關于節能減排技術在港口起重設備節能中的討論

鮑永國 李敏

（天津港匯盛碼頭有限公司，天津 300457）

一、前言

港口是交通運輸的重要中轉集散地，是能源消耗大戶，因而節能減排已成為港口管理者的重要工作之一。因此研討港口的節能減排對港口的節能減排工作至關重要。

二、港口起重設備能耗方式

1．勢能損耗

起重搬運的負載質量大，一般都有數噸到數十噸重。由于負載質量大、位置高，因而具有很大的勢能。尤其是岸邊集裝箱起重機，起升高度大，運行過程中產生很大的重力勢能。

能源消耗是港口工程機械的經常性主要費用項目，降低能源消耗對降低裝卸成本具有相當大的意義。特別是當今資源日益趨緊的形勢下，企業在設計和購買新的工程機械時，將會越來越多地注意動力的選擇和降低能源消耗的問題。

2.慣性制動能量損耗

在港口流動機械中，貨物被提升后再下降，其下降運動是靠機械勢能驅動的，但又不允許其自由下降，因此通過能耗制動把多余的機械能進行消耗。由于采用柴油機發電機組供電，在RTG負載下降的過程中回饋的能量只能通過變頻器的制動電阻以發熱的形式消耗掉，造成了能量的大量浪費。這是其他設備不具備的再生能量，經初步測算，可利用的能量占所消耗能量的比值高達42%（該值為考慮了機械和沖放電等因素后的數據），節能潛力巨大。

3.空閑運行能量損耗

以發動機作為動力源的工程機械,為滿足不同工況的要求,特別是港口作業極端工況的要求,其發動機的功率配置都很大,造成其排量大,空耗耗能嚴重的缺點。如輪胎式起重機,根據其作業工況,設備無論是在作業還是在待機狀態，無論從事何種動作，起重貨物的重量如何，柴油發電機組都要一直以一個額定的轉速運轉，使大量的燃料白白浪費掉。因此,配置大容量發動機的系統存在較大節能空間。

4.安全性配置能量損耗

受技術限制，以發動機作為動力源的工程機械，為滿足不同工況的要求，特別是港口作業極端工況的要求，其發動機的功率配置都很大，造成其排量大，空耗耗能嚴重的缺點。另外由于系統采用大容量發動機的配置，而起重機工作工況經常是吊運額定負載以下的貨物，處于較小功率需求的情況，造成發動機處于較低的運行效率，造成能量的浪費，對環境的污染也較為嚴重。

三、目前常見的起重設備節能減排技術

1.雙動力輪胎式起重機

隨著國際原油市場的動蕩及燃油價格的不斷上揚，輪胎吊的運行成本不斷攀升，給各碼頭公司帶來沉重的負擔。RTG“油改電”，在目前石油價格高昂的背景下，具有很大的成本優勢。同時，電動RTG在作業過程中柴油發電機組處于關閉狀態，沒有柴油機組尾氣排放和發出的噪聲，也沒有柴油機對RTG整機結構造成的振動，RTG司機的操作環境得到極大改善。RTG油改電原理是在保留原有柴油發電機組的情況下增加一套市電供電裝置。在作業時采用外接電源供電，需要轉場作業時，再啟用柴油發電機組，該形式能夠達到很好的節能效果。

2.帶儲能器的混合動力輪胎式起重機

常規RTG的起重機在放下集裝箱時會釋放勢能能量，這一部分能量并沒有在效地利用起來，而是浪費了。混合動力輪胎吊就是將起重機下放物體釋放的能量收集起來，轉化為電力，然后在需要時重新提供給起重機。再生能量采用超級電容進行存儲。這種輪胎吊不僅節能環保，而且可以保持常規輪胎吊操作靈活的優勢。這項技術的核心是在原有柴油發動機的基礎上，讓輪胎吊加裝一臺智能電氣控制裝置，該裝置將時刻“監視”輪胎吊的工作情況。

混合動力輪胎吊工作原理見圖1

圖1 混合動力RTG的工作原理

混合動力系統主要由小功率柴油發電機組、超級電容和DC／DC控制器組成，超級電容和DC／DC控制器為關鍵設備。將超級電容儲能系統通過雙向DC—DC變換器系統并聯在變頻器的直流母線上，利用直流母線監測電壓變化范圍，在電壓上升時充電，在電壓下降時放電。混合動力輪胎吊的油耗成本僅為常規RTG的63%，節油率可達30%以上。經過混合動力改造的輪胎吊一年可節油幾萬升，成本大為降低，經濟效益明顯。此外混合動力RTG的尾氣排放可下降50%以上；并且柴油機發電機的噪聲也可減小不少；柴油機發電機的啟動時間可減少，可有效地提高運作效率。具有較好的社會效益。

3.門式起重機上的變頻回饋單元

門機調速經歷了定子串電阻、直流、交流變頻幾個階段，在過去的門機控制理念上對電機被反拖情況下所產生的反電動勢采取的手段都是消耗在外接電阻上，來平衡電機的正常工作，這種情況下電機運行中所產生的能量被無償地浪費在電阻上。

常用傳統的門式起重機調速方法有：①繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速；②繞線轉子異步電動機晶閘管定子調壓調速；③繞線轉子異步電動機串級調速等。上述3種門式起重機采用傳統交流調速方法的共同缺點是，調速系統的綜合性能指標較差，效率較低；繞線轉子異步電動機有集電環和電刷，它們要求定期維護，由集電環和電刷引起的故障較為常見，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現場維護量較大，調速系統的故障率較高。

變頻器能在很寬范圍內無級調速。可以根據需要自由設定加減速時間；基頻以下可實現恒轉矩調速，基頻以上可實現恒功率調速；良好的低速力矩特性使電機在起動和加速時可獲得足夠大且平滑的加速度；制動單元采用能耗電阻的接入使電機在減速和停車時能夠獲得足夠的制動力矩和實現零速抱閘。變頻器的上述特性保證了變頻調速系統具有很好的速度響應性能。

四、幾種節能減排技術應用對比總結

輪胎吊雙動力油改電高架滑觸線方案和磁滯連軸器電纜卷筒方案節能效果相近。經過工程應用驗證，電力驅動的RTG(ERTG)能耗下降30%以上，基本無廢氣排放，運行成本可下降65%，噪聲可下降50%以上。因此，盡管當時集裝箱碼頭“油改電”項目需要一次性投入較大的資金，但一般都可以在3年左右的時間里全部收回，并在今后創造更好的經濟效益和社會效益。其缺點是雙動力轉換比較繁瑣，不太適用于輪胎吊這樣流動性強，轉場頻繁的起重設備。

混合動力節能方式能滿足生產要求，比普通RTG標準箱節油約30%：同時減少廢氣排放，節能減排效果明顯。由于頻繁充放電影響電容壽命，目前僅對起升機構再生制動能量進行回收利用。混合動力RTG既節能又環保，對港口企業節能減排、增收節支具有積極的意義。

采用變頻技術實現調速的無級和無觸點控制，使門機平穩啟動、制動，從而減輕了各個機構在機械起、制動時對門機機械部分造成的沖擊，延長了門機機械部分的壽命，使門機的單耗下降20%左右。

五、總結

我們在創新上有了新的體會，創新不僅局限于新產品的開發創造，針對現有系統進行優化以適應環境的實際需要，達到了服務生產的目的，能夠創造效益，這同樣也是創新。我們將通過項目的應用繼續展開完善、優化的工作。

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