試論“港口起重機位能負載能量回收及自循環利用管理系統”在港口生產中的應用

一、前言

在港口裝卸生產中起重設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中都少不了起重機的參與。特別是碼頭裝卸船舶作業中起重機是必不可少的一個節點，起重機工作效率的高低直接影響著生產作業的效率。在生產成本中起重機的能耗控制一直以來也是港口降本增效主抓的重點，因此，根據起重機的自身工作結構特點把“起重機位能負載能量回收及自循環利用管理系統”應用到營口港口的起重機上，一方面可以盡量降低起重機工作能耗，另一方面也是積極響應國家正在開展的綠色港口建設工程要求加快推進綠色循環低碳交通運輸體系工作。

二、開展綠色港口建設的背景及意義

（一）開展綠色港口建設的背景：根據2011年國家交通運輸部發布的《關于印發<建設低碳交通運輸體系指導意見>和<建設低碳交通運輸體系試點工作方案>的通知》提出“建設低碳交通運輸體系是加快推進現代交通運輸業發展的重要主題，要努力建設資源節約型、環境友好型行業，加快建立以低碳為特征的交通運輸體系”。2011年4月發布的《交通運輸“十二五”發展規劃》明確指出“必須樹立綠色、低碳發展理念，以節能減排為重點，加快形成資源節約、環境友好的交通發展方式和消費模式，構建綠色交通運輸體系，實現交通運輸發展與資源環境的和諧統一”。

（二）開展綠色港口建設的意義主要是：1.提升港口在沿海港口群中的競爭力，促進港口轉型發展的需要；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能減排指標考核的壓力。4.有利于促進全港的能源管理體系健全，為爭創綠色港口打下堅實的基礎。

三、起重機位能負載能量回收及自循環利用管理系統的應用

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

（一）營口港現用的港口起重機設備的種類、工作及能源消耗方式

營口港現在使用的起重機設備主要是以MQ型（移動式）門機為主，后方堆場使用的起重機主要是移動式龍門吊和輪胎起重機。額定起重量范圍從25t至45t不等。起重機動力源大都采用電網電能驅動，起重機主要是由起升機構、變幅機構、回轉機構、行走機構、臂架系統、電氣系統及安全保護裝置等部分組成。起重機能正常工作都是在電網電能的驅動下，轉換成運動構件的機械能，多余的電能通過換熱電阻或機械構件發熱散發掉了。

（二）本管理系統應用的背景

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

（三）本系統的工作原理

目前起重機主要使用兩種能量源：電網電能及內燃機驅動的發電機組。傳統的起重機由電網電能或內燃機驅動的發電機組提供能量，通過傳動系統，將能量轉化成為執行機構的動能，執行機構實現物品的提升從而將動能轉化成為物品的勢能；當物品下降時，物品釋放的勢能轉化成為執行機構的動能，通過電機制動與機械制動轉化成為熱能，由制動器或電阻消耗掉。傳統起重機作業時，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，導致能源的浪費。我們研發的”起重機位能負載能量回收及自循環利用管理系統”。通過優化起重機作業時的能量轉換關系，實現了“無效能量”的回收、利用。

將驅動工作機構的電機由單一電機拆分為主電機與組態電機（輔助電機）。主電機與組態電機共同組成同軸雙樞電動機，其中，主電機由電網電能或發電機組提供電源，組態電機由儲能單元提供電源。當重物上升時，由主電機和組態電機共同提供電能；當重物下降釋放能量時，由組態電機提供制動力矩，組態電機將重物下降回饋的能量（“無效能量”）轉換為電能由儲能單元吸收，在起重機下一循環起升作業時作為驅動組態電機的能量釋放出來，與主電機共同提升貨物，實現能量的回收、利用?？紤]系統能量轉換效率、起重機載荷及工況的隨機性，根據儲能單元的狀態，系統設置有輔助充電系統，適時為儲能單元補充能量，以保證起重機正常穩定運行。

（四）本系統的核心技術及創新點

本系統的核心技術在于有效地、最大限度地實現起重機位能負載能量的回收并在起重機任何復雜的工況下能夠適時實現高效率地能量轉換。我們通過以下創新完全掌握了以上核心技術：

1.采用位能負載能量回收管理系統實現能量的智能化管理

起重機械是一種循環、間歇運動的機械，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、轉載和安裝等作業要求。當貨物上升時，工作機構的電動機需從電網或燃油發電機組吸收能量，將電能轉換成機械能，實現貨物垂直方向的位移，最終將能量轉換成為貨物的位能；貨物下降時釋放位能，采用燃油發電機組作為原動力的傳統起重機，由于其能量的轉換不具備可逆性（燃油可通過發電機組轉換為電能，而回饋的電能不可能轉換成為燃油），是將貨物下降過程和電機制動的能量轉變成熱能，消耗在電阻或制動器上，既浪費了能源，又增加了維護成本，還縮短了機構傳動的零部件壽命，且具有噪音大、振動大等缺點；當采用外接電網作為原動力時，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，但節能效果難以體現在同一設備上，且諧波污染不同程度的降低了供電質量并影響供電裝置的穩定性，嚴重的還會影響到起重設備的正常使用。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，起重設備從電網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，技術維護困難等，因此限制了它的應用。位能負載能量回收管理系統，是將貨物釋放的位能轉換成電能儲存在儲能單元，當貨物上升時，儲能單元為同一工作機構同軸雙樞電機提供電源，實現位能能量的自循環再利用，以達到節能降耗的目的。當起重機采用燃油發電機組作為原動力時，該系統解決了其能量轉換不可逆的問題，當起重機采用外接電網作為原動力時，位能能量回饋與電網無關，從而消除了諧波污染對電網與設備產生的不利影響；采用位能負載能量回收管理系統時，節能效果體現在同一設備上，經過理論研究統計結果，位能負載能量回收效率為37%～63%，同時我們還在港口設備上進行了實際應用，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。當起重機采用燃油發電機組作為原動力時，原動機功率可減小40%，不僅降低了原動機油耗，還提高了原動機的能量轉換效率，減小了有害氣體的排放及噪音污染；當起重機采用外接電網作為原動力時，起重機輸入功率可降低40%，有效降低了能源消耗。

2.采用同軸雙樞電機驅動技術實現能量的高效率轉換

在”起重機位能負載能量回收及自循環利用管理系統”中，起重機各工作機構均采用同軸雙樞電機復合驅動，同軸雙樞電機由主電機和組態電機組成，主電機額定功率只有工作機構凈功率的66%，組態電機額定功率為機構凈功率的50%；一般而言，電動機在空載或輕負載時，其轉換效率極低，只有20%～30%，效率隨著負載的增加而增加，在額定負載附近，效率達到最高，一般滿載時的效率可到75%～92%；對于傳統起重機，電機功率均應滿足極端工況下工作機構凈功率的要求，而在起重機實際作業工況中，由于負載的隨機性，電動機往往工作在效率較低的區間；采用同軸雙樞電機復合驅動，既保證了非額定負荷主電動機的高效運行，又滿足了起重機的極端工況要求。而在貨物下降時，其釋放的能量完全依靠組態電機實現轉換，從而保證了能量轉換效率，根據我們的試驗數據，其能量轉換效率達到80%以上。

3.各工作機構均采用組態電機實現能量的重復利用

在“起重機位能負載能量回收及自循環利用管理系統”中，各工作機構采用組態電機實現能量的回收與重復利用；組態電機一般采用直流串勵電動機，利用直流串勵電動機良好的負荷自適應性能，可實現組態電動機與主電動機不同形式的組合，主電機可以是直流電動機，也可以是交流電動機，通過控制系統，保證組態電機與主電機的高效自適應復合驅動，因此極大的拓展了“起重機位能負載能量回收及自循環利用管理系統”應用范圍，該系統既可方便的應用于現有起重機的節能改造，又能與新開發的起重機控制系統進行融合與對接。

四、該應用系統存在的問題及改進方法

目前“起重機位能負載能量回收及自循環利用管理系統”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：

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