岸邊集裝箱起重機能耗等級試驗研究*

孫建銳

交通運輸部水運科學研究院

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岸邊集裝箱起重機能耗等級試驗研究*

孫建銳

交通運輸部水運科學研究院

以岸邊集裝箱起重機為研究對象，分析了現代集裝箱碼頭岸邊集裝箱起重機設備系統類別，確定以起重量和起升高度為起重機分類基礎數據。根據交通運輸行業對重點能耗產品的定義，以及岸邊集裝箱起重機使用特點，給出了岸邊集裝箱起重機能耗等級分級原則和分級指標。確定了能耗等級分級的試驗方法并進行現場能耗試驗，通過對多個樣本起重機進行能耗測試，并依據能效限值制定原則，提出了岸邊集裝箱起重機能耗分級限值。

岸邊集裝箱起重機； 設備分類； 能耗等級； 能效限值； 分級指標

1　前言

裝卸機械作業過程中的耗能與污染問題已經日益為廣大港口所重視，港口管理者正在通過實施裝卸機械配置、升級裝卸機械驅動能源等節能措施，努力實現港口裝卸機械的節能減排升級改造。目前，集裝箱碼頭節能減排升級改造研究所取得的成績主要體現在堆場集裝箱起重機“油改電”、基于投入成本和起運量因素的裝卸設備優化配置、港區設備合理保有量研究、集裝箱碼頭節能減排評價等方面[1-2]，所獲得的統計數據主要體現在整個港口節能總量等經濟數據上， 對實際消耗能源最直接的設備——港口裝卸機械的能源利用合理程度的界定缺乏相關定義。

本文以岸邊集裝箱起重機為對象，對集裝箱碼頭裝卸設備能耗等級分級進行了研究，給出了岸邊集裝箱起重機能耗等級分級原則和分級指標，確定了能耗等級分級的試驗方法并進行現場能耗試驗，提出了岸邊集裝箱起重機能耗分級限值。

2　岸邊集裝箱起重機設備分類

岸邊集裝箱起重機能耗等級分級，首先應當解決岸邊集裝箱起重機分類問題。港口實際應用的岸邊集裝箱起重機種類繁多，大多為非標設計，起重量、跨距、起升高度、前伸距、后伸距等參數不同，起重機結構型式存在很大差距。表1為對國內外主要起重機生產企業、集裝箱碼頭調研結果，以此作為岸邊集裝箱起重機設備分類依據。

為便于對起重機進行能耗等級分級，應當確定起重機分類坐標。從表1中可以看出，岸邊集裝箱起重機除起重量外，前伸距和起升高度為2個主要分類參數，前伸距與起升高度均能夠反應起重機規格大小。通過前期研究成果和對現場測試數據整理，發現對于不同類型的集裝箱起重機，起升機構能耗在所有能耗中占據著絕對大的能耗比重，因此起重機分類基礎數據選擇為起重量和起升高度。

表1　岸邊集裝箱起重機設備類型調研及統計表

3　能耗等級分級及限值

3.1能效限值設定方法

根據本工程依托項目，本文采用3個等級對起重機能耗等級進行分類，即先進級(1級)、平均級(2級)、限定級(3級)。其中1級最高，3級最低。

對于起重機不同等級能耗限值的取值，目前國內外尚無可循依據。根據交通運輸行業對重點能耗產品的定義，以及岸邊集裝箱起重機使用特點，本文對能效限值設定方法如下：

(1)1級能效臨界值取國內市場上高能效產品的20%；

(2)2級能效臨界值取介于1級與3級能效之間的產品；

(3)3級能效臨界值取國內市場上最低能效產品的15%。

3.2能耗等級分級指標

岸邊集裝箱起重機大多非標設計，類型眾多，必須制定統一的能耗計量指標，使同一類別內起重機能耗值具有對比性。在化工、船舶、家電等行業，能源利用效率已經與設備節能密切相關，提高能源利用效率被認為是降低對石化燃料依賴性、增強能源供給安全性、提高工業競爭力的一種有效途徑。能源利用效率定義為實際產出與實際投入的比值[3]。因此，岸邊集裝箱起重機能耗等級分級指標可以定義為岸邊集裝箱起重機作業額定起重量的耗電量，即單位操作循環耗電能。

測試期內完成單位操作循環所消耗電能，按式(1)計算：

(1)

式中，ez為能源單耗，kWh/t；Ez為完成規定測試動作能源消耗量，kWh；Tb為測試過程起吊的重量，t。

3.2能耗測試方法

本文基于試驗方法，對多個樣本起重機進行能耗測試，并依據能效限值制定原則，制定起重機能耗等級限值。

3.2.1測試工況

理論上，起重機作業在1個作業循環下的耗能等于1個作業循環內起吊運輸貨物所做的功，即耗能主要影響因素為起重量和吊具帶載行駛位移。由于各集裝箱碼頭水深條件、經濟實力等不同，進行碼頭設計時，靠泊船舶能力存在很大差距，直接造成岸邊集裝箱起重機起升高度、外伸距、跨距等參數差別巨大。在進行岸邊集裝箱起重機耗能比較時，為使得測試數據具有可對比性，有必要建立統一的尺度。另外，岸邊集裝箱起重機耗能的執行單元為各運行機構，具體為起升、小車運行、大車運行3大機構。為對各機構能耗進行對比，選定在進行能耗比較時，各機構運行距離相同。

目前，國內起重機設計方法仍主要以安全系數法為主，由于設計者經驗水平的差距，“大馬拉小車”在起重機設計中仍然非常普遍，因此，不可避免的會產生巨大能耗浪費。“大馬拉小車”現象也被認為是起重機產生巨大能源浪費的最直接因素。因此，本文規定，起重機能效對比時，起重機吊載重量設定為額定起重量。

機構速度對能耗影響巨大，而不同設備個體，運行速度設計值往往差距巨大，在進行起重機能效比較時，有必要建立統一的速度尺度。本文選定在起重機個體耗能盡量小的工況下進行比較。相關研究成果表明，起重機能耗在最接近額定速度時能耗最小[4]。因此將進行能效對比的起重機設定為在額定運行速度下進行作業的耗能。

根據以上論述，結合對岸邊集裝箱起重機類型參數調研結果，設定岸邊集裝箱起重機能耗測試的工況為額定起重量，起升高度20.0 m，小車行走距離20.0 m，大車行走距離30.0 m，機構運行速度為額定運行速度。測試工況如圖1所示。

圖1　岸邊集裝箱起重機測試工況示意圖

圖中各點位置說明如下：

A-高度距離地面20 m；

B-高度與A點相同，距離A點20 m后伸距位置；

C-B點正下方地面位置；

D-A點正下方地面位置。

3.2.2測試方法

測試方法制定盡量模擬岸邊集裝箱起重機作業工況，具體說明如下：

(1)吊具空載，小車的初始位置置A點，記錄電能測量表讀數。

(2)起動小車，吊具空載以額定速度向后伸距方向運行距離20 m，到達B點→空載下降至C點，鎖定指定起重量的集裝箱→以額定速度起升至B點→小車往前伸距方向運行20 m到達A點→吊具下降15 m到達D點→卸下集裝箱→吊具空載上升至A點。

(3)吊具空載下降到達D點，鎖定集裝箱，帶載上升15 m到達C點→小車往后伸距方向運行指定距離20 m，到達B點→吊具下降15 m到達C點，將集裝箱卸在地面上→空載上升至B點→小車空載往前伸距方向運行指定距離20 m，到達A點。

(4)重復步驟(2)、(3)4次。

(5)以上測試時起升與小車應不可聯動操作，起升運行均按額定速度進行。

(6)完成以上測試后大車以一個方向運行30 m返回到原點，并等待計時至1 h。

(7)1 h內完成5次循環計10個循環作業箱數。

(8)測試計時結束，記錄電能測量表的讀數。

在1 h內未完成(1)-(7)的規定步驟，本次測試無效，需重新測試。

3.2.3測試結果

本文依托項目針對岸邊集裝箱起重機能耗情況進行了大量的現場測試，表2為選取測試樣本中60 t以上岸邊集裝箱起重機設備的能耗情況匯總。

3.2.4岸邊集裝箱起重機能耗限值

根據對岸邊集裝箱起重機規格型式調研統計結果，以及現場測試數據，制定集裝箱分類能耗限值如表3所示。

4　結語

通過試驗研究可以發現，在規定的相同動作工況下，起升高度相同，隨著起重機起重量不斷加大，起重機起吊單位重量的貨載耗能越大；起重量相同時，起重機的設計起升高度越大，起重機起吊單位重量的貨載耗能越大，即起重機規格越大，起重機起吊單位重量的貨載耗能越大。另外， 本文制定的起重機分類能耗限值，可以作為起重機生產準入證明參考，即單位能耗值大于3級能耗限值的新起重機，建議限制其投入生產，或強制其進行能效改造。

表2　岸邊集裝箱起重機設備的能耗測試結果

表3　不同能耗等級的能源消耗數值　 單位：kWh/t

注：限于樣本數量，本文制定的起重機能耗限值仍存在修訂空間。

[1]鄭斐城. 港口件雜貨裝卸設備配置優化系統的研究[D]. 武漢,武漢理工大學,2009.

[2]劉學淑. 港口裝卸機械合理擁有量研究[J].現代商貿工業，2012(14):54-55.

[3]張亮, 王鐵驪, 劉文君. 中國汽車工業能源利用效率的實證研究[J]. 宏觀經濟,2013(2):80-81.

[4]丁敏, 羅建平, 張德文. 軌道式集裝箱門式起重機能耗試驗研究[J]. 港口裝卸, 2014(1):8-10.

Experimental Study on Energy Consumption Level for Quayside Container Crane

Sun Jianrui

Waterborne Transport Research Institute,Ministry of Transport, CHINA

The classification of the modern quayside container crane is clarified by the basic data of hoisting capacity and lifting altitude. According to the definition of important energy consumption product in the transportation industry and the operation characteristics of the quayside container crane, the classification principle and classification energy indicators are provided. The grading test method of energy consumption level is formulated. Through the combination of energy consumption experiments of crane samples in the test field, according to the rules of enery consumption limits, the classification energy consumption limit values of quayside container crane are put forward.

quayside container crane; equipment classification; energy consumption level; energy limit value; classification indexes

2015-11-20

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.020

孫建銳: 100088, 北京市海淀區西土城路8號

*國家交通運輸部節能減排能力建設項目：港口生產能效和二氧化碳排放強度等級及評定方法研究(2014-JNJP-010-039)