關(guān)于節(jié)能減排技術(shù)在港口起重設(shè)備節(jié)能中的討論

鮑永國(guó) 李敏

（天津港匯盛碼頭有限公司，天津 300457）

一、前言

港口是交通運(yùn)輸?shù)闹匾修D(zhuǎn)集散地，是能源消耗大戶(hù)，因而節(jié)能減排已成為港口管理者的重要工作之一。因此研討港口的節(jié)能減排對(duì)港口的節(jié)能減排工作至關(guān)重要。

二、港口起重設(shè)備能耗方式

1．勢(shì)能損耗

起重搬運(yùn)的負(fù)載質(zhì)量大，一般都有數(shù)噸到數(shù)十噸重。由于負(fù)載質(zhì)量大、位置高，因而具有很大的勢(shì)能。尤其是岸邊集裝箱起重機(jī)，起升高度大，運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生很大的重力勢(shì)能。

能源消耗是港口工程機(jī)械的經(jīng)常性主要費(fèi)用項(xiàng)目，降低能源消耗對(duì)降低裝卸成本具有相當(dāng)大的意義。特別是當(dāng)今資源日益趨緊的形勢(shì)下，企業(yè)在設(shè)計(jì)和購(gòu)買(mǎi)新的工程機(jī)械時(shí)，將會(huì)越來(lái)越多地注意動(dòng)力的選擇和降低能源消耗的問(wèn)題。

2.慣性制動(dòng)能量損耗

在港口流動(dòng)機(jī)械中，貨物被提升后再下降，其下降運(yùn)動(dòng)是靠機(jī)械勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的，但又不允許其自由下降，因此通過(guò)能耗制動(dòng)把多余的機(jī)械能進(jìn)行消耗。由于采用柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組供電，在RTG負(fù)載下降的過(guò)程中回饋的能量只能通過(guò)變頻器的制動(dòng)電阻以發(fā)熱的形式消耗掉，造成了能量的大量浪費(fèi)。這是其他設(shè)備不具備的再生能量，經(jīng)初步測(cè)算，可利用的能量占所消耗能量的比值高達(dá)42%（該值為考慮了機(jī)械和沖放電等因素后的數(shù)據(jù)），節(jié)能潛力巨大。

3.空閑運(yùn)行能量損耗

以發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的工程機(jī)械,為滿足不同工況的要求,特別是港口作業(yè)極端工況的要求,其發(fā)動(dòng)機(jī)的功率配置都很大,造成其排量大,空耗耗能?chē)?yán)重的缺點(diǎn)。如輪胎式起重機(jī),根據(jù)其作業(yè)工況,設(shè)備無(wú)論是在作業(yè)還是在待機(jī)狀態(tài)，無(wú)論從事何種動(dòng)作，起重貨物的重量如何，柴油發(fā)電機(jī)組都要一直以一個(gè)額定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，使大量的燃料白白浪費(fèi)掉。因此,配置大容量發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)存在較大節(jié)能空間。

4.安全性配置能量損耗

受技術(shù)限制，以發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的工程機(jī)械，為滿足不同工況的要求，特別是港口作業(yè)極端工況的要求，其發(fā)動(dòng)機(jī)的功率配置都很大，造成其排量大，空耗耗能?chē)?yán)重的缺點(diǎn)。另外由于系統(tǒng)采用大容量發(fā)動(dòng)機(jī)的配置，而起重機(jī)工作工況經(jīng)常是吊運(yùn)額定負(fù)載以下的貨物，處于較小功率需求的情況，造成發(fā)動(dòng)機(jī)處于較低的運(yùn)行效率，造成能量的浪費(fèi)，對(duì)環(huán)境的污染也較為嚴(yán)重。

三、目前常見(jiàn)的起重設(shè)備節(jié)能減排技術(shù)

1.雙動(dòng)力輪胎式起重機(jī)

隨著國(guó)際原油市場(chǎng)的動(dòng)蕩及燃油價(jià)格的不斷上揚(yáng)，輪胎吊的運(yùn)行成本不斷攀升，給各碼頭公司帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。RTG“油改電”，在目前石油價(jià)格高昂的背景下，具有很大的成本優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，電動(dòng)RTG在作業(yè)過(guò)程中柴油發(fā)電機(jī)組處于關(guān)閉狀態(tài)，沒(méi)有柴油機(jī)組尾氣排放和發(fā)出的噪聲，也沒(méi)有柴油機(jī)對(duì)RTG整機(jī)結(jié)構(gòu)造成的振動(dòng)，RTG司機(jī)的操作環(huán)境得到極大改善。RTG油改電原理是在保留原有柴油發(fā)電機(jī)組的情況下增加一套市電供電裝置。在作業(yè)時(shí)采用外接電源供電，需要轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，再啟用柴油發(fā)電機(jī)組，該形式能夠達(dá)到很好的節(jié)能效果。

2.帶儲(chǔ)能器的混合動(dòng)力輪胎式起重機(jī)

常規(guī)RTG的起重機(jī)在放下集裝箱時(shí)會(huì)釋放勢(shì)能能量，這一部分能量并沒(méi)有在效地利用起來(lái)，而是浪費(fèi)了。混合動(dòng)力輪胎吊就是將起重機(jī)下放物體釋放的能量收集起來(lái)，轉(zhuǎn)化為電力，然后在需要時(shí)重新提供給起重機(jī)。再生能量采用超級(jí)電容進(jìn)行存儲(chǔ)。這種輪胎吊不僅節(jié)能環(huán)保，而且可以保持常規(guī)輪胎吊操作靈活的優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)技術(shù)的核心是在原有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，讓輪胎吊加裝一臺(tái)智能電氣控制裝置，該裝置將時(shí)刻“監(jiān)視”輪胎吊的工作情況。

混合動(dòng)力輪胎吊工作原理見(jiàn)圖1

圖1 混合動(dòng)力RTG的工作原理

混合動(dòng)力系統(tǒng)主要由小功率柴油發(fā)電機(jī)組、超級(jí)電容和DC／DC控制器組成，超級(jí)電容和DC／DC控制器為關(guān)鍵設(shè)備。將超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)雙向DC—DC變換器系統(tǒng)并聯(lián)在變頻器的直流母線上，利用直流母線監(jiān)測(cè)電壓變化范圍，在電壓上升時(shí)充電，在電壓下降時(shí)放電。混合動(dòng)力輪胎吊的油耗成本僅為常規(guī)RTG的63%，節(jié)油率可達(dá)30%以上。經(jīng)過(guò)混合動(dòng)力改造的輪胎吊一年可節(jié)油幾萬(wàn)升，成本大為降低，經(jīng)濟(jì)效益明顯。此外混合動(dòng)力RTG的尾氣排放可下降50%以上；并且柴油機(jī)發(fā)電機(jī)的噪聲也可減小不少；柴油機(jī)發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間可減少，可有效地提高運(yùn)作效率。具有較好的社會(huì)效益。

3.門(mén)式起重機(jī)上的變頻回饋單元

門(mén)機(jī)調(diào)速經(jīng)歷了定子串電阻、直流、交流變頻幾個(gè)階段，在過(guò)去的門(mén)機(jī)控制理念上對(duì)電機(jī)被反拖情況下所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)采取的手段都是消耗在外接電阻上，來(lái)平衡電機(jī)的正常工作，這種情況下電機(jī)運(yùn)行中所產(chǎn)生的能量被無(wú)償?shù)乩速M(fèi)在電阻上。

常用傳統(tǒng)的門(mén)式起重機(jī)調(diào)速方法有：①繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；②繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速；③繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速等。上述3種門(mén)式起重機(jī)采用傳統(tǒng)交流調(diào)速方法的共同缺點(diǎn)是，調(diào)速系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)較差，效率較低；繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)有集電環(huán)和電刷，它們要求定期維護(hù)，由集電環(huán)和電刷引起的故障較為常見(jiàn)，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量較大，調(diào)速系統(tǒng)的故障率較高。

變頻器能在很寬范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速。可以根據(jù)需要自由設(shè)定加減速時(shí)間；基頻以下可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上可實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速；良好的低速力矩特性使電機(jī)在起動(dòng)和加速時(shí)可獲得足夠大且平滑的加速度；制動(dòng)單元采用能耗電阻的接入使電機(jī)在減速和停車(chē)時(shí)能夠獲得足夠的制動(dòng)力矩和實(shí)現(xiàn)零速抱閘。變頻器的上述特性保證了變頻調(diào)速系統(tǒng)具有很好的速度響應(yīng)性能。

四、幾種節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用對(duì)比總結(jié)

輪胎吊雙動(dòng)力油改電高架滑觸線方案和磁滯連軸器電纜卷筒方案節(jié)能效果相近。經(jīng)過(guò)工程應(yīng)用驗(yàn)證，電力驅(qū)動(dòng)的RTG(ERTG)能耗下降30%以上，基本無(wú)廢氣排放，運(yùn)行成本可下降65%，噪聲可下降50%以上。因此，盡管當(dāng)時(shí)集裝箱碼頭“油改電”項(xiàng)目需要一次性投入較大的資金，但一般都可以在3年左右的時(shí)間里全部收回，并在今后創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。其缺點(diǎn)是雙動(dòng)力轉(zhuǎn)換比較繁瑣，不太適用于輪胎吊這樣流動(dòng)性強(qiáng)，轉(zhuǎn)場(chǎng)頻繁的起重設(shè)備。

混合動(dòng)力節(jié)能方式能滿足生產(chǎn)要求，比普通RTG標(biāo)準(zhǔn)箱節(jié)油約30%：同時(shí)減少?gòu)U氣排放，節(jié)能減排效果明顯。由于頻繁充放電影響電容壽命，目前僅對(duì)起升機(jī)構(gòu)再生制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用。混合動(dòng)力RTG既節(jié)能又環(huán)保，對(duì)港口企業(yè)節(jié)能減排、增收節(jié)支具有積極的意義。

采用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的無(wú)級(jí)和無(wú)觸點(diǎn)控制，使門(mén)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)、制動(dòng)，從而減輕了各個(gè)機(jī)構(gòu)在機(jī)械起、制動(dòng)時(shí)對(duì)門(mén)機(jī)機(jī)械部分造成的沖擊，延長(zhǎng)了門(mén)機(jī)機(jī)械部分的壽命，使門(mén)機(jī)的單耗下降20%左右。

五、總結(jié)

我們?cè)趧?chuàng)新上有了新的體會(huì)，創(chuàng)新不僅局限于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)創(chuàng)造，針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化以適應(yīng)環(huán)境的實(shí)際需要，達(dá)到了服務(wù)生產(chǎn)的目的，能夠創(chuàng)造效益，這同樣也是創(chuàng)新。我們將通過(guò)項(xiàng)目的應(yīng)用繼續(xù)展開(kāi)完善、優(yōu)化的工作。

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