輪胎式龍門起重機(jī)節(jié)能技術(shù)

楊　瑞

0 引 言

傳統(tǒng)的輪胎式龍門起重機(jī)（Rubber Tyre Gantry Crane，RTG）以柴油為燃料，由柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力驅(qū)動(dòng)行走、起升和小車等機(jī)構(gòu)。在重載吊裝的情況下，為避免起重機(jī)在起升瞬間發(fā)生發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升、扭矩不足和柴電機(jī)組冒黑煙等現(xiàn)象，RTG柴電機(jī)組的功率選配通常約為平時(shí)所需的2倍。為解決傳統(tǒng)RTG油耗大、營(yíng)運(yùn)費(fèi)用高和環(huán)保性能差等問題，近年來，國(guó)內(nèi)外科研院所、高校和港口開始嘗試將RTG的動(dòng)力源由柴油改為電力。目前，具有代表性的RTG節(jié)能技術(shù)主要有滑觸線供電技術(shù)、柴電機(jī)組調(diào)速技術(shù)和電纜卷筒式RTG供電技術(shù)等。其中，滑觸線供電技術(shù)又分為高空滑觸線供電技術(shù)和低空滑觸線供電技術(shù)兩種。

1 RTG節(jié)能技術(shù)

為貫徹交通運(yùn)輸部建設(shè)資源節(jié)約型交通和環(huán)境友好型社會(huì)的要求，我國(guó)港口積極探索RTG節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。采用市電或工程調(diào)速柴油機(jī)電力驅(qū)動(dòng)RTG作業(yè)，不僅響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，而且能降低運(yùn)營(yíng)成本，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。電力驅(qū)動(dòng)的RTG（以下簡(jiǎn)稱eRTG）既可確保設(shè)備靈活轉(zhuǎn)場(chǎng)，又能節(jié)省能源、減少排污和降低成本，是對(duì)RTG傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的重大革新。

1.1 滑觸線供電技術(shù)

1.1.1 高空滑觸線供電技術(shù)

高空滑觸線供電系統(tǒng)由立柱、立柱基礎(chǔ)、承重索張緊裝置、滑觸線張緊裝置、懸吊固定架、接地裝置、取電裝置和防擺裝置等組成。在集裝箱堆場(chǎng)箱區(qū)之間的空地上沿RTG行駛道路安放立柱，立柱之間安裝避雷線、承重索和銅滑線等設(shè)備。

為避免直擊雷對(duì)供電系統(tǒng)造成影響，立柱上橫梁兩側(cè)通常各安裝1根避雷線。避雷線保護(hù)角小于15°，避雷范圍覆蓋銅滑線。

立柱中橫梁兩側(cè)各裝2根承重索，共4根，每根承重索通過懸吊固定架懸吊2根滑觸線。承重索采用鍍鋅鋼絞線，一端固定在端立柱上，另一端通過平衡滑輪和動(dòng)滑輪組與配重系統(tǒng)連接，中間通過導(dǎo)輪支撐在中立柱上，使承重索張力一致。增設(shè)動(dòng)滑輪組不僅使配重減輕25%，而且便于通過增減配重調(diào)整誤差。由于氣溫變化可能導(dǎo)致承重索熱脹冷縮，進(jìn)而影響滑觸線的水平度，因此要求配重系統(tǒng)可以隨時(shí)調(diào)節(jié)衡張力。

RTG主梁平臺(tái)裝有受電裝置，通過滑觸線取電驅(qū)動(dòng)RTG作業(yè)。高空滑觸線供電采用或直流電，架設(shè)高度通常在以上。受電裝置為受電弓，一般采用氣動(dòng)控制，在提高效率的同時(shí)增強(qiáng)安全性。為保證RTG正常作業(yè)時(shí)能有效地從銅滑線上取電，必須根據(jù)RTG的跑偏量嚴(yán)格控制工作狀態(tài)下銅滑線的側(cè)向偏移量。同時(shí)，受電弓的弓板不宜太大。因此，立柱既要滿足工作狀態(tài)下的剛度要求，又要滿足非工作狀態(tài)下的強(qiáng)度要求。為增加接觸面積，確保取電裝置的有效性，正負(fù)極均采用雙線并列供電?；|線通常采用銀銅合金，其導(dǎo)電性能優(yōu)于其他材料，且強(qiáng)度也滿足要求。

端立柱的跨側(cè)和中立柱的兩側(cè)裝有防擺裝置，跨度約為，與懸吊固定架上的鋼管柔性連接。通過對(duì)角線拉緊的方式限制滑觸線擺動(dòng)，減少其因風(fēng)載荷作用而產(chǎn)生的側(cè)向擺動(dòng)量。

2007年初，上海港振東集裝箱碼頭率先采用RTG高空滑觸線供電技術(shù)，寧波港北侖國(guó)際集裝箱碼頭和深圳港媽灣集裝箱碼頭等也先后實(shí)施高空滑觸線“油改電”項(xiàng)目。據(jù)測(cè)算，上海港振東集裝箱碼頭對(duì)傳統(tǒng)RTG進(jìn)行電動(dòng)改造后，耗能量和費(fèi)用分別下降約60%和73%，且設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無煙塵，噪聲小，故障率低。改造后的eRTG的單位耗電量約為I6h/TEU，每臺(tái)RTG每年可節(jié)省費(fèi)用約41.4萬元人民幣。

1.1.2 低空滑觸線供電技術(shù)

低空滑觸線供電系統(tǒng)由滑觸線支架、承重索張緊裝置、滑觸線張緊裝置、接地裝置和取電裝置等組成。在集裝箱堆場(chǎng)箱區(qū)之間的空地上沿RTG行駛道路架設(shè)滑觸線支架，高度一般為1~，間隔左右，利用電線桿支撐滑觸線，支架之間安裝承重索和銅滑線等設(shè)備。由于架設(shè)高度有限，為提高安全性，低空滑觸線必須采用安全滑觸線，供電電壓通常為。

為防止RTG碰撞供電支架，在RTG上加裝防撞裝置和減速運(yùn)行裝置。此外，低空滑觸線的集電裝置必須保證供電和牽引的安全性，長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)，技術(shù)較復(fù)雜，質(zhì)量要求高，目前，主要部件依靠進(jìn)口。

低空滑觸線供電技術(shù)的地面工作較多，對(duì)堆場(chǎng)影響較大，必須對(duì)RTG進(jìn)行小批量改造，但改造成本較低，適用面較廣，對(duì)于中等規(guī)模（10~20臺(tái)RTG）和中等工作密度（每臺(tái)RTG覆蓋2~3個(gè)箱區(qū)）的堆場(chǎng)而言，性價(jià)比較高。

2006年，青島港率先采用RTG低空滑觸線供電技術(shù)，天津港聯(lián)盟國(guó)際集裝箱碼頭、天津港東方海陸集裝箱碼頭、廈門港海天集裝箱碼頭和深圳港赤灣集裝箱碼頭等也先后實(shí)施低空滑觸線“油改電”項(xiàng)目，實(shí)踐效果較好。據(jù)測(cè)算，青島港對(duì)傳統(tǒng)RTG進(jìn)行電動(dòng)改造后，單箱能源成本從6.74元降至2.45元，設(shè)備故障率下降50％，平均利用率從69.3%提高到71.5%，噪聲至少降低50%，每年可減少CO2排放量2.3萬t。過去RTG的單箱耗油量為（折合標(biāo)準(zhǔn)煤），而改造后的eRTG的單箱耗電量為I6h（折合標(biāo)準(zhǔn)煤），節(jié)能33%。

1.2 柴電機(jī)組調(diào)速技術(shù)

柴電機(jī)組調(diào)速技術(shù)主要通過合理改變柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到以經(jīng)濟(jì)、高效的方式提供電源的目的。目前，通用、西門子、東芝和三菱等公司針對(duì)傳統(tǒng)RTG的節(jié)能要求，研發(fā)各具特色的節(jié)能系統(tǒng)。本文以通用公司開發(fā)的Fuel Efficient RTG電控調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)為例，介紹柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速技術(shù)在RTG節(jié)能中的應(yīng)用。

該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在變速發(fā)動(dòng)機(jī)、變流器和逆變器方面。整套系統(tǒng)僅對(duì)直流母線進(jìn)行處理，直流母線以下的電機(jī)控制部分未作任何改動(dòng)，保持傳統(tǒng)RTG的控制模式，使其優(yōu)良特性得到繼承。

（1）變速發(fā)動(dòng)機(jī) 對(duì)變速發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行精確調(diào)速控制是新型RTG系統(tǒng)的精髓。在載荷需求功率較小時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在額定速度以下，同時(shí)可達(dá)到降低耗油量、噪聲和設(shè)備維護(hù)成本的目的。新型RTG系統(tǒng)根據(jù)速度和電流測(cè)量值計(jì)算實(shí)際需要的轉(zhuǎn)矩，通過柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)換，確定柴油機(jī)的噴油量。由于負(fù)載電流的變化非常迅速，因此，突加和突降負(fù)載對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的要求很高。實(shí)踐證明，采用電噴的變速發(fā)動(dòng)機(jī)完全能夠滿足要求。

（2）變流器 發(fā)電機(jī)提供的電源電壓和頻率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。RTG上的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）功率單元變頻器通過較高的開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制（PWM），為直流母線提供穩(wěn)定的直流電源，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器更加穩(wěn)定、可靠。

（3）逆變器 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化導(dǎo)致RTG的輔助裝置（如制動(dòng)器、油泵和照明設(shè)施等）無法得到穩(wěn)定的三相交流電源，因此，該調(diào)速系統(tǒng)增加直流母線供電的逆變器。該裝置可產(chǎn)生穩(wěn)定的三相交流電源，輸出的波形通過濾波器的作用接近于正弦波，滿足各種電氣和電子裝置的用電要求。

隨著石油資源的日趨枯竭以及環(huán)保要求的日益提高，低排放、高能效的新型變速柴油發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值逐漸顯現(xiàn)出來。2007年以來，以通用和西門子公司調(diào)速柴油發(fā)電機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的節(jié)能型RTG先后在煙臺(tái)港、唐山港和廈門港等港口投入使用，節(jié)能效果顯著。2008年，交通部水運(yùn)科學(xué)研究院和錦州百納電氣有限公司等在廣州港南沙港區(qū)進(jìn)行柴電機(jī)組調(diào)速試驗(yàn)。據(jù)測(cè)算，采用這項(xiàng)新技術(shù)后，可以節(jié)油50%左右，噪聲、污染物排放量和運(yùn)營(yíng)成本均大幅降低。

1.3 電纜卷筒式RTG供電技術(shù)

在傳統(tǒng)RTG上增設(shè)電纜卷筒、供電電纜的插頭和插座以及供電選擇開關(guān)等取電裝置，利用供電電纜將市電傳輸至RTG的用電設(shè)備上。電纜卷筒主要由卷筒、卷筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)和支持支架等組成。沿RTG運(yùn)行道路鋪設(shè)電纜溝。RTG一般在單箱區(qū)內(nèi)運(yùn)行，速度較快，換箱區(qū)工作時(shí)需切換電源。電源插頭插拔方便，可控性較好。電纜末端安裝換向裝置，節(jié)省電纜，減輕電纜的彎曲疲勞。

電纜卷筒式RTG供電技術(shù)的應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，深受用戶歡迎，具有一定的市場(chǎng)影響力，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：（1）地面工作較少，進(jìn)行RTG改造基本不占用工作場(chǎng)地，對(duì)堆場(chǎng)影響較小；（2）RTG相互獨(dú)立，可分批、分期單獨(dú)進(jìn)行改造；（3）應(yīng)用面廣，可對(duì)傳統(tǒng)RTG進(jìn)行技術(shù)改造，也可在新型RTG上使用；（4）對(duì)場(chǎng)地要求小，適用于面積、形狀不同的堆場(chǎng)，對(duì)于RTG數(shù)量少且工作密度小的中小型碼頭而言，性價(jià)比較高；（5）提供使用超級(jí)電容等儲(chǔ)能裝置的可選方案，能有效回收利用重載位勢(shì)能量，提高節(jié)能效率。

電纜卷筒式RTG供電技術(shù)是最早得到應(yīng)用的“油改電”技術(shù)。2003年初，交通部水運(yùn)科學(xué)研究院開發(fā)的電纜卷筒式eRTG樣機(jī)在二連浩特投入使用，此后，深圳港蛇口港區(qū)、上海港滬東集裝箱碼頭以及廣州港魚珠和穗林碼頭等陸續(xù)采用該技術(shù)。據(jù)測(cè)算，采用這項(xiàng)技術(shù)后，單箱耗電量為1.00~I6h，單箱能源成本為0.98~1.20元，無廢氣排放和噪聲，設(shè)備維護(hù)成本顯著降低。

2 結(jié)束語

RTG 是集裝箱碼頭的主要耗能設(shè)備。RTG節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用，順應(yīng)交通運(yùn)輸部建設(shè)資源節(jié)約型交通和環(huán)境友好型社會(huì)的號(hào)召，有助于建設(shè)零排放、無噪聲的節(jié)能環(huán)保型“綠色”港口，值得大力推廣。不同的RTG節(jié)能技術(shù)方案應(yīng)用場(chǎng)合不同，碼頭應(yīng)當(dāng)根據(jù)自身的設(shè)施條件、經(jīng)濟(jì)實(shí)力和發(fā)展規(guī)劃等選擇合適的方案。

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（編輯：張 敏 收稿日期：2009-03-18）