輪胎式集裝箱門式起重機節能降耗技術淺析

       本文針對港口集裝箱碼頭大量使用的RTG,，分析了適用的節能降耗技術，節能型RTG和電動RTG具有各自的優缺點。節能型RTG在節能降耗的前提下

，充分保留了RTG機動靈活的優點
；電動RTG則更著眼於節能降耗，運營成本低，環保效果好，但是轉場不便，而且要增加碼頭的電力基礎設施投資。因此，這就需要碼頭用戶和RTG製造商共同探討，根據各個集裝箱碼頭不同的使用環境和特點，提出適用的可行節能降耗方案。
1．引言

       輪胎式集裝箱門式起重機（RTG）是世界各大集裝箱專業化碼頭堆場的主力設備，它具有碼頭基礎的投資成本低、機動靈活可轉場作業、便於分期分批購置等優點，一直受到廣大集裝箱作業碼頭的歡迎，在用數量占場橋總數量的85％左右。但是，傳統RTG由柴油發電機組驅動，能量轉換效率低
、能耗大、成本高。同時RTG在(zai)作(zuo)業(ye)時(shi)排(pai)放(fang)的(de)廢(fei)氣(qi)黑(hei)煙(yan)和(he)柴(chai)油(you)機(ji)運(yun)轉(zhuan)時(shi)產(chan)生(sheng)的(de)巨(ju)大(da)噪(zao)音(yin)以(yi)及(ji)柴(chai)油(you)存(cun)放(fang)與(yu)使(shi)用(yong)中(zhong)的(de)環(huan)境(jing)汙(wu)染(ran)也(ye)與(yu)日(ri)益(yi)嚴(yan)格(ge)的(de)環(huan)保(bao)要(yao)求(qiu)有(you)一(yi)定(ding)距(ju)離(li)。伴(ban)隨(sui)著(zhe)近(jin)年(nian)來(lai)全(quan)球(qiu)經(jing)濟(ji)高(gao)速(su)增(zeng)長(chang)引(yin)起(qi)的(de)以(yi)石(shi)油(you)為(wei)代(dai)表(biao)的(de)化(hua)石(shi)能(neng)源(yuan)的(de)日(ri)益(yi)短(duan)缺(que)，國(guo)際(ji)油(you)價(jia)不(bu)斷(duan)刷(shua)新(xin)曆(li)史(shi)記(ji)錄(lu)，持(chi)續(xu)快(kuai)速(su)上(shang)漲(zhang)，給(gei)各(ge)大(da)擁(yong)有(you)大(da)量(liang)RTG的集裝箱碼頭的營運成本帶來了巨大的壓力。

       中國政府在“十一五”規(gui)劃(hua)中(zhong)明(ming)確(que)提(ti)出(chu)節(jie)能(neng)降(jiang)耗(hao)和(he)防(fang)汙(wu)減(jian)排(pai)的(de)目(mu)標(biao)，具(ju)有(you)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)戰(zhan)略(lve)意(yi)義(yi)。近(jin)年(nian)來(lai)
，世(shi)界(jie)各(ge)大(da)港(gang)口(kou)機(ji)械(xie)製(zhi)造(zao)商(shang)和(he)配(pei)套(tao)商(shang)都(dou)投(tou)入(ru)了(le)研(yan)發(fa)力(li)量(liang)試(shi)圖(tu)改(gai)進(jin)傳(chuan)統(tong)RTG的傳動技術。傳統RTG的節能降耗技術主要分為節能型RTG和電動RTG兩個研發方向。節能型RTG主要是采取提高柴油發電機組的能源利用效率和把RTG在下方重物和運行機構製動時產生的再生回饋能量儲存起來加以利用等技術措施，通過提高整機能源利用率實現節能降耗。電動RTG就是“油改電”運行，RTG的工作所需電力不再使用柴油發電機組，而是取自碼頭堆場提供的廉價市電；同時
，由於采用市電驅動，RTG工作時的再生反饋能量也可采用成熟的能量回饋技術，整機的能源利用率很高。下麵，就這兩種已經進入實際工程應用的RTG節能降耗技術作以詳細探討。
2．節能型RTG的技術分析

節能型RTG采用的主要技術有：

（1）提高柴油發電機組的能源利用效率。

        在普通RTG中，柴油機隻有怠速與全速兩擋的工作速度：怠速用於待機工況；全速用於工作工況。由於RTG的係統載荷是變化的、feixianxingde，yincizaizaihejiaoqingshi，chaiyoujiyifadianjizuxiaolvjiaodi

，zaochengnenglianglangfei。chaiyoujitexingjuedingleqizaibutongxuqiugonglvxiayoubutongdejingjiyouhao

，ruguonengtongguomouzhongfangshizhaochuzhetiaozaibutonggonglvxiadejingjiyouhaoyuzhuansuquxian
，bingduicijinxingkongzhi
，jiangkeyidadatigaochaiyoujiyifadianjizudexiaolv，qudehenhaodejienengxiaoguo。

        目前，實用的工程技術是以西門子公司的ECO節能技術為代表的發動機速度調節方式。此技術的關鍵是根據RTGbutonggongkuangduigonglvxuqiudebutong
，gaibianchaiyoujidezhuansu，tiaozhengshuchugonglv

，shixianjingquededongtaigonglvguanli，congershixianjieshengyouhaojiangdichengben，tigaozhengjinengyuanliyonglv。

（2）把RTG在下方重物和運行機構製動時產生的再生回饋能量儲存起來加以利用。

        RTG的再生能量主要指的是起升機構下降過程
、大車和小車機構減速過程中產生的再生能量，這部分能量占有整個運行循環的30％以上。由於再生能量無法回饋
，普通RTG的de做zuo法fa是shi直zhi接jie通tong過guo能neng耗hao電dian阻zu以yi發fa熱re的de形xing式shi白bai白bai消xiao耗hao掉diao。對dui這zhe部bu分fen能neng量liang進jin行xing再zai利li用yong，不bu僅jin可ke以yi節jie能neng，而er且qie可ke以yi彌mi補bu起qi升sheng機ji構gou吊diao重zhong載zai上shang升sheng過guo程cheng及ji各ge機ji構gou突tu然ran加jia速su時shi的de突tu加jia功gong率lv需xu求qiu
，從cong而er使shi發fa動dong機ji可ke以yi基ji本ben工gong作zuo在zai非fei過guo載zai狀zhuang態tai，容rong易yi熄xi火huo的de現xian象xiang將jiang基ji本ben不bu存cun在zai，這zhe將jiang有you效xiao地di提ti高gao發fa動dong機ji的de使shi用yong壽shou命ming並bing達da到dao良liang好hao的de環huan保bao效xiao果guo。解jie決jue這zhe個ge問wen題ti的de關guan鍵jian是shi要yao有you一yi套tao儲chu能neng和he回hui饋kui裝zhuang置zhi
，能neng夠gou快kuai速su吸xi收shou再zai生sheng能neng量liang，並bing在zai係xi統tong需xu要yao時shi能neng立li即ji投tou入ru使shi用yong。

        目mu前qian
，實shi用yong的de工gong程cheng技ji術shu是shi以yi超chao級ji電dian容rong和he飛fei輪lun儲chu能neng係xi統tong為wei代dai表biao的de能neng量liang存cun儲chu與yu回hui饋kui方fang式shi。利li用yong超chao級ji電dian容rong的de能neng量liang存cun儲chu與yu回hui饋kui方fang式shi的de典dian型xing代dai表biao是shi振zhen華hua港gang機ji的de綠lv色seRTG

，利用飛輪儲能係統的能量存儲與回饋方式的代表是VYCON公司的飛輪節能係統。

        超chao級ji電dian容rong的de原yuan理li並bing非fei新xin技ji術shu，常chang見jian的de超chao級ji電dian容rong大da多duo是shi雙shuang電dian層ceng結jie構gou
，同tong電dian解jie電dian容rong器qi相xiang比bi，這zhe種zhong超chao級ji電dian容rong能neng量liang密mi度du和he功gong率lv密mi度du都dou非fei常chang高gao。同tong傳chuan統tong的de電dian容rong器qi和he二er次ci電dian池chi相xiang比bi
，超chao級ji電dian容rong儲chu存cun電dian荷he的de能neng力li比bi普pu通tong電dian容rong器qi高gao
，並bing具ju有you充chong放fang電dian速su度du快kuai
、效率高、對環境無汙染、循環壽命長、使用溫度範圍寬
、安全性高等特點。 隨著社會經濟的發展
，人們對於綠色能源和生態環境越來越關注
，超級電容器作為一種新型的儲能器件,因為其無可替代的優越性
，越來越受到人們的重視。在最近幾年中，超級電容器已經開始進入很多應用領域，如消費電子
、工業和交通運輸業等領域。

         當然，上述兩類技術不是孤立的，可以結合起來使用，節能降耗的效果會更加明顯。下麵就市場上出現的幾種新型節能型RTG作以簡要介紹。

2．1 Siemens的經濟節能型RTG(ECO－RTG)

        ECO－RTG與普通型RTG最大的不同在於它的柴油發電機組。它運用最新的驅動技術，在達到普通型RTG操作效率的基礎上，最大限度地降低柴油機油耗。Siemens針對RTG的控製要求，研發了節能機型RTG(ECO－RTG)，相對於普通RTG，它有幾個關鍵技術特點：① 增速齒輪箱；② 水冷高速同步永磁發電機；③ 水冷式變頻器及其配套電氣元器件；④ DICO發(fa)動(dong)機(ji)控(kong)製(zhi)裝(zhuang)置(zhi)。其(qi)原(yuan)理(li)體(ti)現(xian)了(le)係(xi)統(tong)功(gong)率(lv)和(he)能(neng)量(liang)需(xu)求(qiu)的(de)綜(zong)合(he)管(guan)理(li)，它(ta)基(ji)於(yu)成(cheng)熟(shu)的(de)已(yi)市(shi)場(chang)化(hua)的(de)汽(qi)車(che)行(xing)業(ye)成(cheng)功(gong)應(ying)用(yong)的(de)混(hun)合(he)動(dong)力(li)電(dian)氣(qi)驅(qu)動(dong)技(ji)術(shu)。ECO —RTG通過所有元件準確的動態功率管理、發(fa)動(dong)機(ji)待(dai)機(ji)控(kong)製(zhi)，發(fa)動(dong)機(ji)的(de)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)由(you)電(dian)動(dong)機(ji)消(xiao)耗(hao)功(gong)率(lv)直(zhi)接(jie)控(kong)製(zhi)，且(qie)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)無(wu)延(yan)遲(chi)，從(cong)而(er)使(shi)發(fa)動(dong)機(ji)總(zong)是(shi)處(chu)於(yu)最(zui)佳(jia)運(yun)行(xing)區(qu)域(yu)或(huo)怠(dai)速(su)狀(zhuang)態(tai)。

       普通RTG啟動柴油機後，就始終保持在全速運轉的狀態下，即使不進行吊箱作業也要浪費一部分能量，而ECO－RTG采用兩台單機容量180KW的新型發電機，在柴油機怠速的情況下
，就能滿足RTG輔助功能的用電需求。當RTG進行吊箱作業時


，控製係統根據實際的負荷大小調整並優化發動機的轉速，使其工作在高效運轉速度範圍內，具體如下：操作主令手柄將給定的速度傳遞給PLC，PLC根據速度和負載情況，將需要的電流、功率等信息傳遞給柴油機控製PLC，柴油機控製PLC相(xiang)應(ying)地(di)提(ti)高(gao)柴(chai)油(you)機(ji)轉(zhuan)速(su)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)發(fa)電(dian)機(ji)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)以(yi)滿(man)足(zu)機(ji)構(gou)動(dong)作(zuo)的(de)需(xu)要(yao)。當(dang)一(yi)個(ge)機(ji)構(gou)動(dong)作(zuo)結(jie)束(shu)後(hou)，柴(chai)油(you)機(ji)馬(ma)上(shang)由(you)高(gao)速(su)狀(zhuang)態(tai)切(qie)換(huan)到(dao)怠(dai)速(su)狀(zhuang)態(tai)，響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)不(bu)會(hui)超(chao)過(guo)2秒鍾。ECO－RTG的節能關鍵在於能夠根據負載的大小
，調整柴油機轉速
，在滿足RTG功率需求的同時，最大程度地減少能源浪費。

        根據西門子公司發布的測試結果（數據來源：馬士基西班牙Algeciras]

，在係統無超級電容的情況下
，對比油料消耗測量值，可節約柴油48%~50%；在係統加裝超級電容的情況下
，對比油料消耗測量值，可節約柴油69%~70%。國內的廈門嵩嶼集裝箱碼頭已有新型ECO-RTG在2007年投入實際使用
，從現場反映的情況看，節能環保效果明顯。

       從實際應用看，如對普通的RTG進jin行xing技ji術shu改gai造zao
，需xu要yao從cong發fa電dian機ji組zu至zhi控kong製zhi元yuan器qi件jian整zheng套tao更geng新xin，整zheng機ji改gai造zao範fan圍wei大da，費fei用yong高gao。此ci項xiang技ji術shu主zhu要yao應ying用yong於yu港gang口kou機ji械xie製zhi造zao商shang研yan發fa的de新xin產chan品pin。

2．2 TM GE—RTG

       TM GE(東芝、三菱
、通用電氣)

，針對RTG的節能控製要求，研發了獨特的節能電控係統Fuel Efficient-RTG。該係統既可應用於新采購的RTG，也可用於舊RTG的(de)電(dian)控(kong)係(xi)統(tong)改(gai)造(zao)，適(shi)用(yong)範(fan)圍(wei)廣(guang)。它(ta)的(de)主(zhu)要(yao)設(she)計(ji)理(li)念(nian)是(shi)通(tong)過(guo)合(he)理(li)地(di)改(gai)變(bian)柴(chai)油(you)發(fa)動(dong)機(ji)的(de)轉(zhuan)速(su)，達(da)到(dao)經(jing)濟(ji)提(ti)供(gong)電(dian)源(yuan)的(de)目(mu)的(de)。該(gai)係(xi)統(tong)關(guan)鍵(jian)的(de)技(ji)術(shu)特(te)點(dian)如(ru)下(xia)：① 可變速發動機；② 變流器；③ 逆變器；④ 超級電容和DC／DC變換器。

        該係統中增加了逆變器、bianliuqi


，tongshiyegaibianleyuanlaifadongjidehengsuyaoqiu。zhengtaoxitongdeshejijinduizhiliumuxianjinxinglechuli
，duiyuzhiliumuxianyixiadedianjikongzhijunmeiyourenhebianhua。yinci，tabaochileyuanRTG的控製模式，使原有的優良特性得到繼承。

        可變速發動機對於可變速柴油發動機的精確調速控製是TM GE—RTG係統的精髓。當RTG載荷需求功率較小時
，可通過使發動機工作在額定速度以下，達到降低柴油的消耗、噪音和維護成本的目的。TM GE—RTGxitonggenjusuduhedianliuceliangzhi

，jisuanchushijixuyaodezhuanju，zaijingguochaiyoujizhuanjuyuzhuansudezhuanhuan，quedingchaiyoujidepenyouliang。youyufuzaidianliudebianhuafeichangxunsu，tujiatujiangfuzaigeifadongjidezhuansubianhuatichuhengaodeyaoqiu。shijianzhengming，caiyongdianpendekebiansufadongjiwanquannenggoumanzuyaoqiu。

        DC—DC變換器是變頻器直流母線和超級電容之間的電能轉換裝置。當RTG的起升機構下降、大車和小車機構減速時
，電動機會向直流母線上回饋電能。直流母線電壓升高到一定限值時，DC—DC變換器可以將電能注入到超級電容。當母線電壓下降，係統中需要電能補給時，超級電容中的能量能適時的進行補充；nengliangbuzushi，keyiyouketiaosufadianjitiaozhengzhuansu
，jinyibuzhurunengliang。zaizhongwuxiajiangjieshuhou，chaojidianronghuijijuchongzudenengliang。tongshi，ruguochangshijiandaiji
，youyufadongjitongyangyouduoyudenengliangshuchu，yekeyiyouDC—DC變換器注入到超級電容。

Fuel Efficient RTG理想狀態的節能效率可以達到30％左右。TM GE還提供