一種輪胎式龍門起重機燃料電池混動技術(shù)

周超群 楊雷忠 曹 樂

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

輪胎式龍門起重機(以下簡稱輪胎吊)廣泛應(yīng)用于集裝箱碼頭堆場，其動力通常以柴油發(fā)電機組供電為主，存在能源消耗大、排放嚴重等問題。目前市場上小柴油機組結(jié)合大鋰電混動輪胎吊是最節(jié)能的輪胎吊之一，柴電機組輸出綜合功率一般為50 kW，鋰電池容量一般在100 kWh左右。與傳統(tǒng)使用大型柴油機組輪胎吊相比，可節(jié)能約60%[1-2]。但該類輪胎吊的動力來源仍是柴油，雖然相比大柴油機組已經(jīng)降低了能耗，但仍存在較大的排放。為了減少排放，也可以采用天然氣LNG燃氣機組代替小功率柴電機組，構(gòu)成LNG混動輪胎吊，CO2排放可降低20%，NOX排放可降低40%[3-4]。

氫氣是當今世界公認的最清潔的燃料，燃燒排放物只有純水，具有環(huán)保、零排放、無污染等優(yōu)點。因此提出用燃料電池系統(tǒng)代替小功率柴電機組，設(shè)計零排放氫燃料混動輪胎吊。

2 輪胎吊負載特性分析

據(jù)統(tǒng)計，常規(guī)集裝箱碼頭上的輪胎吊1 h可以完成約20個操作循環(huán)，每操作循環(huán)由帶箱起升、小車帶箱平移、下降放箱、空吊具起升、小車平移、空吊具下降6個步驟組成。

額載40 t重箱起升時，輪胎吊峰值功率需求約為350 kW；40 t重箱下降時，峰值再生回饋功率約為260 kW，1 h內(nèi)輪胎吊的平均功率僅為30～35 kW。由此分析得出，輪胎吊在突加載荷時峰值功率大，而平均功率小，且重物下降及機構(gòu)制動時電機處于發(fā)電狀態(tài)，屬于位能性負載。而傳統(tǒng)大柴油機為了滿足輪胎吊的負載特性，通常配備一定冗余量的柴油發(fā)電機組，滿足輪胎吊峰值功率的需求，而重物下降和機構(gòu)制動時產(chǎn)生的再生回饋能量，通常利用能耗電阻消耗掉了，得不到有效重復利用，造成了輪胎吊燃油消耗大、污染嚴重等問題。從輪胎吊負載特性可以看出，峰值功率與平均功率的比值接近10∶1，所以其動力系統(tǒng)非常適合采用混合動力方案。

3 燃料電池輪胎吊動力系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

燃料電池混動輪胎吊動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，其系統(tǒng)配置與小柴油機大鋰電混動輪胎吊類似，不同之處在于采用燃料電池與DCDC直流變換器取代原有的小型柴油發(fā)電機組和AFE(Active Front End，整流/回饋)驅(qū)動器。大容量鋰電池組主要通過燃料電池來補充電能。

圖1 燃料電池輪胎吊動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)工作模式

燃料電池主要有3種運行模式。

(1)當燃料電池工作時，如果輪胎吊在進行起升操作或能量需求較大的作業(yè)，燃料電池和鋰電池共同提供能源，驅(qū)動運行機構(gòu)，減小鋰電池的放電電流(見圖2)。

圖2 聯(lián)合驅(qū)動模式

(2)當燃料電池工作時，如果輪胎吊在進行下降操作或機構(gòu)制動時，則燃料電池和運行機構(gòu)的再生回饋勢能一起給鋰電池充電，增大鋰電池的充電電流(見圖3)。

圖3 聯(lián)合充電模式

(3)當燃料電池停止工作時，鋰電池是唯一能量源，承擔所有輪胎吊的能源需求。設(shè)定鋰電池組的SOC(State of Charge，荷電狀態(tài))使用區(qū)間范圍，通過整車控制器來控制燃料電池的運行狀態(tài)，適時地給鋰電池組進行充電。

3.3 硬件參數(shù)

目前的燃料電池，由于受技術(shù)限制，組成系統(tǒng)后的各個裝置損耗，總轉(zhuǎn)換效率區(qū)間在45%～60%范圍內(nèi)，如果考慮其排熱利用，則效率可達80%或以上。

燃料電池系統(tǒng)選用石墨系質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，額定功率為75 kW，發(fā)電效率≥50%。氫氣瓶選擇6個165 L壓力罐，工作壓力為35 MPa。鋰電池選擇具有高倍率充放電能力的三元鋰電池，額定電壓622 VDC，額定容量128 Ah，額定能量79.6 kWh。

氫氣瓶組攜帶了約23.1 kg氫氣，氫氣的熱值為39.54 kWh/kg，燃料電池系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率≥50%，取燃料電池的轉(zhuǎn)換效率50%為20 kWh/kg，則輪胎吊攜帶了約462 kWh的電量。以輪胎吊平均功率30 kW為例，每小時耗電量為30 kWh，所配備的氫氣瓶組可以滿足輪胎吊15.4 h的連續(xù)工作。

設(shè)定鋰電池的SOC變化使用范圍為50%～90%，即鋰電池能量有31.8 kWh的可用范圍，燃料電池系統(tǒng)運行25 min即可補充該能量，該能量可滿足輪胎吊超過1h的持續(xù)工作需求。

氫氣瓶組安裝于電氣房鞍梁下方，便于加氫及整組更換；燃料電池系統(tǒng)安裝于電氣房上方，通過氫氣管路及相關(guān)通訊線路與氫氣瓶組相連接；鋰電池組安裝于電氣房內(nèi)，形成輪胎吊供電系統(tǒng)(見圖4)。

1.燃料電池系統(tǒng) 2.氫氣瓶組圖4 燃料電池混合動力系統(tǒng)安裝示意圖

4 經(jīng)濟性分析

4.1 初期投資分析

燃料電池輪胎吊其燃料電池系統(tǒng)初期投資為：75 kW燃料電池系統(tǒng)50萬元，氫氣瓶組15萬元。小柴電大鋰電輪胎吊電氣系統(tǒng)的初期投資為：50 kW的柴油發(fā)電機組15萬元，60 kW的AFE整流器4萬元。目前燃料電池輪胎吊電氣系統(tǒng)初期投資是小柴電系統(tǒng)的3.4倍，不具備經(jīng)濟性。

據(jù)預(yù)測，在2030年，燃料電池系統(tǒng)的成本將會下降80%以上。在2030年，燃料電池輪胎吊電氣系統(tǒng)的初期投資將變?yōu)?3萬元，假設(shè)小柴電系統(tǒng)的價格維持在15萬元，燃料電池系統(tǒng)的價格就具備了一定優(yōu)勢。

4.2 使用成本分析

小柴油機大鋰電輪胎吊目前每標箱消耗柴油約為0.45 L，柴油每升6.6元，每標箱花費2.97元。50 kW小柴油發(fā)電機組的燃油發(fā)電轉(zhuǎn)換效率為3.47 kWh/L，每標箱消耗電能1.56 kWh。取燃料電池的氫氣發(fā)電轉(zhuǎn)換效率為20 kWh/kg，則每標箱消耗氫氣0.078 kg，當前氫氣價格約為50元/kg，每標箱花費3.9元。燃料電池的使用成本是小柴油機組系統(tǒng)的1.31倍。據(jù)行業(yè)分析，氫氣價格下探至35元/kg時，燃料電池和柴油機組的使用成本可持平，隨著整個燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，預(yù)計至2025年，硬件采購和使用成本可與柴油機組持平。

據(jù)相關(guān)行業(yè)機構(gòu)預(yù)測，在2030年，氫氣價格將下降至20元/kg，假設(shè)柴油價格維持不變，則每標箱操作可節(jié)約1.41元，以每臺輪胎吊年操作12萬標箱計算，每年節(jié)約燃料費用16.92萬元，大約9個月即可收回初期的投資成本28萬元(燃料電池13萬元、氫氣瓶組15萬元，氫氣瓶組價格未作變化)。

考慮到國家在雙碳目標下可能征收的碳排放稅，燃料電池輪胎吊在2025年投資和使用成本上將與小柴油機大鋰電輪胎吊持平，而到2030年時更具有競爭力。

5 結(jié)語

隨著政府對環(huán)境保護要求的日益嚴格，各行業(yè)都在尋求和制定減少碳排放的方法措施。針對集裝箱碼頭輪胎吊，提出一種零排放的燃料電池混動輪胎吊技術(shù)，通過運用氫燃料電池發(fā)電技術(shù)，替代傳統(tǒng)柴油發(fā)電機組，促使輪胎吊達到零碳排放的目標，在未來具有更大的經(jīng)濟性優(yōu)勢。