試論“港口起重機(jī)位能負(fù)載能量回收及自循環(huán)利用管理系統(tǒng)”在港口生產(chǎn)中的應(yīng)用

一、前言

在港口裝卸生產(chǎn)中起重設(shè)備占有非常重要的地位。無論是碼頭前沿還是后方堆場的裝卸作業(yè)中都少不了起重機(jī)的參與。特別是碼頭裝卸船舶作業(yè)中起重機(jī)是必不可少的一個節(jié)點，起重機(jī)工作效率的高低直接影響著生產(chǎn)作業(yè)的效率。在生產(chǎn)成本中起重機(jī)的能耗控制一直以來也是港口降本增效主抓的重點，因此，根據(jù)起重機(jī)的自身工作結(jié)構(gòu)特點把“起重機(jī)位能負(fù)載能量回收及自循環(huán)利用管理系統(tǒng)”應(yīng)用到營口港口的起重機(jī)上，一方面可以盡量降低起重機(jī)工作能耗，另一方面也是積極響應(yīng)國家正在開展的綠色港口建設(shè)工程要求加快推進(jìn)綠色循環(huán)低碳交通運輸體系工作。

二、開展綠色港口建設(shè)的背景及意義

（一）開展綠色港口建設(shè)的背景：根據(jù)2011年國家交通運輸部發(fā)布的《關(guān)于印發(fā)<建設(shè)低碳交通運輸體系指導(dǎo)意見>和<建設(shè)低碳交通運輸體系試點工作方案>的通知》提出“建設(shè)低碳交通運輸體系是加快推進(jìn)現(xiàn)代交通運輸業(yè)發(fā)展的重要主題，要努力建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型行業(yè)，加快建立以低碳為特征的交通運輸體系”。2011年4月發(fā)布的《交通運輸“十二五”發(fā)展規(guī)劃》明確指出“必須樹立綠色、低碳發(fā)展理念，以節(jié)能減排為重點，加快形成資源節(jié)約、環(huán)境友好的交通發(fā)展方式和消費模式，構(gòu)建綠色交通運輸體系，實現(xiàn)交通運輸發(fā)展與資源環(huán)境的和諧統(tǒng)一”。

（二）開展綠色港口建設(shè)的意義主要是：1.提升港口在沿海港口群中的競爭力，促進(jìn)港口轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要；2.與營口港在全國港口中的地位相匹配；3.在一定程度上可以減輕節(jié)能減排指標(biāo)考核的壓力。4.有利于促進(jìn)全港的能源管理體系健全，為爭創(chuàng)綠色港口打下堅實的基礎(chǔ)。

三、起重機(jī)位能負(fù)載能量回收及自循環(huán)利用管理系統(tǒng)的應(yīng)用

港口生產(chǎn)中起重設(shè)備占主角，能源消耗也占有非常大的比例，所以科學(xué)合理管控起重設(shè)備的能耗對創(chuàng)建綠色港口和循環(huán)利用能源是非常重要的。

（一）營口港現(xiàn)用的港口起重機(jī)設(shè)備的種類、工作及能源消耗方式

營口港現(xiàn)在使用的起重機(jī)設(shè)備主要是以MQ型（移動式）門機(jī)為主，后方堆場使用的起重機(jī)主要是移動式龍門吊和輪胎起重機(jī)。額定起重量范圍從25t至45t不等。起重機(jī)動力源大都采用電網(wǎng)電能驅(qū)動，起重機(jī)主要是由起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、臂架系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及安全保護(hù)裝置等部分組成。起重機(jī)能正常工作都是在電網(wǎng)電能的驅(qū)動下，轉(zhuǎn)換成運動構(gòu)件的機(jī)械能，多余的電能通過換熱電阻或機(jī)械構(gòu)件發(fā)熱散發(fā)掉了。

（二）本管理系統(tǒng)應(yīng)用的背景

主要有兩方面原因：一個是根據(jù)營口港建設(shè)綠色港口發(fā)展循環(huán)低碳項目的需要，二是由于港口裝卸要求起重設(shè)備作業(yè)速率快、能耗低、貨物在場地堆存周期短。通過統(tǒng)計相關(guān)的數(shù)據(jù)，可以明顯看出機(jī)械公司單噸電能消耗每年成本約在0.15元左右，按照當(dāng)年實現(xiàn)起運噸的量計算每年的電費都在700萬元左右，這僅是固機(jī)并沒有把流動機(jī)械的耗油成本統(tǒng)計在內(nèi)。

（三）本系統(tǒng)的工作原理

目前起重機(jī)主要使用兩種能量源：電網(wǎng)電能及內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)組。傳統(tǒng)的起重機(jī)由電網(wǎng)電能或內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)組提供能量，通過傳動系統(tǒng)，將能量轉(zhuǎn)化成為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動能，執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)物品的提升從而將動能轉(zhuǎn)化成為物品的勢能；當(dāng)物品下降時，物品釋放的勢能轉(zhuǎn)化成為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動能，通過電機(jī)制動與機(jī)械制動轉(zhuǎn)化成為熱能，由制動器或電阻消耗掉。傳統(tǒng)起重機(jī)作業(yè)時，物品下降釋放的能量作為“無效能量”絕大部分以熱能的形式被消耗，導(dǎo)致能源的浪費。我們研發(fā)的”起重機(jī)位能負(fù)載能量回收及自循環(huán)利用管理系統(tǒng)”。通過優(yōu)化起重機(jī)作業(yè)時的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，實現(xiàn)了“無效能量”的回收、利用。

將驅(qū)動工作機(jī)構(gòu)的電機(jī)由單一電機(jī)拆分為主電機(jī)與組態(tài)電機(jī)（輔助電機(jī)）。主電機(jī)與組態(tài)電機(jī)共同組成同軸雙樞電動機(jī)，其中，主電機(jī)由電網(wǎng)電能或發(fā)電機(jī)組提供電源，組態(tài)電機(jī)由儲能單元提供電源。當(dāng)重物上升時，由主電機(jī)和組態(tài)電機(jī)共同提供電能；當(dāng)重物下降釋放能量時，由組態(tài)電機(jī)提供制動力矩，組態(tài)電機(jī)將重物下降回饋的能量（“無效能量”）轉(zhuǎn)換為電能由儲能單元吸收，在起重機(jī)下一循環(huán)起升作業(yè)時作為驅(qū)動組態(tài)電機(jī)的能量釋放出來，與主電機(jī)共同提升貨物，實現(xiàn)能量的回收、利用。考慮系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率、起重機(jī)載荷及工況的隨機(jī)性，根據(jù)儲能單元的狀態(tài)，系統(tǒng)設(shè)置有輔助充電系統(tǒng)，適時為儲能單元補充能量，以保證起重機(jī)正常穩(wěn)定運行。

（四）本系統(tǒng)的核心技術(shù)及創(chuàng)新點

本系統(tǒng)的核心技術(shù)在于有效地、最大限度地實現(xiàn)起重機(jī)位能負(fù)載能量的回收并在起重機(jī)任何復(fù)雜的工況下能夠適時實現(xiàn)高效率地能量轉(zhuǎn)換。我們通過以下創(chuàng)新完全掌握了以上核心技術(shù)：

1.采用位能負(fù)載能量回收管理系統(tǒng)實現(xiàn)能量的智能化管理

起重機(jī)械是一種循環(huán)、間歇運動的機(jī)械，用來垂直升降貨物或兼作貨物的水平移動，以滿足貨物的裝卸、轉(zhuǎn)載和安裝等作業(yè)要求。當(dāng)貨物上升時，工作機(jī)構(gòu)的電動機(jī)需從電網(wǎng)或燃油發(fā)電機(jī)組吸收能量，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，實現(xiàn)貨物垂直方向的位移，最終將能量轉(zhuǎn)換成為貨物的位能；貨物下降時釋放位能，采用燃油發(fā)電機(jī)組作為原動力的傳統(tǒng)起重機(jī)，由于其能量的轉(zhuǎn)換不具備可逆性（燃油可通過發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)換為電能，而回饋的電能不可能轉(zhuǎn)換成為燃油），是將貨物下降過程和電機(jī)制動的能量轉(zhuǎn)變成熱能，消耗在電阻或制動器上，既浪費了能源，又增加了維護(hù)成本，還縮短了機(jī)構(gòu)傳動的零部件壽命，且具有噪音大、振動大等缺點；當(dāng)采用外接電網(wǎng)作為原動力時，貨物下降過程的能量回收可采用逆變方式直接回饋到電網(wǎng)，但節(jié)能效果難以體現(xiàn)在同一設(shè)備上，且諧波污染不同程度的降低了供電質(zhì)量并影響供電裝置的穩(wěn)定性，嚴(yán)重的還會影響到起重設(shè)備的正常使用。另外，即使采用具備能量回饋功能的控制裝置，也必須滿足最大拖動功率要求，因此，無論是否具有能量回饋功能，起重設(shè)備從電網(wǎng)吸收的能量是相同的，再之具備能量回饋功能的裝置成本高，營運成本居高不下，技術(shù)維護(hù)困難等，因此限制了它的應(yīng)用。位能負(fù)載能量回收管理系統(tǒng)，是將貨物釋放的位能轉(zhuǎn)換成電能儲存在儲能單元，當(dāng)貨物上升時，儲能單元為同一工作機(jī)構(gòu)同軸雙樞電機(jī)提供電源，實現(xiàn)位能能量的自循環(huán)再利用，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。當(dāng)起重機(jī)采用燃油發(fā)電機(jī)組作為原動力時，該系統(tǒng)解決了其能量轉(zhuǎn)換不可逆的問題，當(dāng)起重機(jī)采用外接電網(wǎng)作為原動力時，位能能量回饋與電網(wǎng)無關(guān)，從而消除了諧波污染對電網(wǎng)與設(shè)備產(chǎn)生的不利影響；采用位能負(fù)載能量回收管理系統(tǒng)時，節(jié)能效果體現(xiàn)在同一設(shè)備上，經(jīng)過理論研究統(tǒng)計結(jié)果，位能負(fù)載能量回收效率為37%～63%，同時我們還在港口設(shè)備上進(jìn)行了實際應(yīng)用，大量的試驗證明實際能量回收效率為50%以上，驗證了理論研究的正確性。當(dāng)起重機(jī)采用燃油發(fā)電機(jī)組作為原動力時，原動機(jī)功率可減小40%，不僅降低了原動機(jī)油耗，還提高了原動機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，減小了有害氣體的排放及噪音污染；當(dāng)起重機(jī)采用外接電網(wǎng)作為原動力時，起重機(jī)輸入功率可降低40%，有效降低了能源消耗。

2.采用同軸雙樞電機(jī)驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)能量的高效率轉(zhuǎn)換

在”起重機(jī)位能負(fù)載能量回收及自循環(huán)利用管理系統(tǒng)”中，起重機(jī)各工作機(jī)構(gòu)均采用同軸雙樞電機(jī)復(fù)合驅(qū)動，同軸雙樞電機(jī)由主電機(jī)和組態(tài)電機(jī)組成，主電機(jī)額定功率只有工作機(jī)構(gòu)凈功率的66%，組態(tài)電機(jī)額定功率為機(jī)構(gòu)凈功率的50%；一般而言，電動機(jī)在空載或輕負(fù)載時，其轉(zhuǎn)換效率極低，只有20%～30%，效率隨著負(fù)載的增加而增加，在額定負(fù)載附近，效率達(dá)到最高，一般滿載時的效率可到75%～92%；對于傳統(tǒng)起重機(jī)，電機(jī)功率均應(yīng)滿足極端工況下工作機(jī)構(gòu)凈功率的要求，而在起重機(jī)實際作業(yè)工況中，由于負(fù)載的隨機(jī)性，電動機(jī)往往工作在效率較低的區(qū)間；采用同軸雙樞電機(jī)復(fù)合驅(qū)動，既保證了非額定負(fù)荷主電動機(jī)的高效運行，又滿足了起重機(jī)的極端工況要求。而在貨物下降時，其釋放的能量完全依靠組態(tài)電機(jī)實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，從而保證了能量轉(zhuǎn)換效率，根據(jù)我們的試驗數(shù)據(jù)，其能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到80%以上。

3.各工作機(jī)構(gòu)均采用組態(tài)電機(jī)實現(xiàn)能量的重復(fù)利用

在“起重機(jī)位能負(fù)載能量回收及自循環(huán)利用管理系統(tǒng)”中，各工作機(jī)構(gòu)采用組態(tài)電機(jī)實現(xiàn)能量的回收與重復(fù)利用；組態(tài)電機(jī)一般采用直流串勵電動機(jī)，利用直流串勵電動機(jī)良好的負(fù)荷自適應(yīng)性能，可實現(xiàn)組態(tài)電動機(jī)與主電動機(jī)不同形式的組合，主電機(jī)可以是直流電動機(jī)，也可以是交流電動機(jī)，通過控制系統(tǒng)，保證組態(tài)電機(jī)與主電機(jī)的高效自適應(yīng)復(fù)合驅(qū)動，因此極大的拓展了“起重機(jī)位能負(fù)載能量回收及自循環(huán)利用管理系統(tǒng)”應(yīng)用范圍，該系統(tǒng)既可方便的應(yīng)用于現(xiàn)有起重機(jī)的節(jié)能改造，又能與新開發(fā)的起重機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行融合與對接。

四、該應(yīng)用系統(tǒng)存在的問題及改進(jìn)方法

目前“起重機(jī)位能負(fù)載能量回收及自循環(huán)利用管理系統(tǒng)”中能量儲存單元的材料主要是選用超級電容，其工作可靠性、穩(wěn)定性及耐用性均能滿足使用要求。但仍存在以下問題需改進(jìn)：

由于超級電容在國內(nèi)仍屬電子新產(chǎn)品，國內(nèi)能生產(chǎn)的廠家不多，目前價格昂貴。如配置到一臺30噸港口輪胎式起重機(jī)上，將使這種型號的起重機(jī)采購成本增加15萬元，整機(jī)價格提升約10%。如果配置到節(jié)能改造的舊機(jī)型上其采購成本與設(shè)備凈值的比值將會更高。這些原因都是項目成果推廣轉(zhuǎn)換的不利因素。解決問題的辦法除了寄希望超級電容象大部分電子產(chǎn)品一樣，更新?lián)Q代較快降價幅度大。但目前主要還是希望政府在政策上予以扶持，項目成果推廣后節(jié)能效果十分顯著，如國家對綠色港口建設(shè)給予資金補貼，將會極大地調(diào)動能源消耗大的企業(yè)積極投入資金研發(fā)節(jié)能設(shè)備。