輪胎式集裝箱起重機節能技術現狀研究及展望

馬建亮 顧佳晨 孔祥恒 葛 偉 曹逸榮

1 上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125 2 上海交通職業技術學院 上海 200314

0 引言

傳統集裝箱港口為便于管控不同堆場區域內利用率，通常在堆場區域內布置輪胎式起重機，選擇輪胎式集裝箱起重機（以下簡稱RTG）的主要原因是其具備轉場靈活的特點，此特點由其柴油機的供電方式所決定。然而，由于RTG 作業屬性為間歇工作制，存在能耗高、運行成本高、廢氣和噪聲污染等問題。另外，隨著資源問題和環境問題的日益突出，國家在政策面對集裝箱港區提出了節能減排的降低指標。所以，對于集裝箱港區堆場區域，如何有效地降低RTG 的能耗是一個重要課題。

我國針對RTG 節能減排技術的研究與嘗試始于2003 年，隨后陸續出現各種節能減排技術用于RTG，相關研究也逐漸豐富。包起帆等[1]于2007 年總結了RTG 的節能技術方案，其中包括磁滯聯軸節電纜卷筒方案、高架滑觸線方案和混合動力方案3 種；顧明觀[2]于2012 年進一步將RTG 節能技術歸納總結成4 大部分并陳述其技術方案及特點，分別為發動機調速節能方案、混合動力方案、市電方案和鋰電池方案，其中市電方案又分為電纜卷盤供電方案、高架滑觸線供電和低架滑觸線供電3 種方式。自2012 年起，國內涉及RTG 節能技術的論述多屬于實證性研究，即在采用某種方案的前提下計算其節能情況，技術層面大多未離開上述技術框架。鑒于此，本文將以上述節能技術為基本架構，主要匯總及總結國內外出現的RTG 節能技術，供相關工程技術人員參考。需要補充說明的是，上述技術方案均基于某一固定機械結構的前提下予以論述，由于機械結構的變化諸如輕量化設計實現的能耗降低不在本文的討論范圍內。

1 RTG 節能技術現狀

RTG 節能減排技術自2003 年起開始蓬勃發展，近二十年間雖然技術的總體框架性內涵并未發生根本性改變，但各種實證性研究層出不窮，故有必要進行總結。另外，隨著技術的發展，各種新技術也在逐步的應用于RTG 的節能減排，對相關新技術的總結有利于推動后續的實證性研究。

2 RTG 節能方案

2.1 發動機調速方案

傳統RTG 為保持其靈活的特性，常以柴油機作為動力裝置為RTG 各電氣設備的提供能源，但柴油機的高能耗不斷為人詬病，為降低柴油機的能耗，陸續出現了針對柴油機的節能技術。馮春峰等[3]提出了雙速柴油機自動節能方案，該方案的特點是將RTG 柴油機分為全速工況和怠速工況，全速工況對應為RTG 全負荷運行，而怠速工況下利用變頻器及升壓變壓器實現對RTG輔助設備供電（如照明、加熱器、排風扇等）。從方案的概念上理解，如果堆場裝卸效率不高的前提下（即怠速占時較長的情況）是能夠降低柴油機油耗的。另外，該技術方案的關鍵技術在于變頻器將柴油機怠速時輸出的不穩定電壓，經整流、逆變環節實現穩定的電壓輸出。

在此基礎上，袁曉東[4]提出了柴油機智能調速技術，該技術是對上述雙速柴油機自動節能方案的優化，即通過控制器檢測RTG 各用電設備所需的實時功率，控制柴油機在怠速與全速之間連續調節轉速實現功率的匹配輸出，進而實現柴油機能耗的降低。從能耗節約的角度看，柴油機智能調速技術優于柴油機雙速調速技術。然而，該方案中的關鍵技術（如控制器、變頻器等）被主流電控商所掌握，技術壁壘較高。從適用性角度看，發動機調速節能方案主要適用于一些供電電網不穩定的地區。

2.2 混合動力方案

發動機調速節能方案區分了RTG 滿載和空載2 種工況。空載工況采用降低柴油機轉速的方式實現節能，但該方案并未進一步區分在滿載工況下的負荷使用情況；當起升機構下降時，有部分能量通過制動電阻消耗，故有效利用該部分被消耗的能量是節能減排的關鍵。為了克服上述弊端，在柴油機提供能源動力之外另配置了1 套儲能單元，用以實現能量的回收再利用，并可降低柴油機的功率。這種方案也可稱為混合動力方案，即至少擁有2 個能量變換器和2 個能量存儲系統的動力系統[5]。以上各技術方案的混動結構通常采用串聯式，但儲能單元的選擇有所不同，通常有超級電容、鋰電池和飛輪電池3 種。

1）超級電容方案

RTG 超級電容節能方案始于日本安川公司（Yaskawa），其控制理念是利用超級電容作為儲能單元，吸收起升機構下降時產生的位能，并能在起升機構上升時提供所需電能，進而實現柴油機-發電機組裝機容量的下降，即達到節省燃油的目的[6]。而后，國內相關學者陸續開展了針對超級電容的相關關鍵技術研究，其關鍵技術有斬波電路的設計、緩沖電流的設計，DC/DC 變換器設計，能量分配控制策略，超級電容充放電控制策略等，具體可通過混合動力起重機系統框圖（見圖1）逐一展開研究。

圖1 混合動力起重機系統框圖

曾光[7]研究分析了發電機組、超級電容器與電動機三者之間的能量分配關系，提出了自適應的能量分配控制策略，并基于該策略開發了混合動力起重機能量控制系統的控制軟件；潘春洲[8]制定了跟隨超級電容電壓變化調整負載功率分配的策略，不分負載大小，均能保證超級電容供能占比在50%以上；孫暉[9]研究設計了用于電動機調速的勢能回饋型串勵電動機斬波電路，并根據電力電子器件的有關特點配置了緩沖電路，實現了RTG 混合動力系統主電路的設計；熊偉[10]設計了軟開關雙向DC-DC 變換器，采用了移相控制的全橋軟開關變換器，研究了雙向DC-DC 變換器的控制策略；周明慧[11]比較了DC/DC 變換器不同拓撲的特點，確定Buck-Boost 電路作為主電路結構，在此基礎上進行軟硬件設計，并驗證了設計的正確性；鄧克勇等[12]對超級電容的充放電提出了恒溫功率跟隨控制策略，并通過實驗驗證節能效率達35%。

上述研究表明，超級電容方案的各關鍵技術都有所進展，但實際工業使用中的關鍵技術難點在于能量分配系統（Energy Storage System，ESS）的設計，該關鍵技術在超級電容、鋰電池、飛輪電池、LNG、氫能等領域都是研究熱點，即如何實現各能源單元之間的協調與匹配。為實現ESS 的設計，Harrison I 等[13]在英國費力克斯托港區的RTG 上搭建了能流檢測系統，能流檢測系統框圖如圖2 所示。該系統的目的是收集起升、小車、大車電動機在不同工況下發電機輸出端的三相電壓及電流數據，同時收集直流母排端的電壓、電流數據，后續可用于RTG-ESS 系統的仿真及驗證，這些數據的處理優化是ESS 的核心關鍵技術。超級電容方案在實際節能的效果上，國內有相關研究者做過統計。金毅[14]匯總了某港三期超級電容RTG 的節能測試數據，總結出超級電容系統RTG 與傳統的RTG 相比節能率達到35%以上，但受生產安排等因數制約，實際節能效果會略有差異。

圖2 能流檢測系統框圖

圖3 帶電池的飛輪儲能系統

2）鋰電池方案

鋰電池方案與超級電容方案在技術方面比較近似，主要區別是儲能單元的選擇有所不同。由于超級電容的能量密度低，單位容積的電量存儲有限，且超級電容的放電電流不穩定，作為動力電源難以控制[15]，導致超級電容的市場接受度相對較低。鋰電池方案具備了存儲容量大、放電電流穩定、無污染及安全性能好等優點，是目前RTG 理想的能量存儲單位[16]。目前，鋰電池方案的主要技術路徑有2 個方向，分別是小容量鋰電混合動力方案、大容量鋰電池混合動力方案。黃婷等[17]在綜合對比這2 種方案性能的前提下，以某港混動RTG 為研究對象，分別從平均節能百分比、減排、投資回報期/年、壽命/年、柴電機組裝機功率等5 個維度進行對比，總結認為大功率鋰電池混合動力RTG 是最佳的方案選擇，綜合節能達到70%左右。鋰電池方案的關鍵技術主要涉及以下方面：

①諧波抑制技術 徐磊等[18]基于變頻器一次側、二次側的諧波總量分析，設計了變頻器一次側無源LCL濾波器以及二次側正弦波濾波器，并配置于鋰電池RTG中，從而降低了高次諧波對系統的影響，提高了系統工作效率，擴大了容量，并降低了運營成本，這種濾波形式相對簡單，成本較低，但濾波效果的精度不夠；翁朝陽[19]則研究強跟蹤濾波和Sage-Husa 自適應濾波方法，提出了一種改進型Sage-Husa 自適應強跟蹤卡爾曼濾波算法，分別從初值敏感度、跟蹤突變能力以及估算精度方面進行試驗仿真，驗證了改進型算法具有更好的魯棒性與精度。

②有源前端（Active Front End，AFE) 脈寬調制PWM整流技術 該技術由世界各大著名電控商所掌握，但國內已有學者針對鋰電池方案的有源前端展開研制工作。吳杰等[20]針對大容量鋰電池混合動力RTG 研究AFE 在不同控制下對混合動力RTG 的系統性能影響。然而，該研究仍處于理論階段推導，尚未經市場檢驗其效果。

③鋰離子技術 周琦[21]概述了某企業港口機械設備上使用的鋰電池主要類型，即磷酸鐵鋰和鎳鈷錳酸鋰2 種類型，這也是目前港口機械市場上普遍接受的2 種鋰電池；許升元等[22]在大連港RTG 鋰電池改造過程中選用了鈦酸鋰電池，鈦酸鋰電池具有穩定的三維晶體結構，被稱為零應變材料，同時也是鋰電中壽命最長、安全度最高的電池；吳爾卡等[23]基于當前技術的發展提出了一種鋰離子電容器，這種新型電化學電容器可以綜合鋰電池和超級電容的優良特性。另外，文獻[17]還展望了一種新儲能設備，即石墨烯表面鋰離子交換電池，其功率密度比商業鋰電池高100倍，比超級電容高10倍，充電時間很短，且儲能密度高，但受制于制備技術導致石墨烯的提取困難，無法用于大規模工業生產。

3）飛輪電池方案

飛輪電池方案是將RTG 產生的再生能量驅動飛輪高速旋轉實現能量的存儲，當外界需要用電時可將這部分能量回饋給系統。目前，飛輪儲能技術已不同限度的在能源電力、航空航天、交通運輸、竣工制造等領域得到應用[24]，但在港口機械領域國內外相關的應用、研究較少，故有必要對已有的相關的研究進行總結。對于飛輪儲能在港口機械上的應用，可查的現有相關資料顯示美國洛杉磯港于2008 年采購過一批Vycon 公司的飛輪儲能系統用于RTG，實現了25%的能耗降低及柴油機的排放降低。雖然節能數據與鋰電池方案相對比，其綜合節能率遠低于鋰電池方案，但這是全世界首例將飛輪儲能應用于港口機械，為后續飛輪儲能系統應用于港口機械的研究提供了實證性案例。而后，國內外陸續出現一些涉及飛輪儲能技術用于港口機械的學術性研究成果。許加凱[25]以混合動力RTG 驅動系統的飛輪儲能系統為研究對象，建立了RTG 的能量需要和能量供給模型，以及永磁發電/電動一體機在轉子同步坐標系的數學模型，以此為基礎對永磁同步電動機在充電和放電時的電流控制策略進行分析，最后利用軟件實現了仿真研究，雖然此項研究內容廣泛，但仍處于實驗室仿真階段，尚未用于實際生產；Flynn M M等[26]探討了一種飛輪儲能系統在RTG 起升、下降過程中的工況，并測試了飛輪儲能系統的節能情況，在采用飛輪儲能系統后，RTG 耗油率降低20.9%，氮氧化物排放降低25.9%，顆粒排放降低了66.7%；Oliveira J G D[27]以帶電池的飛輪儲能系統為研究對象（圖見3），在低功率側設計了DC/DC 及DC/AC 的整流器，高功率側設計了AC/DC/AC 整流器，搭建了一套控制策略實現對飛輪系統的穩定控制，這套系統的特點是比飛輪儲能系統新增了電池儲能，從而實現了儲能容量的提升，但這種方式的儲能效率有所降低；Pietrosanti S等[28]研究開發了一套功率管理策略，并利用Matlab 的RTG（帶飛輪儲能系統）模塊進行仿真計算，為確保仿真結果的真實性，仿真輸入數據采用了英國某港RTG操作過程的真實數據，仿真結果證明了該套功率管理策略在節能效率和降低峰值功率需求方面優于設備已有的控制策略；Tan K H 等[29]在Janaina I 和Pietrosanti S 的研究基礎上進一步研究了飛輪儲能系統（帶電池）管理系統應用于RTG 的過程中飛輪儲能系統的節能效率，搭建一套（Hardware in Loop)臺架進行仿真，并總結出飛輪儲能系統總體節能可達30%。飛輪儲能方案目前并未在港口普及，其主要原因有：①如采用飛輪儲能通常需配置柴油機，實現能源交替供應，該模式雖能通過飛輪儲能降低柴油機能耗，但無法從源頭刪除柴油機高污染能源供給單位；②飛輪系統昂貴，美國能源機構統計飛輪儲能的價格為600 ～2 400 USD/kW，而依據Parise G 等[30]測算飛輪儲能的價格為200 ～350 USD/kW；③飛輪儲能系統的安裝復雜，不能長時間儲能、維修價格比超級電容而言更昂貴是該產品無法在港口廣泛推廣的原因。

2.3 市電RTG 方案

市電RTG 方案指的是RTG 在作業階段主要利用市電而不是柴油機實現RTG 的供電，從而實現降低減排。市電RTG 目前的技術路徑分為電纜卷盤供電、高架交流滑觸線供電和低架滑觸線供電3 種形式，其中低架滑觸線供電形式又分為低架公共直流母線滑觸線方案和低架交流安全滑觸線方案2 種。國內外各大港口為應對節能減排的政策性要求陸續采用適應其自身條件的市電RTG 方案，如2003 年深圳、上海等集裝箱碼頭陸續采用電纜卷盤供電形式；2006 年青島港率先開始使用低空滑觸線方案完成了60 多臺RTG 改造。2007 年上海港率先開始使用高空滑觸線供電方案高架交流滑觸線供電方式[31]。而后，國內逐漸出現針對不同技術路徑的新技術、新概述。夏玉峰等[32]設計了一種新型低架安全滑觸線結構，以實現取電小車的電動自動插拔，改變了傳統取電小車的液壓或氣動方式；朱德平等[33]就現場管理人員不愿進行手動插拔電操作結合GPS 技術設計一套RTG 作業區域自動識別系統，以實現RTG 的發動機在電區與油區之間的智能自動轉換，而無需相關人員介入；朱琳杰[34]介紹了一種有源前端（Active Front End）技術應用于高架交流滑觸線形式，AFE 能量回饋系統的投入使電網諧波被控制在4%以內，功率因數提高至0.998，電能回饋的節能效率為34%；周家海等[35]全面系統地總結了上述3 種技術路徑的關鍵點，并分析了供電方式的性能，從而對不同技術路徑下的適用性提出了見解；李文杰[36]以上海港為例研制了一種高架RTG 集電桿遙控拉桿裝置。從上述的新技術可見，市電RTG 方案的新技術更多傾向于機械結構的創新、新輔助系統的配置，從而實現更為穩定的供電。

市電RTG 方案在2003 年～2014 年蓬勃發展，市電RTG 的節能減排成效是毋庸置疑的，但該方案也存在一定問題，如一定意義上犧牲了RTG 的獨有特性即其靈活性，且設備的穩定性有所降低，維修工作量有所上升。然而，受燃料能源、氫能源技術、儲能技術的限制，市電RTG方案是節能減排政策導向下當時的唯一選擇。目前，隨著相關技術的發展，RTG 將逐步回歸至其原有屬性，故市電RTG 方案的適用性將有所降低。

2.4 替代能源方案

與RTG 的混合動力方案相比，替代能源方案指的是利用天然氣、氫氣等富氫氣體作為燃料替代常規的柴油燃料，從而實現二氧化碳的排放量的減少，實現節能減排。目前已成功應用于RTG 的有2 種替代能源，分別是液化天然氣（Liquefied Nature Gas，LNG）和氫氣。

1）液壓天然氣（LNG）

2014 年，全球首臺液壓天然氣RTG 在國內試制成功，而后經過對LNG-RTG 的節能指標進行監測，相關數據顯示污染物排放量降低82.2%，其減排效果顯著[37]。然而，LNG-RTG 的推廣仍受到相關關鍵技術及政策的限制，主要有以下因素：①燃氣發動機技術。目前，燃氣發動機主要適用于公路用車和重卡的小功率燃氣發動機，暫無適應RTG 的大功率天然氣發動機，且市場上的燃氣發動機為恒轉速燃氣發動機，與同功率柴油發動機相比熱能與機械能轉換的效率相對較差，故會出現LNG-RTG 動力不足的現象[38]；②氣瓶氣罐技術。目前，國內氣瓶廠家能確保5 d 內氣瓶不升溫，但5 d之后瓶內天然氣開始氣化揮發，10 d 之后可能瓶內只剩10%的液體[39]。國內學者雖對此問題展開了研究，如李陽等[40]采用復合高真空多層絕熱技術對低溫絕熱氣瓶的結構進行優化，使氣瓶的泄熱量大大減少，但尚未進入實質性工業化使用；③安全高效控制技術。為確保LNG-RTG 在不同環境下LNG 氣源的安全可靠，實現LNG 動力集裝箱碼頭裝卸系統自動化操縱控制和協調控制，尚需開發及研制相關控制技術[41]；④節能減排的評價方法和體系適應性不夠。由理論分析與實際測試表明，LNG 動力與柴油機相比折算成標準煤并不占優勢，LNG-RTG 初步測試標準煤消耗是柴油機RTG 的1.27 倍[42]，由此LNG-RTG 只實現了減排卻未實現節能的目標；⑤運輸限制較強。以上海某港為例，每天只有2 h 可運輸LNG，且黃色預警天氣禁止運輸LNG，故無法確保相關設備的用氣需求。

2）氫燃料電池

氫燃料電池(以下簡稱氫電)不是燃燒氫氣，也不像鉛酸或鋰電池一樣儲存電量，而是將氫氣和氧氣通過電化學反應轉換成電能的發電裝置。隨著氫氣的不斷輸入，氫燃料電池能連續不斷地產生電能，最后的產物只有水而無污染、零排放[43]，且氫燃料電池可以快速充電，證明能在極端炎熱和寒冷的環境中有效運行，可提供與柴油相同或更多的動力。為此，國內外很多廠家開始將氫燃料電池應用于RTG。2021 年，全球首臺氫燃料電池RTG 在國內投入使用，近零排放(NZE) RTG Transtainer 概念[44]得到了國內外同行的認可宣貫，并于2022 年9 月宣布氫燃料電池的研制成功。2023 年，Mi-Jack 將著手于將柴油機動力RTG 改造成氫動力。由以上動態可見，鑒于氫燃料的特有優勢屬性，氫動力RTG 是未來RTG 發展的重要方向，也將是重要的研究熱點方向。

目前，限制氫動力RTG 普及的相關技術及政策瓶頸主要包括：①燃料電池系統，目前國內暫未有一套成熟的燃料電池系統，致使燃料電池的采購成本較高[45]，而全球范圍內現代汽車的氫燃料電池在各領域的使用較廣泛；②國內加氫配套設施處于起步階段，截至2019年11 月，我國已投產的加氫站僅為41 座[46]；③儲存和運輸技術受限制，港口設備加注氫能燃料需利用移動式加氫裝置和長管拖車，直接造成使用成本攀升，氫氣的使用成本也較高[47]；④氫能技術標準體系尚不完善，在一定程度上制約了氫能的發展，給氫能設備應用過程的合規性增加了不確定因素。

2.5 其他節能方案

混合動力方案、替代能源方案和市電方案的主要方式是變更能源動力機構從而實現節能減排，但對于RTG 而言，通過相關技術手段實現其他耗能元件的節能減排也是研究方向之一。蔣旻[48]總結了國內某港二期的節能改造經驗，其一為吊具節能改造，即將吊具油泵電動機變更為調速電動機，基于吊具的不同工況變更轉速實現節能，但該方式的節能效果不明顯；而徐聰[49]介紹的新型電動化集裝箱吊具經測算使用電動吊具平均每年比原液壓吊具節省5 萬余元人民幣，結合改造投入，成本投入回收2 年多左右，經濟效益明顯。其二為投光燈節能改造，即基于投光燈的不同工況，利用PLC 實現不同區域投光燈的控制，進而實現節能改造。然而，這種方式的投光燈節能改造受到投光燈屬性和單一控制方式的影響，導致節能效果不顯著。劉彬等[50]介紹了一種基于DALI-Bus 技術的投光燈控制方案，該方案采用了LED 投光燈，這種LED 投光燈可通過DALI-Bus 通訊方式實現燈光照度的變化，進而實現投光燈照度的群控，在這種控制模式下，投光燈能耗降低21%；王黎明[51]介紹了一種針對輪胎式龍門起重機起升機構的配重節能方案，即在吊具和上架上加裝配置平衡裝置，使吊具勢能與平衡塊勢能相互轉換，從而減小吊具的起升載荷，達到節能效果，使投資回報周期為1.5 ～5 a，減排效果明顯；王吉明等[52]介紹了一種水循環冷卻系統用于RTG 驅動器及發電機部分，另外配置冷卻風扇于柴油機，通過不斷冷卻運行機構的方式實現節能目的。

3 展望

RTG 節能技術發展主要趨向于混合交叉性應用，如秦紫陽等[53]提出了一種基于飛輪-超級電容混合儲能系統設計方法，并利用Matlab 仿真分析得出最優配置方案；陸青[54]介紹了光儲電站應用于集裝箱碼頭，結合鋰電池、儲能變流器等儲能設備實現了太陽能、設備再生能量利用，實現節能減排，從微觀的角度看，RTG 也可實現太陽能與鋰電池及其他儲能單元的結合應用；文獻[38]介紹了應用于RTG 的天然氣與鋰電池的混合使用，經濟性和減排效果有效明顯；周超群[55]介紹了氫能與鋰電池應用于RTG 上的參數配置，并預測了2030 年的氫能使用前景。由此也可以看出，未來混合動力RTG 的發展路徑的可選擇性較多，具體發展路徑則受到不同儲能單位的關鍵技術發展情況、相關配套及政策引導等各方面因素影響。