節能型門座起重機起升機構的能耗分析與能效檢測

孫振寧 邱俊霖 梁 浩

中交第四航務工程勘察設計院有限公司

1 引言

門座起重機(以下簡稱門機)作為一種常見的重型裝卸設備，在港口、內河碼頭以及修造船廠等重要場所應用普遍。其重量大，能耗比較高。目前門機的節能改造，多針對其起升機構，采用超級電容或蓄電池等儲能元件將貨物下降過程中產生的勢能回收儲存，并用于貨物的再提升，從而達到節能降耗的效果[1-2]。為測試該種節能裝置的實際使用效果，選取國內某礦石碼頭一臺MQ4040抓斗門機為測試對象，依據我國交通行業標準《港口電動式起重機能源利用效率檢測方法》(JT/T314-2009)，制定出適用于節能型門機的能效檢測方案，并對其能效進行對比分析。

2 能效概述及能耗分析

2.1 能效概述

能效即能源利用效率，表示在能源利用過程中，發揮有效作用的能量與實際工作過程消耗的能量之比[3]。發揮有效作用的這部分能量稱為有效能，實際消耗的能量稱為供給能。能效值計算見式(1)。

η=E有效/E供給×100%

(1)

對門機而言，起升機構的有效能是指起重機按工藝要求完成物體位移時理論上消耗的能量[4]。有效能可以通過理論計算而得出，而供給能則需要通過檢測獲得。

2.2 起升機構能耗分析

起升機構一個完整作業循環，可劃分為起升階段和下降階段。

起升階段，電機需外電網供給電能，通過電機驅動傳動系統，帶動貨物上升。該過程能量依次經過動能、機械能，最后轉化為貨物的勢能，該部分能量視為起升機構的有效能。起升過程能量流向見圖1。

圖1 起升過程能量流向

下降階段跟起升階段能量流向相反，該過程不需要從外電網汲取電能，勢能作為帶動貨物下降的驅動能，經過傳動系統，帶動起升電機反向運轉，產生回饋電能。對于普通門機而言，這部分回饋電能一部分通過制動電阻以熱能的形式消耗，另一部分則通過制動器以摩擦損耗的形式消耗；而對于安裝有節能裝置的節能型門座起重機而言，則可將這部分能量回收，用于再提升操作。下降過程能量流向見圖2。

圖2 下降過程能量流向

起升機構完成1個測試循環，一般需要檢測重載工況、空載工況和單獨開閉斗3種工況，除開閉斗工況外，重載和空載工況均包括起升和下降兩個階段。3種不同工況的有效能為重載或空載起升階段和抓斗閉合階段所產生的勢能。

重載提升階段，負載(包括抓斗和貨物)起升至規定測試起升高度，該過程增加的勢能為：

E1=9 800(m+m1)h

(2)

式中，m為貨物質量，t；m1為抓斗質量，t；h為測試起升高度，m。

空載提升階段，負載(僅包括抓斗)起升至規定測試高度，該過程增加的勢能為：

E2=9 800m1h

(3)

抓斗閉合階段，抓斗與貨物重心高度會有一定提升，所產生的勢能為：

E3=9 800(m+m1)(h1-h2)

(4)

式中，h1為抓斗打開狀態時斗尖距上承梁的垂直間距，m；h2為抓斗閉合后斗尖距上承梁的垂直間距，m。

起升機構在1個測試循環中，總有效能可按式(5)計算。

Eqs=E1+E2+E3=9 800(m+m1)(h+h1-h2)+9 800m1h

(5)

3 能效檢測方案

3.1 測試要求及樣機概況

依據我國交通行業標準JT/T314-2009《港口電動式起重機能源利用效率檢測方法》，檢測時風速應小于3 m/s，整機傾斜度不大于2.5%，測試載荷質量與規定值偏差不大于±5%；同時測試期間，機上輔助設備(空調、電梯等)應停止運轉，各種測量儀器在合格期內且能正常使用。

本次檢測，測試樣機為國內某礦石碼頭1臺節能型門機，額定起重量40 t，幅度40 m，節能裝置為超級電容型，起升機構詳細參數見表1。

表1 MQ4040起升機構參數表

3.2 檢測儀器

考慮到門機采用三相交流電路，為方便、準確地采集能耗數據，選用Fluke手持式三相功率計搭配鉗形電流表來獲取功率、電壓電流和諧波等數據；同時用秒表、卷尺記錄工作時間和測試起升高度等數據，現場檢測儀器詳情見表2。

表2 測量儀器匯總表

3.3 檢測項目

在滿足上述基本檢測條件后，針對起升機構依次開展速度檢測和供給能檢測。速度檢測的目的是檢測節能裝置對起升機構工作性能的影響，通過節能型門機與普通門機的起升速度對比，檢驗節能裝置的使用是否會對起升機構的運行速度造成衰減[5-6]。供給能檢測，一方面為計算能效值提供數據支持，另一方面也可直觀的體現節能型門機的節能效果，使用功率分析儀采集起升機構在1個測試周期內的供給能數據，并與同型號普通門機供給能數據做對比，理論上節能型門機起升機構完成1個測試循環所需供給能應小于普通門機。

3.4 檢測步驟

3.4.1 速度檢測步驟

在進行速度檢測時，節能型門機與普通門機需保持相同的起重量和起升高度，司機室駕駛員需將操作手柄置于相同或最大檔位，分別記錄起升機構的提升和下降的運行時間，循環測5次。

3.4.2 供給能檢測步驟

供給能檢測，需采集門機起升機構在完成1個完整工作循環內的供給能數據。該循環包括重載工況(起升+下降)、空載工況(起升+下降)和開閉斗工況，詳細測試步驟如下：

(1)重載狀態，抓斗抓取貨物從測試起點位置提升至規定測試高度(此處測試高度取12 m)。

(2)重載狀態，抓斗從規定測試高度下降至測試起點位置。

以上步驟為重載工況，循環測試5次。

(3)空載狀態，抓斗從測試起點位置提升至規定測試高度(此處測試高度取12 m)。

(4)空載狀態，抓斗從規定測試高度下降至測試起點位置。

以上步驟為空載工況，循環測試5次。

(5)開閉斗工況，抓斗在料堆上連續開閉作業5次，實現抓取物料和灑料操作。

3.5 檢測數據收集

依據上述檢測方案，針對節能型門機和普通門機，分別檢測起升機構的速度、能耗數據，記錄見表3、4。

表3 速度檢測工況及數據

4 能效計算與數據分析

4.1 數據對比分析

由表3的測試數據可知：在相同測試起重量和測試高度的前提下，節能型門機平均起升速度為55.81 m/min，平均下降速度為56.25 m/min；普通門機平均起升速度為55.47 m/min，平均下降速度為56.91 m/min。對比可知，兩種類型門機的起升和下降速度差別不大，說明節能裝置并未對起升機構的工作性能產生負面影響。

根據表4中供給能對比數據可知，相對于普通門機，節能型門機起升機構完成1個工作循環，可節省約45%的電能，說明節能裝置的節能效果明顯。

表4 供給能檢測數據

4.2 能效計算

根據起升機構有效能計算公式，可得在測試起重量為36 t，抓斗質量15 t，測試起升高度為12 m工況下的有效能為Eqs=6.761 6×103kJ。根據表4中的供給能數據，可計算得普通門機完成1個工作循環的供給能Eg1=(2.888+2.894)÷2×3 600×103=10.407 6×103kJ，節能型門機完成1個工作循環的供給能Eg2=(1.63+1.583)÷2×3 600×103=5.783 4×103kJ。由此可得普通門機的能效值η普通=Eqs/Eg1=64.9%，節能型門機的能效值η節能=Eqs/Eg2=116.9%，節能型門機的能量利用效率明顯高于普通門機。

5 結語

節能型門座起重機的節能降耗效果顯著，其起升機構可節省約45%的電能，能效值提高了近50%，同時起升機構各項性能均維持正常。該能耗檢測方案適用于節能型門座起重機，能有效檢測其節能效果，對該類型門機的檢測具有一定的指導意義。