勢能回收在門座起重機上的應用

薛永杰 尹崇志

摘要：根據文獻資料，回顧各港口起重機械所采用的再生能量的處理方法，分析各種方法應用的優缺點，并根據文獻指出各種方法的能效利用率，在此基礎上，根據日照港門座起重機起升機構的能量回收策略，青島港門座起重機采用能源管理器+超級電容的能量回收方法，并按照國家標準測試方法測試其能效值，青島港門座起重機節能裝置的能效標稱值達到108.39%。

關鍵詞：門座起重機;能量管理器;超級電容

中圖分類號：TH213.4? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

眾所周知，我國是GDP增量大國，也是能源消耗大國，自“十一五”以來，我國非常重視單位GDP能耗問題。2006～2016年，我國GDP單位能耗累計下降了37.7%，即便如此，我國的整體能源利用效率依然偏低，2016年我國GDP單位能耗是世界平均水平的1.6倍，為發達國家的2～4倍。[1]2019年我國港口吞吐量接近140億噸，這些貨物需要港口起重機械轉進轉出碼頭，在起重機能源利用方面，歐盟等國在通用起重機上設有節能系統或裝置，而我國港口起重機械，由于缺乏有效節能系統或裝置，能源消耗自然要高出幾倍，在國家大力提倡綠色低碳的今天，加強起重機械的勢能回收對實現港口起重機械節能減排具有重要意義。

門座起重機械是一種循環、間歇運動的機械，是用來垂直升降物品或兼作物品的水平移動，以滿足物品的裝卸、轉載和安裝等作業要求的機械。起升機構是門座起重機械的重要機構，起重機在作業時，起升機構在每一個工作循環下降、減速過程中，電動機在位能負載牽引下，由于超頻運行使電動機處于再生發電狀態，會產生相當一部分再生電能，這部分再生電能如果得到合理利用，會極大地節約能源，目前整個青島港有100多臺門座起重機，僅董家口礦石碼頭就有23臺，因此，研究回收利用電能再生意義重大。

1 目前起重機械再生能量常用的處理方法

1.1 采用能量直接消耗的方法

這種方法主要用于變頻調速的交流發動機系統以及直流調速系統。這些控制系統的回路中沒有設計回饋供電網的電路，圖1為變頻調速系統，系統將電動機超頻運行所產生的能量消耗在制動單元電阻上，稱為電阻制動。而直流調速系統在下降過程中，電動機的定子線圈通直流電流，電動機電樞繞組形成恒定磁場，在起吊物的帶動下繞組切割定子靜止磁場而產生制動轉矩，這兩種回路均通過消耗下降勢能所產生的電能來產生制動。從目前寧波港口QD100/50-22.1 A6橋式起重機的現場測試來看，對于變頻調速起升機構的能源利用效率僅為60.92%。[2]

1.2 采用繞線式電動機轉子串電阻調速的回饋回路

如圖2所示，繞線式異步電動機的轉子串入控制電阻，可以使電動機的轉差率發生變化，轉子中串入的電阻越大，電動機的轉速就越低。在重載下降的時候，電動機處于發電狀態，再生電流直接回饋電網，根據目前資料來看，在QD100/50-22.1 A6橋式起重機的能源利用效率達到101.74%。這種方法也應用在青島港煤系統的堆取料機俯仰機構中。但是，盡管此方法設備簡單，控制方便，但轉差功率以發熱的形式消耗在電阻上，且屬有級調速，機械特性較軟，調速范圍小，沖擊電流大，造成接觸器觸頭燒損、滑環炭刷磨損等問題，電器的使用壽命縮短。

1.3 采用雙直流電動機、超級電容節能裝置

圖3是日照港在門機起升機構所采用的能量回收模式[3]，起升、閉合繩的驅動分別由2臺55 kW一主一副同步直流電動機串聯組成。控制柜增加了1組超級電容。貨物下降時，主電動機不工作，副電動機處于發電狀態，其電能儲存在超級電容內，同時起制動作用;起吊貨物上升時，主、副電動機同時工作。主電動機使用電網電能，副電動機使用超級電容的電能，以減少能耗。根據資料測定，其比未改造設備節能74.64%。

1.4 采用變頻調速控制系統、直流控制系統自帶能量回饋回路

青島港32噸帶斗門機、20萬噸級卸船機均自帶回饋回路，貨物下降所產生電能經過逆變后直接回供電網絡。從目前的資料來看，能量回饋裝置分為IGBT型和晶閘管型，安川656DC5、西門子AFE均采用IGBT型能量回饋裝置，特點是節能效果好，但價格昂貴;晶閘管型體積小，價格便宜，但功率因數低。兩種回饋回路對電網有高次諧波影響，并且由于電能計量是單向收費的，經濟效果不明顯，也未發現文獻記錄相關應用的監測數據。

2 青島港門座起重機起升機構的節能方案

青島港40噸門座起重機采用安川變頻器，如圖1所示，重載下降時電動機所發出的電能通過制動電阻釋放，該能量沒有被利用起來，如果采用1.4中所提到的逆變回路，將能量反饋回電網，從目前的實踐來看，有諧波的污染，甚至造成對其他設備的干擾，并且對于用戶來講，電能回饋電網可能造成節能而不經濟。1.3中所提到的日照港超級電容方案具有可借鑒之處，可將超級電容置于變頻器的直流母線之間，如圖4所示，虛線部分為在原有變頻器回路基礎上擬新增的能量管理器和超級電容回路，能量管理器的作用是檢測直流母線電壓，以此決定直流母線和超級電容組之間的能量流動方向，并以此對超級電容進行有序充、放電，由于電能不回饋外電網而存于超級電容中，因此也就不會對外電網造成諧波污染。采用超級電容，改造空間需求小，改造的難度相對較低，所以采用超級電容較為合理。圖5為電動機電能的流向圖，當貨物下降時，電動機處于發電狀態，能量管理器將回收的能量儲存在超級電容中;當貨物上升時，能量管理器則將儲存在超級電容中的能量與外電網聯合供給電動機，減少了外電網的能量供應，從而達到節能目的。

2.1 能耗測試方案

改造后的能耗測試采用《起重機械用電力驅動起升機構能效測試方法》（GB/T 30222—2013）[4]，國標對供給能、有效能標稱值、能效標稱值等概念進行界定，同時對測試的條件、方法進行界定。

有效能標稱值指起升機構按規定的測試方法要求完成一個測試周期時，提供的有效能量;供給能指起升機構按規定的測試方法要求完成一個測試周期時，實際消耗的電能;能效標稱值指起升機構按規定的測試方法要求完成一個測試周期時，有效能標稱值與供給能的比值。

2.2 有效能標稱值的計算

按照標準中5.2.2條測試周期的規定：位置調整和吊具、載荷的裝卸階段能耗不計入測試周期。青島港40噸門機運行的工況：抓斗自重15 t，重載起重38 t，抓斗工作有效高度15 m。有效能標稱值計算公式：

經計算，有效能Eqs=6 262 800 J

2.3 供給能的測試

采用標準中電度表法，通過數字式電能測量儀器（裝置）測量供給能，并按式（2）進行計算。

式中：

EG —供給能[焦耳（J）];

n—一個測試周期內包含的測試階段數;

Di—一個測試周期內第i個階段數字式電能表（儀）測量值[千瓦時（kW·h）]，為負值時，測試對象向電網反饋能量。

通過三次測試，測得數值如表1所示。

2.4 能效標稱值的計算及效果

能效標稱值ηqs按式（3）計算：

經計算得表2所示數據。

3 結語

通過以上數據可以看出，安裝節能裝置的能效標稱值達到108.39%，比未安裝節能裝置的能效值高出48.17%，說明節能效果顯著。根據現有數據統計，單臺門機年耗電量為370 000kW·h，安裝節能裝置后每年可節約電量129 500～142 500kW·h，按照現行平均電價每千瓦時1.19元計算，每年可節約電費15.41萬～16.96萬元，單臺門機改造費用75萬元，因此，投資回收期約為5年。

（責任編輯：侯辛鋒）

參考文獻：

[1]劉然，王旭明，岳高，等.“十三五”能源消耗總量和強度“雙控”機制研究[J].能源與環境，2017（6）：2-4，7.

[2]曹光敏，張志堅，丁高耀，等.橋式起重機能效對比測試與分析[J].起重運輸機械，2013（8）：114-118，119.

[3]王佳佳，楊玉剛，田鑫，等.門座式起重機勢能回收再利用自循環節能技術及其應用[J].工程機械與維修，2016（6）：58-59.

[4]起重機械用電力驅動起升機構能效測試方法：GB/T30222—2013[S].北京：中國標準出版社出版，2014.