輪胎式集裝箱龍門吊節(jié)能項目的應(yīng)用

        對于節(jié)能工作的重要性，《國務(wù)院關(guān)于加強節(jié)能工作的決定》明確規(guī)定：為深入貫徹科學(xué)發(fā)展觀，落實節(jié)約資源基本國策，調(diào)動社會各方面力量進一步加強節(jié)能工作，加快建設(shè)節(jié)約型社會，實現(xiàn)“十一五”規(guī)劃綱要提出的節(jié)能目標，促進經(jīng)濟社會發(fā)展切實轉(zhuǎn)入全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的軌道，特作如下決定：(1)充分認識加強節(jié)能工作的重要性和緊迫性；(2)用科學(xué)發(fā)展觀統(tǒng)領(lǐng)節(jié)能工作；(3)加快構(gòu)建節(jié)能型產(chǎn)業(yè)體系；(4)著力抓好重點領(lǐng)域節(jié)能；(5)大力推進節(jié)能技術(shù)進步；(6)加大節(jié)能監(jiān)督管理力度；(7)建立健全節(jié)能保障機制；(8)加強節(jié)能管理隊伍建設(shè)和基礎(chǔ)；(9)加強組織領(lǐng)導(dǎo)。

        事實證明，通過節(jié)能技術(shù)改造，是實現(xiàn)上述規(guī)定的重要環(huán)節(jié)，為確保社會可持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。港口起重機是港口行業(yè)生產(chǎn)中用能大戶，其中包括用電及用油(主要指生產(chǎn)中的柴油)，圖l為某個集裝箱碼頭的生產(chǎn)用能情況。圖1所示的能耗主要包括用電及用油耗用，其中的油耗占整個能耗的70％左右。在國家大力提倡用電能的條件下，如何降低油耗在整個生產(chǎn)中的比重顯得優(yōu)為重要。在此占70％比重的用油大戶主要是指用于生產(chǎn)作業(yè)的輪胎式集裝箱龍門起重機(以下簡稱龍門吊)：龍門吊用油量的減少可通過技術(shù)改造來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的龍門吊因在碼頭堆場內(nèi)作業(yè)，自身配備有柴油發(fā)動機組作為動力能源，滿足了作業(yè)的方便靈活性和轉(zhuǎn)場的需要，在堆場內(nèi)不受供電的局限，具有良好的機動性能。

圖1某集裝箱碼頭的生產(chǎn)用能表

大大提高了集箱裝裝卸效率。但其有以下缺點：
(1)耗油量大，成本高。以1臺龍門吊1個月作業(yè)5000箱次，1年6萬箱次計算，每作業(yè)1箱次的耗油量約2L柴油，每年1臺龍門吊用油量約100t，近60萬元人民幣；
(2)噪聲大、排放污染嚴重；
(3)發(fā)動機組故障多，維修成本高。維修成本包含定期更換機油、三濾等費用，定檢及例檢的人丁費用，以及發(fā)動機運行大約15000h后的大修費用等.近幾年來，國內(nèi)外各碼頭公司以及起重機制造廠商紛紛投入大量的人力物力進行龍門吊節(jié)能。降耗的技術(shù)改造項目研究。

混合動力方案
1. 超級電容方案

         傳統(tǒng)的龍門吊工作狀況為：當起重機吊起一個集裝箱時，起升電機需發(fā)動機供給足夠的電能，電機把電能轉(zhuǎn)化為動能，把集裝箱吊到所需高度，完成動能到勢能的轉(zhuǎn)變。當集裝箱下放時，起升電機處于發(fā)電狀態(tài)，因龍門吊無反饋到電網(wǎng)及逆變的裝置，此時的電能就消耗在直流母排上的能耗電阻上，電能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。超級電容的作法為：增加超級電容作為儲能裝置并人上述直流母排電路中，利用其大電流、快速充放電的特性，當集裝箱下降時，吸收電動機所發(fā)出的電能并儲存起來；當起重機要吊起集裝箱時，超級電容釋放電能，以補充電路所需的能量，起到降低發(fā)動機所需的電能。從而使龍門吊能有效的重復(fù)利用再生能量，成功地實現(xiàn)環(huán)保要求，取得了良好的效果。
        加裝超級電容后形成混合動力系統(tǒng)的優(yōu)點：
(1)有一定的減排效果，據(jù)測試，柴油機排放的煙氣黑度為林格曼黑度0級，即RTG每1次加載啟動時柴油機．排氣管不再冒污染環(huán)境的黑煙；
(2)突加載荷時柴油機噪聲降低4～5dB；
(3)能耗下降，燃油節(jié)省約30％～40％；
(4)柴油發(fā)動機組的功率選型可降低；
(5)柴油機工作平穩(wěn)性提高，可延長使用。

超級電容系統(tǒng)具有的缺點：
(1)電容的使用壽命為4～5年，需定期養(yǎng)護；
(2)平常需例行檢查，保養(yǎng)項目包括電容外表清潔、接線柱緊固檢查、檢查電腦自動記錄運行參數(shù)；
(3)電容供應(yīng)商每年需進行1次例行保養(yǎng)；
(4)由電容供應(yīng)商每3年進行1次大修；
(5)電容的質(zhì)量是決定超級電容系統(tǒng)好壞的最大因素，可容許充放電次數(shù)及頻率是決定使用壽命的長短。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的超級電容的質(zhì)量還有待于進一步提高。

2. 鋰電池方案
鋰是一種銀白色、十分柔軟的金屬元素，化學(xué)性能活潑，在金屬中是最輕的。它除了應(yīng)用于原子能工業(yè)外，可制造特種合金、特種玻璃(電視機上用的熒光屏玻璃)及鋰電池。在鋰電池中它用作電池的陽極，鋰電池的最大特點是比能量高，相同體積的鋰一二氧化錳電池的比能量是鎳鎘電池的3．75倍。
采用鋰電池混合動力方案的工作原理與超級電容相似，也是在直流母排中接入充、放電用的鋰電池組。鋰電池的充、放電工作是通過充放電控制器加以控制，電池的充電量一般控制維持在35％～45％間，因為35％～45％的充電量有利于延長鋰電池的使用壽命。鋰電池的儲存能量一般靠起重機機下降時反饋的電能給予充電，當不在此工況而鋰電池本身的電量少于35％時，來自發(fā)電機組的電能將給予補充。當起吊集裝箱上升時，鋰電池放電，有效地補充了起重機所需的峰值功率，使發(fā)動機組輸出的功率平穩(wěn)過渡，有效地保障了瞬時所需的峰值功率，見圖2。

圖2集裝箱工況示意圖

1．發(fā)動機組輸出電流曲線2．起升點所需的總電流曲線3．鋰電池供給的電流曲線

      鋰電池的優(yōu)點有：放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應(yīng)及無公害等；鋰電池的缺點有：價格較貴，目前尚不能普遍應(yīng)用；用于龍門吊直流母排充放電用的鋰電池壽命約4～5年。用鋰電池混合動力方案，發(fā)動機的節(jié)油量約為40％～50％，且可以減小發(fā)動機功率配備，當龍門吊起吊額定載荷時，發(fā)動機幾乎無黑煙排出，滿足節(jié)能減排要求。

3. 完全用市電的E—RTG方案
1. 電纜卷筒輸電方案
      電纜卷筒輸電方案指的是在龍門吊上加裝電纜卷筒機構(gòu)，通過電纜卷筒控制系統(tǒng)，帶動纏有供電電纜的電纜卷筒隨大車一起行走，供電電纜實時地處于張緊狀態(tài)、隨著電纜卷筒的轉(zhuǎn)動需自動地收放，從而實現(xiàn)用市電供電的模式。一般從供電站引一條高壓電纜把高壓電如1OkV引到現(xiàn)場的變壓器，經(jīng)現(xiàn)場變壓器(10kV／63V)變壓后到市電接線箱，因考慮電纜卷簡上供電纜的壓降及盡量減小此電纜的直徑，故市電接線箱的電壓取630～960V，經(jīng)電纜卷筒到龍門上后經(jīng)2次變壓為龍門吊所需的電壓如440V，保證供電質(zhì)量。電纜卷筒輸電方案因在岸橋及門機均有使用故此技術(shù)已非常成熟。根據(jù)碼頭自身的需要可以設(shè)置電纜溝，以保護電纜免受外界的破壞。
此供電方案的特點為：
(1)卷簡裝置不占地面空間，電纜存貯于纜槽中，利于上部電纜保護；
(2)龍門吊的機動靈活性能較好；
(3)防雨性能較好，一般下雨天不進行電纜插頭插拔作業(yè)；
(4)龍門吊應(yīng)有良好的大車行走糾偏能力同時應(yīng)在大車運行軌道上畫上黃線限制區(qū)域，保證大車不跑出規(guī)定的作業(yè)區(qū)域，進一步保證了電纜的安全；
(5)電纜在換向時應(yīng)做有過渡圓筒，以保護電纜的彎曲不受損壞，及換向作業(yè)時不需重新插拔插頭；
(6)龍門吊改動大，配置復(fù)雜，投資成本較高，一套電纜卷筒輸電系統(tǒng)約需50萬元。

電纜卷筒輸電方案的缺點有：
(1)整套電纜卷筒系統(tǒng)約重8t，對輪胎的輪壓有一定的影響；
(2)在換箱區(qū)或過河作業(yè)時電纜的保護尤為重要，同時存在被拖車碰撞的隱患；
(3)電纜在場地上拖動，可能損壞，同時易引起事故，需定期檢查；
(4)電纜越長，產(chǎn)生的壓降越大；
(5)操作性能及安全性能有待提高。電纜卷筒輸電方案的優(yōu)點有：
(1)節(jié)省能源成本，用電比用燃油費用節(jié)省60％～70％；
(2)節(jié)省維護成本，主要指節(jié)省原來發(fā)動機的維護維修成本；
(3)改善操作環(huán)境，去除了發(fā)動機原有的噪聲；
(4)沒有發(fā)動機的廢氣排放，減少對工作區(qū)域環(huán)境污染。

2. 低空滑觸線輸電方案
      滑觸線輸電工作原理為：在集裝箱堆場架設(shè)由城市電網(wǎng)供電的滑觸線供電線路，當龍門吊在箱區(qū)內(nèi)作業(yè)時，關(guān)閉自帶的柴油發(fā)電機組，所需電力由滑觸線供給，龍門吊沿滑觸線移動，實現(xiàn)對整個箱區(qū)的工作覆蓋。當龍門吊需轉(zhuǎn)場到另一箱區(qū)作業(yè)時，則拔下插頭切斷電源與龍門吊的聯(lián)系，改由小功率柴油發(fā)電機組供電并實現(xiàn)轉(zhuǎn)場。轉(zhuǎn)到指定堆場后，柴油發(fā)電機組停止工作，插上插頭動力重新切換為滑觸線供電。供電的線路走勢是：從供電站引高壓電源如10kV至現(xiàn)場堆場，經(jīng)堆場內(nèi)變壓器變成龍門吊所需的電壓如440V到各條滑觸線前的電源柜內(nèi)，電源柜內(nèi)一般設(shè)有用于保護的斷路器，經(jīng)斷路器直接接到架設(shè)于立架上的銅滑線上供3相4線電源，經(jīng)集電小車和供電電纜供電到龍門吊，龍門吊大車上設(shè)置牽引裝置，牽引著滑觸小車隨龍門吊大車一起滑走，以實現(xiàn)龍門吊滑觸供電方式?；|線輸電方式類似于城市無軌電車方式。目前，低空滑觸線高度的設(shè)置一般有2種：一種高度約為3．5m左右，主要考慮的是安全需要；另一種高度約為2．5m左右，主要考慮到維修的方便性；2種高度各有利弊，主要是適合于各自碼頭自身的需要。此外，滑觸線的布置方式也有2種：1種為單排的供電方式，即立架上只設(shè)一排的滑觸線供電；另1種為雙排的供電方式，即立架上設(shè)左右2排的滑觸線供電，每一排都裝設(shè)3相4線的銅滑線，以供2倍數(shù)量的龍門吊工作，此種龍門吊的工作狀態(tài)熟稱“背靠背”工作方式。
低空滑觸線輸電工作方<