轮胎式集装箱门式起重机节能降耗技术浅析

   本文针对港口集装箱码头大量使用的RTG,，分析了适用的节能降耗技术，节能型RTG和电动RTG具有各自的优缺点。节能型RTG在节能降耗的前提下，充分保留了RTG机动灵活的优点；电动RTG则更着眼于节能降耗，运营成本低，环保效果好，但是转场不便，而且要增加码头的电力基础设施投资。因此，这就需要码头用户和RTG制造商共同探讨，根据各个集装箱码头不同的使用环境和特点，提出适用的可行节能降耗方案。

    1．引言
    轮胎式集装箱门式起重机（RTG）是世界各大集装箱专业化码头堆场的主力设备，它具有码头基础的投资成本低、机动灵活可转场作业、便于分期分批购置等优点，一直受到广大集装箱作业码头的欢迎，在用数量占场桥总数量的85％左右。但是，传统RTG由柴油发电机组驱动，能量转换效率低、能耗大、成本高。同时 RTG在作业时排放的废气黑烟和柴油机运转时产生的巨大噪音以及柴油存放与使用中的环境污染也与日益严格的环保要求有一定距离。伴随着近年来经济高速增长引起的以石油为代表的化石能源的日益短缺，油价不断刷新历史记录，持续快速上涨，给各大拥有大量RTG的集装箱码头的营运成本带来了巨大的压力。
    中国政府在“十一五”规划中明确提出节能降耗和防污减排的目标，具有非常重要的战略意义。近年来，世界各大港口机械制造商和配套商都投入了研发力量试图改进传统RTG的传动技术。传统RTG的节能降耗技术主要分为节能型RTG和电动RTG两个研发方向。节能型RTG主要是采取提高柴油发电机组的能源利用效率和把RTG在下方重物和运行机构制动时产生的再生回馈能量储存起来加以利用等技术措施，通过提高整机能源利用率实现节能降耗。电动RTG就是“油改电” 运行，RTG的工作所需电力不再使用柴油发电机组，而是取自码头堆场提供的廉价市电；同时，由于采用市电驱动，RTG工作时的再生反馈能量也可采用成熟的能量回馈技术，整机的能源利用率很高。下面，就这两种已经进入实际工程应用的RTG节能降耗技术作以详细探讨。

    2．节能型RTG的技术分析
    节能型RTG采用的主要技术有：
    （1）提高柴油发电机组的能源利用效率。
    在普通RTG中，柴油机只有怠速与全速两挡的工作速度：怠速用于待机工况；全速用于工作工况。由于RTG的系统载荷是变化的、非线性的，因此在载荷较轻时，柴油机一发电机组效率较低，造成能量浪费。柴油机特性决定了其在不同需求功率下有不同的经济油耗，如果能通过某种方式找出这条在不同功率下的经济油耗与转速曲线，并对此进行控制，将可以大大提高柴油机一发电机组的效率，取得很好的节能效果。
    目前，实用的工程技术是以西门子公司的ECO节能技术为代表的发动机速度调节方式。此技术的关键是根据RTG不同工况对功率需求的不同，改变柴油机的转速，调整输出功率，实现的动态功率管理，从而实现节省油耗降低成本，提高整机能源利用率。
    （2）把RTG在下方重物和运行机构制动时产生的再生回馈能量储存起来加以利用。
    RTG的再生能量主要指的是起升机构下降过程、大车和小车机构减速过程中产生的再生能量，这部分能量占有整个运行循环的30％以上。由于再生能量无法回馈，普通RTG的做法是直接通过能耗电阻以发热的形式白白消耗掉。对这部分能量进行再利用，不仅可以节能，而且可以弥补起升机构吊重载上升过程及各机构突然加速时的突加功率需求，从而使发动机可以基本工作在非过载状态，容易熄火的现象将基本不存在，这将有效地提高发动机的使用寿命并达到良好的环保效果。解决这个问题的关键是要有一套储能和回馈装置，能够快速吸收再生能量，并在系统需要时能立即投入使用。
    目前，实用的工程技术是以超级电容和飞轮储能系统为代表的能量存储与回馈方式。利用超级电容的能量存储与回馈方式的典型代表是振华港机的绿色RTG，利用飞轮储能系统的能量存储与回馈方式的代表是VYCON公司的飞轮节能系统。
    超级电容的原理并非新技术，常见的超级电容大多是双电层结构，同电解电容器相比，这种超级电容能量密度和功率密度都非常高。同传统的电容器和二次电池相比，超级电容储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。随着社会经济的发展，人们对于绿色能源和生态环境越来越关注，超级电容器作为一种新型的储能器件,因为其*的优越性，越来越受到人们的重视。在zui近几年中，超级电容器已经开始进入很多应用领域，如消费电子、工业和交通运输业等领域。
    当然，上述两类技术不是孤立的，可以结合起来使用，节能降耗的效果会更加明显。下面就市场上出现的几种新型节能型RTG作以简要介绍。

    2．1 Siemens的经济节能型RTG（ECO－RTG）
    ECO－RTG与普通型RTGzui大的不同在于它的柴油发电机组。它运用的驱动技术，在达到普通型RTG操作效率的基础上，zui大限度地降低柴油机油耗。 Siemens针对RTG的控制要求，研发了节能机型RTG（ECO－RTG），相对于普通RTG，它有几个关键技术特点：① 增速齿轮箱；② 水冷高速同步永磁发电机；③ 水冷式变频器及其配套电气元器件；④ DICO发动机控制装置。其原理体现了系统功率和能量需求的综合管理，它基于成熟的已市场化的汽车行业成功应用的混合动力电气驱动技术。ECO —RTG通过所有元件准确的动态功率管理、发动机待机控制，发动机的输出功率由电动机消耗功率直接控制，且控制系统无延迟，从而使发动机总是处于*运行区域或怠速状态。
    普通RTG启动柴油机后，就始终保持在全速运转的状态下，即使不进行吊箱作业也要浪费一部分能量，而ECO－RTG采用两台单机容量180KW的新型发电机，在柴油机怠速的情况下，就能满足RTG辅助功能的用电需求。当RTG进行吊箱作业时，控制系统根据实际的负荷大小调整并优化发动机的转速，使其工作在运转速度范围内，具体如下：操作主令手柄将给定的速度传递给PLC，PLC根据速度和负载情况，将需要的电流、功率等信息传递给柴油机控制PLC，柴油机控制PLC相应地提高柴油机转速，从而提高发电机输出功率以满足机构动作的需要。当一个机构动作结束后，柴油机马上由高速状态切换到怠速状态，响应时间不会超过2秒钟。ECO－RTG的节能关键在于能够根据负载的大小，调整柴油机转速，在满足RTG功率需求的同时，zui大程度地减少能源浪费。
    根据西门子公司发布的测试结果（数据来源：马士基西班牙Algeciras]，在系统无超级电容的情况下，对比油料消耗测量值，可节约柴油 48%~50%；在系统加装超级电容的情况下，对比油料消耗测量值，可节约柴油69%~70%。国内的厦门嵩屿集装箱码头已有新型ECO-RTG在 2007年投入实际使用，从现场反映的情况看，节能环保效果明显。
    从实际应用看，如对普通的RTG进行技术改造，需要从发电机组至控制元器件整套更新，整机改造范围大，费用高。此项技术主要应用于港口机械制造商研发的新产品。
    2．2 TM GE—RTG
    TM GE（东芝、三菱、通用电气），针对RTG的节能控制要求，研发了*的节能电控系统Fuel Efficient-RTG。该系统既可应用于新采购的RTG，也可用于旧RTG的电控系统改造，适用范围广。它的主要设计理念是通过合理地改变柴油发动机的转速，达到经济提供电源的目的。该系统关键的技术特点如下：① 可变速发动机；② 变流器；③ 逆变器；④ 超级电容和DC／DC变换器。
    该系统中增加了逆变器、变流器，同时也改变了原来发动机的恒速要求。整套系统的设计仅对直流母线进行了处理，对于直流母线以下的电机控制均没有任何变化。因此，它保持了原RTG的控制模式，使原有的优良特性得到继承。
    可变速发动机对于可变速柴油发动机的调速控制是TM GE—RTG系统的精髓。当RTG载荷需求功率较小时，可通过使发动机工作在额定速度以下，达到降低柴油的消耗、噪音和维护成本的目的。TM GE—RTG系统根据速度和电流测量值，计算出实际需要的转矩，再经过柴油机转矩与转速的转换，确定柴油机的喷油量。由于负载电流的变化非常迅速，突加突降负载给发动机的转速变化提出很高的要求。实践证明，采用电喷的可变速发动机完够满足要求。
    DC—DC变换器是变频器直流母线和超级电容之间的电能转换装置。当RTG的起升机构下降、大车和小车机构减速时，电动机会向直流母线上回馈电能。直流母线电压升高到一定限值时，DC—DC变换器可以将电能注入到超级电容。当母线电压下降，系统中需要电能补给时，超级电容中的能量能适时的进行补充；能量不足时，可以由可调速发电机调整转速，进一步注入能量。在重物下降结束后，超级电容会积聚充足的能量。同时，如果长时间待机，由于发动机同样有多余的能量输出，也可以由DC—DC变换器注入到超级电容。
    Fuel Efficient RTG理想状态的节能效率可以达到30％左右。TM GE还提供了使用超级电容的可选项方案，如果能将RTG的再生回馈能量有效地利用起来，将会更加提高整机的节能效率 。
    2．3 Yaskawa的H—RTG
    Yaskawa针对RTG的节能控制要求，研发了混合动力RTG控制技术。它的主要控制理念是：通过合理地降低柴油机一发电机组容量以及采用超级电容作为混合动力，使用DC/DC控制器，达到节省燃油和降低消耗的目的。其关键的技术特点是超级电容和DC/DC控制器变换技术。
    （1）储能电容
    它的作用主要是存储再生能量及在RTG各运行机构处于电动状态时提供所需电能，以减少柴油机一发电机组的载荷。系统采用公用直流母线排的形式，超级电容通过DC—DC变换器接到直流母线上。如果RTG处于怠速等候的工况下，发动机同样有多余的能量输出，其电能也直接向超级电容充电。
    （2）DC—DC变换器
    它是连接公用直流母线与超级电容的桥梁，通过2组IGBT单元构成可逆斩波回路，实现超级电容的充放电，完成能量的变换与传输。
    根据Yaskawa发布的测试数据，在香港一台起重能力40T、堆6过1高度的RTG上的对比测试，原RTG装备Cummins507KW发动机，而新型 H—RTG只用装备Cummins231KW发动机就可满足使用（超级电容为610V，40.1F，7.5MJ），平均1个作业循环能可节约柴油 42％。
    2．4 ZPM C的绿色RTG
    ZPMC的绿色RTG是针对RTG频繁、快速起动制动和位能、动能时而交变的特点，充分发挥超级电容的超大容量储能、快速充放电、充放电物理过程无化学反应、不污染环境、长使用寿命的特性，将超级电容并入起重机的柴油发电机回路，组成新型供电系统的更新换代的起重机。通过对柴油发电机组和超级电容的容量进行匹配优化，及ZPMC的充放电电路和监控电路，使RTG能有效的重复利用再生能量，成功地实现了环保型即所谓绿色RTG，取得良好效果。
    该系统能够快速储存起重机负载——集装箱下降时的能量，又能在负载起升时快速向负载释放所储能量，补充柴油机供电，使柴油机工作平稳、寿命延长，节能30%以上、经济性能提高20%，消除黑烟、林格曼黑度由二级变成零级，降低噪音4分贝以上。

    2．5 VYCON公司的飞轮节能系统
    VYCON飞轮节能系统的工作原理是，将RTG产生的再生能量储存在VYCON 的真空飞轮装置内，当系统有高能量需求时，将这部分能量回馈给系统。它在高负载循环条件下具有很好的节能效果。能量以旋转动能的方式储存，能量的储存和释放均通过电动机和发电机的高转动惯量转子的转动实现。
    该节能系统的优点有：
    （1）使用寿命长，可与RTG整机同寿命。
    （2）新旧RTG都可用，用于新设备时，发电机组容量将会大大降低，节能效果更加明显。
    （3）码头操作越繁忙，节能效果越明显。它特别适用于一些大型的、有长远投资的码头。
    （4）能与其他能量储存系统结合使用，甚至还能与发动机速度调节系统结合使用。
    （5）保护环境：氮氧化物减排25，颗粒减排66％，碳氢化合物总量减排23％。此结果得到美国加利福尼亚空气资源委员会验证。
    飞轮技术早在美国的航天工程已有成熟应用，当时是作为UPS后备电源考虑的。随着能源供应的紧缺，减排环保理念的加强，飞轮储能作为节能减排的*技术在各行业得到推广应用。2006年5月美国洛杉矶长荣码头的RTG采用飞轮技术，国内的厦门嵩屿集装箱码头也有采用VYCON飞轮节能系统的新型RTG 在2007年投入实际使用。

    3．电动RTG的技术分析
    RTG的节能降耗除了在RTG的发动机－发电机组和再生回馈能量两个方向采用节能降耗技术外，还可以吸取RMG的优势，即采用廉价、清洁的市电驱动，这就是我们俗称的“油改电”。由于采用市电驱动，RTG工作时的反馈能量也可采用成熟的能量回馈技术，整机的能源利用率很高，而且没有任何污染。使用市电的 RTG在保持了常规RTG原有各项功能的情况下，将RTG作业的能源供应方式由原来的大功率柴油发电机组供电改为通过由市电电网供电，仅配小功率柴油发电机组提供RTG转场行走所需电能，既保持了RTG可以转场的灵活机动，又节能环保，单位标箱能耗成本可降低约70%。不过，RTG“油改电”工程要增加码头的电力基础投资，并需要在基建投资时系统考虑整个码头的电力供应问题。
    RTG“油改电”的关键问题是供电方式的选择，包括电压等级及电力上机方式的选择。
    3．1 电压等级的选择
    为继续保留RTG可转场作业的优点，电动RTG方案中的RTG在转场时需与原场区的供电设施脱离，从安全、便于操作及不影响生产的角度考虑，应优先采用低压供电。
    目前国内大部分RTG的柴油发电机输出电压为460V，电机驱动电压为420～440V。现国内应用电动RTG的港口，供电电压等级有1000V、 690V及460V 3种。如果对原有RTG进行“油改电”改造，则应该优选460V供电方式，这种方式虽然供电电缆的压降稍大，但是由于省去电源电压变换的大容量电力变压器，而且所用的电气元件为标准规格，采购和实施方便，改造的成本低，易于实现。
    3．2电力上机方式的选择
    目前，在国内集装箱码头的RTG“油改电”技术主要有3种供电方式。
    3．2．1刚性滑触线供电
    其基本原理是，在集装箱堆场的箱区内架设刚性滑触线供电线路。当电动RTG在箱区作业时，关闭柴油发电机组，所需动力由专门设计的集电装置将市电从滑触线输送到RTG。RTG沿滑触线移动，实现对整个箱区的工作覆盖。当RTG需转场到另一箱区作业时，则切断市电电源与RTG的，改由柴油发电机组供电。转到堆场后，柴油发电机组停止工作，重新切换为由市电供电。
       刚性滑触线供电方式对集电器与滑触线之间的相对位置要求严格，因此，要实现RTG的刚性滑触线安全可靠供电，就要解决以下技术难点。
    （1） 刚性滑触线和轨道式集电小车的系统集成安装技术。
    （2） 集电小车的柔性牵引技术。为适应RTG跑偏、晃动的特点，RTG与集电小车之间应采用柔性牵引，消除两者之间相对位置变化对集电小车的影响，保证刚性滑触线对RTG的可靠供电。
    （3） 基于超声波测距技术的自动纠偏与防碰撞安全装置。
    （4） 采用大功率有自动断电保护功能的电力快速接头，实现电力快速、安全切换。
    采用刚性滑触线供电方式进行“油改电”改造，工程量小，投资少，结构简单。但是，这种供电方式的RTG 转场不方便，目前需要大功率电力快速接头，并配套小型柴油发电机组作为辅助动力实现转场。
    3．2．2高架滑触线供电
    其基本原理是，通过架设高空铜滑线来实现市电电源向RTG供电，RTG可以像公交电车那样从头顶上的高架滑触线获取电力。该方案主要由布置在两排集装箱堆场间的架线铁塔、架高滑触线、机上滑线导电器、地面配电箱等组成。架高滑触线采用双沟铜滑线，通过吊线器挂在承重索上保持水平，机上滑线导电器类似无轨单车的导电弓，同时集电器左右各有一定的摆动自由度，保证RTG在跑偏的状况下也能够可靠的供电。
高架滑触线供电方式的RTG，转场相对容易，保持了RTG的机动灵活性，但是工程投资相对较大，堆场上空网线较多，并需要考虑滑触线的防雷、防冰冻（严寒地区）问题。
    3．2．3电缆卷筒供电
    电缆卷盘供电型RTG由电缆卷盘、控制系统、导缆架、供电电缆、电缆插头、地面接线箱等各部件组成。当RTG沿堆场跑道行走时，由电缆卷盘的控制系统根据 RTG行走时供电电缆上的张力，通过变频控制来调节电缆卷盘的收放速度，使之与RTG的行走速度相匹配，可zui大程度的保证供电电缆的安全。供电电缆经导缆架后，可被准确引导进入地面电缆沟；或者在电缆卷筒行程的正下方，铺设拖缆槽和安装导向装置。电缆端部通过快速插头与地面接线箱连接获得市电，地面接线箱内设置有安全开关，保证所有电缆插头的插拔操作均在无电的情况下安全完成。
    RTG进行转场操作时，首先关闭地面接线箱内的安全开关，切断与市电连接，拔下与市电连接的快速插头（插头的插拔操作均处于无电的情况）。RTG转换至柴油发电模式，地面操作站将卷盘电缆人工回收到位，即可同普通RTG一样进行正常的转场操作。至新场地后再将快速插头插上本场地接线箱获得市电，RTG重新转换至市电模式运行。
    电缆卷筒供电方式，技术成熟，投资省，操作简单，但其转场时供电电缆需要转换供电接线箱。
    RTG“油改电”，在目前石油价格高昂的背景下，具有很大的成本优势，而且具有很好的环保效果。它具有以下优点：
    （1）节省设备运行成本。
    根据初步的统计数据，目前每TEU的能耗情况为：常规码头RTG（堆5过6，起重量40吨）需消耗2～2.2L柴油，使用市电的RTG需消耗2~3度电能。在现有市场油价、电价情况下其单位标箱能耗成本下降约70％，使用市电的RTG具有*的成本优势。
    （2）可转场，有较强机动性。
    （3）实现绿色RTG，无柴油机尾气污染和噪音。
    电动RTG在作业过程中柴油发电机组处于关闭状态，没有柴油机组尾气排放和发出的噪音，也没有柴油机对RTG整机结构造成的振动，RTG司机的操作环境得到*改善。同时，市电电网较柴油发电机组更稳定，使得RTG操作性得到提高。
    （4）可靠性高，维护工作量小。
    电动RTG在技术上可以使用较小功率的柴油发电机组代替常规RTG上使用的大功率柴油发电机组，而且由于使用频率大幅降低，仅在转场时使用，使得柴油机的大修间隔大大延长，RTG可靠性更高且可节省大量维护成本。
    （5）增加电能回馈系统可进一步节能
    电动RTG若增加电能反馈系统，吊重下降位能可通过逆变单元反馈电网，达总耗电量的20％以上，进一步节省能耗 。
 
（来源：中国工程机械银网）