機(jī)狀態(tài)下：鋰電池輸出660 V直流電源，并由安川恒壓恒頻逆變器將其逆變?yōu)?40 V、50 Hz交流電源供給變壓器;變壓器輸出220 V或110 V交流電源供電氣元件和可編程邏輯控制器電控系統(tǒng)使用。上述過程中，恒壓恒頻逆變器輸出恒壓恒頻電源，配合蓄電池構(gòu)成不間斷電源或應(yīng)急電源，以防突然斷電。在輪胎吊工作狀態(tài)下，鋰電池在輸出660 V直流電源的同時接入直流母線，供起升、小車和大車機(jī)構(gòu)變頻器使用，并通過變頻器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，由電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為動能驅(qū)動起升、小車和大車機(jī)構(gòu)運(yùn)行;當(dāng)各機(jī)構(gòu)需要減速至停止時，電機(jī)將各機(jī)構(gòu)的動能和勢能轉(zhuǎn)化為電能反饋至直流母線，并為鋰電池充電。輪胎吊的使用功率由鋰電池控制，從而保證柴油發(fā)動機(jī)運(yùn)行功率相對穩(wěn)定，有利于延長柴油發(fā)動機(jī)使用壽命。[2]

柴油發(fā)動機(jī)與鋰電池組合動力系統(tǒng)具有很高的靈活性：當(dāng)柴油發(fā)動機(jī)發(fā)生故障時，可以由鋰電池為電控系統(tǒng)和電機(jī)供電;當(dāng)鋰電池發(fā)生故障時，可以由柴油發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)組供電，或者由3組鋰電池中工作正常的鋰電池供電?？傊泊娍叵到y(tǒng)和東芝鋰電池儲能裝置能夠確保輪胎吊邊作業(yè)邊充電，在應(yīng)急情況下能保證輪胎吊移機(jī)的方便性，避免延誤碼頭作業(yè)。

3 油電混合動力輪胎吊的優(yōu)點(diǎn)與經(jīng)濟(jì)效益

油電混合動力輪胎吊具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）作業(yè)靈活性較強(qiáng)，轉(zhuǎn)場方便，只需配備1名司機(jī)就能在多個堆場作業(yè)，從而大大節(jié)省作業(yè)時間和人工成本;（2）作業(yè)噪聲比柴油發(fā)動機(jī)輪胎吊小，有利于維護(hù)良好的堆場周邊生活環(huán)境;（3）在發(fā)動機(jī)發(fā)生故障的情況下，可以依靠鋰電池儲存的電能減速運(yùn)行至空閑場地進(jìn)行維修，從而保障碼頭作業(yè)效率;（4）氮氧化物等污染物排放明顯減少，有助于打造綠色環(huán)保碼頭;（5）經(jīng)濟(jì)效益明顯，每年比傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)輪胎吊節(jié)省能源成本37萬元左右（見圖1）。

4 油電混合動力輪胎吊日常維護(hù)

與柴油發(fā)動機(jī)輪胎吊相比，油電混合動力輪胎吊增設(shè)電池房。電池房內(nèi)的鋰電池對工作溫度有一定要求;因此，電池房內(nèi)的空調(diào)需要長時間工作，確保室內(nèi)溫度保持在18～26℃。如果電池房內(nèi)溫度過高，則會加速鋰電池老化，且電池房內(nèi)的整流器和逆變器在過溫環(huán)境下會停止運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備故障;如果電池房內(nèi)溫度過低，則會降低鋰電池效率，且低溫會導(dǎo)致水汽凝結(jié)，嚴(yán)重影響元器件使用壽命。除了須定期檢查空調(diào)外，熱感滅火器也是定期維護(hù)項目之一（見表1），以確保設(shè)備和碼頭消防安全。此外，電氣設(shè)備和發(fā)動機(jī)也應(yīng)列入輪胎吊日常維保項目，尤其是需要按照康明斯發(fā)動機(jī)保養(yǎng)手冊定期更換機(jī)油和濾芯。在定期巡檢過程中，維保人員需要做好設(shè)備維保記錄。

5 結(jié)束語

與傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)輪胎吊相比，油電混合動力輪胎吊在低碳環(huán)保、降本增效方面的優(yōu)勢明顯;與市電輪胎吊相比，油電混合動力輪胎吊的機(jī)動性更強(qiáng)，符合碼頭作業(yè)需要?？梢灶A(yù)見，未來油電混合動力輪胎吊應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1] 顧辰辰.論鋰電池在輪胎吊上的應(yīng)用[J].工業(yè)C，2016（11）：126-127.

[2] 劉宗仁. 鋰電池在集裝箱輪胎吊上的節(jié)能研究[J]. 科學(xué)與財富，2018（3）：92.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2019-03-25）