輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)能量回饋技術(shù)改造

徐旭麗 張輝 吳立飛

傳統(tǒng)輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)（以下簡稱輪胎吊）由柴油發(fā)電機(jī)組供電，采用電力二極管不可控（以下簡稱不控）整流電路，該電路輸出電壓波形波動(dòng)較大，對(duì)交流母線側(cè)電網(wǎng)造成一定影響（使其功率因數(shù)不可控并產(chǎn)生一定脈動(dòng)等）；同時(shí)，該電路可通過的電流較大，控制相對(duì)較簡單。在輪胎吊吊具下放和大車、小車減速制動(dòng)過程中，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，勢能轉(zhuǎn)換的電能無法回饋到電網(wǎng)，剩余的電能通過直流側(cè)的制動(dòng)裝置，由制動(dòng)電阻消耗熱能防止直流側(cè)母線過壓。不控整流電路及制動(dòng)電阻發(fā)熱消耗電能，造成機(jī)房設(shè)備溫度升高，設(shè)備故障頻率隨之升高。可見，電能的不可回饋性一直是輪胎吊存在的問題。寧波港吉碼頭經(jīng)營有限公司（以下簡稱港吉公司）于2012年實(shí)施輪胎吊油改電，實(shí)現(xiàn)市電供電，使變頻器制動(dòng)過程中產(chǎn)生的能量回饋給電網(wǎng)變成可能。為進(jìn)一步降低能耗，該公司自 2013年開始研究并應(yīng)用輪胎吊設(shè)備能量回饋技術(shù)，以改善電能質(zhì)量，提高功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 能量回饋技術(shù)基本原理

能量回饋技術(shù)能將運(yùn)動(dòng)中負(fù)載上的機(jī)械能（位能、動(dòng)能）通過能量回饋裝置轉(zhuǎn)化成電能（再生電能）并回送給交流電網(wǎng)，同時(shí)供附近其他用電設(shè)備使用，使電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)消耗電網(wǎng)電能下降，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。能量回饋裝置分為半控整流能量回饋裝置和全控整流能量回饋裝置。

1.1 半控整流能量回饋裝置工作原理

如圖1所示：在變頻器控制電機(jī)起升過程中，仍采用不控整流器給變頻器提供直流電源；在變頻器制動(dòng)過程中，直流母線電壓升高，能量回饋裝置工作，將由動(dòng)能轉(zhuǎn)化成的電能回饋到電網(wǎng)。半控整流能量回饋裝置只在變頻器制動(dòng)時(shí)工作，相當(dāng)于僅替換了制動(dòng)電阻。

1.2 全控整流能量回饋裝置工作原理

如圖2所示：能量回饋裝置投入運(yùn)行，接觸器K1斷開，K2閉合；當(dāng)變頻器控制電機(jī)起升時(shí)，采用能量回饋裝置給變頻器提供直流電源；當(dāng)變頻器制動(dòng)時(shí)，能量回饋裝置將由動(dòng)能轉(zhuǎn)化成的電能回饋到電網(wǎng)。在全控整流方式下，能量回饋裝置完全替代了二極管不控整流器和制動(dòng)電阻。

1.3 半控與全控整流能量回饋方式的區(qū)別

（1）功率因數(shù)不同。在半控整流能量回饋方式下，當(dāng)變頻器控制電機(jī)處于電動(dòng)工況時(shí)，仍采用變頻器不控整流器給變頻器提供直流電源，功率因數(shù)不可控，且其整體功率因數(shù)較低；相比之下，全控整流能量回饋方式實(shí)現(xiàn)能量的雙向回饋，大大提高功率因數(shù)。

（2）調(diào)整電壓、電流的諧波不同。在半控整流能量回饋方式下，由于變頻器控制電機(jī)處于電動(dòng)工況時(shí)仍由變頻器不控整流器給變頻器逆變器供電，其網(wǎng)側(cè)輸入電流波形正弦性較差，電壓、電流畸變率未得到改善；相比之下，全控整流能量回饋裝置配備高性能濾波器，其與變頻器配合實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，電機(jī)四象限運(yùn)行，消除網(wǎng)側(cè)諧波污染，電網(wǎng)側(cè)的電流接近于正弦波，使電能質(zhì)量獲得改善。

（3）結(jié)構(gòu)和價(jià)格不同。半控整流能量回饋裝置的整體結(jié)構(gòu)緊湊，造價(jià)低；全控整流能量回饋裝置的整體結(jié)構(gòu)體積大，造價(jià)高。

2 輪胎吊能量回饋技術(shù)改造

2.1 實(shí)施改造項(xiàng)目

由于半控整流能量回饋方式具有反饋能量小、電網(wǎng)諧波大、功率因數(shù)提高不明顯等缺點(diǎn)，港吉公司輪胎吊能量回饋技術(shù)改造采用全控整流能量回饋方式。分3個(gè)階段進(jìn)行輪胎吊能量回饋技術(shù)改造項(xiàng)目，在每個(gè)階段開始之前都對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行可行性分析，并分析項(xiàng)目投資成本、企業(yè)效益目標(biāo)、社會(huì)效益目標(biāo)等。第一階段項(xiàng)目實(shí)施之前，參考上海港、寧波港兄弟公司輪胎吊能量回饋技術(shù)改造測試數(shù)據(jù)和節(jié)能效益分析，結(jié)合公司輪胎吊的實(shí)際情況，嘗試對(duì)10臺(tái)輪胎吊進(jìn)行能量回饋技術(shù)改造。

2013年3―10月，通過項(xiàng)目招投標(biāo)，上海海得控制系統(tǒng)股份有限公司（以下簡稱海得公司）承接5臺(tái)輪胎吊能量回饋技術(shù)改造，選擇采用HDM能量回饋裝置；寧波北侖旻龍節(jié)能改造工程有限公司（以下簡稱旻龍公司）承接5臺(tái)輪胎吊能量回饋技術(shù)改造，選擇采用匯川MD601D能量回饋裝置，改造費(fèi)用約為15萬元。

2014年3―11月，第一階段項(xiàng)目的測試數(shù)據(jù)、性能分析、效益指標(biāo)為開展第二階段項(xiàng)目提供可行性分析數(shù)據(jù)和招投標(biāo)評(píng)分依據(jù)。第二階段項(xiàng)目包括20臺(tái)輪胎吊能量回饋技術(shù)改造項(xiàng)目，其中，15臺(tái)選用HDM能量回饋技術(shù)，5臺(tái)選用MD601D能量回饋技術(shù)，單臺(tái)改造費(fèi)用約為13.5萬元。

2015年2―11月，根據(jù)前期能量回饋技術(shù)改造實(shí)踐應(yīng)用數(shù)據(jù)分析，通過公開招投標(biāo)，對(duì)30臺(tái)輪胎吊進(jìn)行能量回饋技術(shù)改造，選擇HDM能量回饋技術(shù)；項(xiàng)目由上海海得控制系統(tǒng)股份有限公司承接，單臺(tái)改造費(fèi)用為12.5萬元。

目前，港吉公司有72臺(tái)輪胎吊設(shè)備，其中：10臺(tái)輪胎吊采用MD601D能量回饋技術(shù)；62臺(tái)輪胎吊采用HDM能量回饋技術(shù)，其中12臺(tái)設(shè)備在出廠時(shí)就要求具有HDM能量回饋功能。

2.2 改造測試數(shù)據(jù)分析

第一階段10臺(tái)輪胎吊能量回饋技術(shù)改造完成后，對(duì)采用不同能量回饋裝置輪胎吊的回饋性能進(jìn)行測試和數(shù)據(jù)分析。

2.2.1 旻龍公司改造情況

旻龍公司完成5臺(tái)輪胎吊（19號(hào)、35號(hào)、50號(hào)、52號(hào)和55號(hào)輪胎吊）的能量回饋技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)MD601D能量回饋柜與用戶原先的整流能耗系統(tǒng)的正常切換，且MD601D能量回饋柜與用戶可編程邏輯控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行良好。2014年1月，將功率分析儀及鉗形電流表用作測試電表，對(duì)采用MD601D能量回饋裝置的輪胎吊進(jìn)行測試。

2.2.1.1 測試流程及說明

測試流程如下：輪胎吊起升機(jī)構(gòu)空載下降到地面，重載上升到最大高度；小車平移機(jī)構(gòu)重載從海側(cè)移到陸側(cè)；吊具重載下降到地面，空載上升到最大高度；大車沿軌道運(yùn)行一段距離后回到原位，起升機(jī)構(gòu)空載下降到地面，重載上升到最大高度；小車平移機(jī)構(gòu)重載從陸側(cè)移到海側(cè)，起升機(jī)構(gòu)空載上升到最大高度。在整個(gè)過程中，輪胎吊起升機(jī)構(gòu)重載上升2次并下降2次，空載上升2次并下降2次。當(dāng)不使用能量回饋裝置時(shí)，起升機(jī)構(gòu)下降產(chǎn)生的電能由制動(dòng)電阻發(fā)熱消耗掉了；使用能量回饋裝置后，起升機(jī)構(gòu)下降產(chǎn)生的電能由能量回饋系統(tǒng)反饋到電網(wǎng)。

2.2.1.2 測試數(shù)據(jù)

對(duì)55號(hào)龍門吊使用能量回饋裝置前后的電壓、電流、電壓諧波、電流諧波、功率因數(shù)、節(jié)能情況等進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)見表1～4。

使用能量回饋裝置時(shí)輪胎吊起升機(jī)構(gòu)重載上升時(shí)的功率分析儀顯示數(shù)據(jù)如圖3所示，從中可以了解當(dāng)前的電壓、電流、功率因數(shù)及高次諧波的具體含量。

使用能量回饋裝置時(shí)輪胎吊起升機(jī)構(gòu)重載上升時(shí)的電壓、電流波形如圖4所示，其中，黃色為電壓，藍(lán)色為電流；從中可以看出電壓和電流均為比較完美的正弦波，說明此時(shí)的諧波含量較小，電網(wǎng)質(zhì)量較好。

不使用能量回饋裝置時(shí)輪胎吊起升機(jī)構(gòu)重載上升時(shí)的功率分析儀顯示數(shù)據(jù)如圖5所示，從中可以了解當(dāng)前的電壓、電流、功率因數(shù)及高次諧波的具體含量，此時(shí)的電壓諧波含量和電流諧波含量均較大。

不使用能量回饋裝置時(shí)輪胎吊起升機(jī)構(gòu)重載上升時(shí)的電壓、電流波形如圖6所示，其中，黃色為電壓，藍(lán)色為電流；從中可以看出電流波形較差，說明諧波含量較大。

2.2.1.3 測試數(shù)據(jù)說明

（1）諧波 從表1～2可見，MD601D能量回饋裝置對(duì)電壓諧波及電流諧波均有明顯抑制作用：電壓諧波能限制在4%以內(nèi)；起升機(jī)構(gòu)重載運(yùn)行時(shí)電流諧波限制在4%以內(nèi)，空載運(yùn)行時(shí)電流諧波限制在6%以內(nèi)。電流諧波是以有效值來衡量的，不同的電網(wǎng)容量對(duì)電流諧波有效值的要求是不一樣的。輪胎吊

空載小車運(yùn)行時(shí)的諧波含量為5%，由于此時(shí)電流較小，所以電流諧波的有效值也較小。在不使用能量回饋裝置的條件下，輪胎吊起升機(jī)構(gòu)重載運(yùn)行時(shí)的電壓諧波含量在7.59%左右，超過國家標(biāo)準(zhǔn)5%的要求，電流諧波含量在30%左右。可見，MD601D能量回饋系統(tǒng)回饋的電能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還能降低原有系統(tǒng)的諧波含量。

（2）回饋節(jié)能效率 從表3～4可見，在使用能量回饋裝置的條件下輪胎吊空載工況平均節(jié)電效率達(dá)10%，重載工況平均節(jié)電效率達(dá)31%，平均單個(gè)工作循環(huán)節(jié)電量為2 kW h左右，表明運(yùn)用能量回饋技術(shù)的節(jié)能效果非常明顯。

（3）電網(wǎng)功率因數(shù) 從表1～2可見：在輪胎吊起升機(jī)構(gòu)空載的情況下，不使用能量回饋裝置時(shí)的電網(wǎng)系統(tǒng)功率因數(shù)為0.75～0.90，使用能量回饋裝置時(shí)的功率因數(shù)可達(dá)0.92～0.98；在輪胎吊起升機(jī)構(gòu)重載的情況下，不使用能量回饋裝置時(shí)的電網(wǎng)系統(tǒng)功率因數(shù)為0.850～0.910，使用能量回饋裝置時(shí)的功率因數(shù)為0.950～0.988，有效提高電能利用率。

2.2.2 海得公司改造情況

海得公司完成5臺(tái)輪胎吊（4號(hào)、5號(hào)、16號(hào)、43號(hào)和59號(hào)輪胎吊）的能量回饋技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)HDM能量回饋柜與用戶原先整流能耗系統(tǒng)的正常切換，HDM能量回饋柜與用戶可編程邏輯控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行良好。2014年1月，選用電能質(zhì)量分析儀、電流探頭為測試電表，對(duì)采用HDM 能量回饋裝置的輪胎吊進(jìn)行測試。

2.2.2.1 測試流程及說明

測試流程如下：輪胎吊吊具空載下降到地面，吊重箱起升到最高處，然后將重箱放下落地；在使用能量回饋裝置和不使用能量回饋裝置工況下分別對(duì)同一個(gè)集裝箱重復(fù)起吊3次，通過電能質(zhì)量分析儀記錄輪胎吊總進(jìn)線處的用電情況和回饋電量。

2.2.2.2 測試數(shù)據(jù)

對(duì)使用能量回饋裝置和不使用能量回饋裝置的43號(hào)輪胎吊的電壓、電流、電壓諧波、電流諧波、功率因數(shù)、節(jié)能情況進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)見表5～6。

2.2.2.3 測試數(shù)據(jù)說明

（1）諧波 從表5可見：當(dāng)輪胎吊起升機(jī)構(gòu)重載上升時(shí)，在不使用能量回饋裝置的條件下，其電壓諧波和電流諧波含量分別為9.1%和26.4%，在使用能量回饋裝置的條件下，其電壓諧波和電流諧波含量相應(yīng)減至2.1%和2.6%；當(dāng)輪胎吊起升機(jī)構(gòu)重載下降時(shí)，在使用能量回饋裝置的條件下，其電壓諧波和電流諧波含量明顯減少。這表明，能量回饋裝置有助于提高發(fā)電、輸電及用電設(shè)備效率，緩解電機(jī)、電抗器、電纜等設(shè)備發(fā)熱、絕緣老化現(xiàn)象，延長設(shè)備使用壽命，同時(shí)對(duì)改善通信、繼電保護(hù)自動(dòng)裝置的干擾和誤動(dòng)作等具有一定作用。

（2）回饋節(jié)能效率 從表6可見，使用能量回饋裝置后，系統(tǒng)可反饋電能34.50%左右。

（3）電網(wǎng)功率因數(shù) 在不使用能量回饋裝置時(shí)，輪胎吊起升機(jī)構(gòu)重載上升過程中的電網(wǎng)系統(tǒng)功率因數(shù)為0.941（空載功率因數(shù)更低），而使用能量回饋裝置后的功率因數(shù)達(dá)0.998，大大減少線路中的能量損耗，有利于節(jié)約電費(fèi)，降低生產(chǎn)成本。

2.3 改造應(yīng)用效果

將實(shí)施HDM能量回饋裝置和MD601D能量回饋裝置改造后的10臺(tái)輪胎吊投入試運(yùn)行，應(yīng)用測試數(shù)據(jù)見表7。可見，使用能量回饋裝置后，輪胎吊的節(jié)電效率達(dá)30%左右，單箱電耗為 h/TEU左右，大大降低輪胎吊裝卸能源成本。綜合來看，MD601D能量回饋技術(shù)與HDM能量回饋技術(shù)在性能指標(biāo)方面各有優(yōu)勢，不過HDM能量回饋裝置的改造成本相對(duì)較低。

3 輪胎吊能量回饋技術(shù)改造經(jīng)濟(jì)效益

輪胎吊實(shí)施能量回饋技術(shù)改造后，電能的回饋性提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)，改善了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。按改造后輪胎吊節(jié)能30%，電輪胎吊利用率85%，年作業(yè)箱量12萬TEU測算，單臺(tái)輪胎吊全年可節(jié)省電費(fèi)元，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約13 t；按單臺(tái)能量回饋裝置的購置和安裝費(fèi)為13.5萬元計(jì)算，投資回收期約為2.5年。

2011―2015年港吉公司輪胎吊能源消耗數(shù)據(jù)見表8。從“油改電”到能量回饋技術(shù)改造，輪胎吊設(shè)備單耗越來越小，單箱節(jié)約成本效果顯著。由于輪胎吊具有轉(zhuǎn)場作業(yè)、空載時(shí)間多、油車方便作業(yè)等特點(diǎn)，電車作業(yè)比例不高，致使能量回饋技術(shù)的應(yīng)用受限，從而使輪胎吊全年單耗與測試階段單耗存在較大差距。未來，有必要進(jìn)一步提高電車作業(yè)比例，減少空載時(shí)間，使能量回饋技術(shù)效能最大化，提高設(shè)備功率因數(shù)，改善電網(wǎng)質(zhì)量，節(jié)約能耗。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2016-04-10）