輪胎吊的節(jié)能減排技術(shù)與應(yīng)用

顧明觀 上海振華重工集團(tuán)股份有限公司

輪胎吊的節(jié)能減排技術(shù)與應(yīng)用

顧明觀 上海振華重工集團(tuán)股份有限公司

輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱輪胎吊）是集裝箱堆場(chǎng)的主要裝卸設(shè)備之一，它具有可靈活轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)、覆蓋面大、碼頭基礎(chǔ)初始投資少等特點(diǎn)，成為眾多集裝箱碼頭選擇的對(duì)象。然而傳統(tǒng)的輪胎吊的缺點(diǎn)也很明顯。首先，柴油發(fā)電機(jī)組有效利用率很低，燃油消耗大，輪胎吊的使用成本高。隨著近年來(lái)國(guó)際油價(jià)的上漲，使以柴油作為動(dòng)力能源的輪胎吊使用成本持續(xù)上升。其次，重物下降和機(jī)構(gòu)減速過(guò)程中產(chǎn)生的能量由機(jī)上的制動(dòng)電阻消耗掉，沒(méi)有得到有效利用，能源利用率低。另外，機(jī)載柴油發(fā)電機(jī)組維護(hù)成本高，它所產(chǎn)生的噪聲、廢氣以及機(jī)油、柴油、冷卻水的泄漏也會(huì)給碼頭周圍的環(huán)境形成較大的污染。

為此，以上海振華重工（ZPMC）為代表的集裝箱起重機(jī)設(shè)備制造商聯(lián)合各集裝箱碼頭，經(jīng)過(guò)多年來(lái)的潛心研究和實(shí)踐，陸續(xù)推出了多種輪胎吊節(jié)能技術(shù)方案，目前有代表性的主要有發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速節(jié)能技術(shù)、混合動(dòng)力、市電輪胎吊和鋰電池輪胎吊等幾個(gè)方向，為打造綠色港口創(chuàng)造了有利條件。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速節(jié)能方案

柴油發(fā)電機(jī)組的耗油量和其轉(zhuǎn)速基本成正比關(guān)系。傳統(tǒng)的輪胎吊無(wú)論是在重載、輕載還是在待機(jī)工況下，機(jī)載的柴油發(fā)電機(jī)組總是在最高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，由此造成輕載或待機(jī)時(shí)，柴油機(jī)組的燃油經(jīng)濟(jì)性處于較低的水平。針對(duì)不同的負(fù)荷情況，采用不同的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略，將有助于降低油耗，提高柴油發(fā)電機(jī)組的能源利用效率。

1.1 柴油發(fā)電機(jī)組怠速節(jié)能系統(tǒng)

怠速節(jié)能系統(tǒng)就是在輪胎吊待機(jī)時(shí)，使柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行在怠速狀態(tài)，把柴油機(jī)的速度降到一個(gè)相當(dāng)?shù)偷乃?，從而降低油耗。處于怠速狀態(tài)的發(fā)電機(jī)組輸出的是低壓低頻的電源。為了保證照明、空調(diào)等輔助系統(tǒng)在怠速狀態(tài)下也能正常工作，需要增加變頻裝置、濾波器和 /Y變壓器，把低壓低頻的電源轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的三相交流電源，滿足輔助系統(tǒng)的供電要求。據(jù)測(cè)算，采用此系統(tǒng)可以節(jié)能20%左右。

1.2 柴油發(fā)電機(jī)組變速節(jié)能系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)變速節(jié)能系統(tǒng)采用可變速的柴油發(fā)電機(jī)組，在能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和智能管理系統(tǒng)的控制下，自動(dòng)識(shí)別實(shí)際負(fù)載大小，全程調(diào)整并優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。也就是當(dāng)輪胎吊載荷需求功率較小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在較低的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，使柴油機(jī)始終工作在最經(jīng)濟(jì)工況，達(dá)到降低燃油消耗、噪音和維護(hù)成本的目的。變速柴油機(jī)節(jié)能方案的節(jié)油效率可達(dá)40%以上。

1.3 特點(diǎn)

采用發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速節(jié)能方案可以在保留輪胎吊的靈活性和不改變輪胎吊原有的操作流程的基礎(chǔ)上，大幅降低燃油消耗。而且它的初始投入成本低，獨(dú)立性強(qiáng)，只要柴油機(jī)組是可變速的就可實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，無(wú)需增加碼頭堆場(chǎng)的造價(jià)。因此發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速節(jié)能技術(shù)不僅適用于新購(gòu)的設(shè)備，同時(shí)也可對(duì)原有的常規(guī)型輪胎吊進(jìn)行改造，可廣泛應(yīng)用于集裝箱碼頭，對(duì)于生產(chǎn)作業(yè)不頻繁、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)的小型碼頭尤為適用。

然而，發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速節(jié)能方案還沒(méi)有擺脫柴油發(fā)電機(jī)組，因此仍然有污染排放，不能真正做到綠色環(huán)保。對(duì)于比較繁忙的堆場(chǎng)來(lái)說(shuō)，發(fā)電機(jī)組大部分時(shí)間工作在高速狀態(tài)，節(jié)能效果并不明顯。

2 混合動(dòng)力方案

傳統(tǒng)輪胎吊無(wú)法反饋或儲(chǔ)存起升機(jī)構(gòu)下降過(guò)程、小車和大車機(jī)構(gòu)制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的再生能量。如果對(duì)這些再生能量加以利用，不僅可以節(jié)能，也可以有效降低柴油發(fā)電機(jī)組的容量，減少?gòu)U氣排放，節(jié)能減排效果明顯。

2.1 工作原理

混合動(dòng)力輪胎吊就是在柴油發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)上，加裝一套智能電氣控制裝置和儲(chǔ)能裝置，將輪胎吊下放貨物時(shí)釋放的勢(shì)能進(jìn)行收集，轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)起來(lái)，然后在需要時(shí)重新提供能量給輪胎吊，從而使輪胎吊能有效地重復(fù)利用再生能量，實(shí)現(xiàn)環(huán)保要求。

混合動(dòng)力輪胎吊一般利用超級(jí)電容的大電流、快速充放電的特性，將其作為儲(chǔ)能裝置并聯(lián)在直流母排上。當(dāng)檢測(cè)到直流母排上的電壓低于柴油發(fā)電機(jī)組的電源整流電壓時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組開(kāi)始參與供電。當(dāng)工作機(jī)構(gòu)處于再生反饋狀態(tài)時(shí)，機(jī)構(gòu)將能量反饋到直流母排上，使超級(jí)電容不斷吸收電能。

經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)和改進(jìn)，上海振華重工將發(fā)電機(jī)調(diào)速節(jié)能技術(shù)與超級(jí)電容有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步提升了輪胎吊的節(jié)能水平，與傳統(tǒng)輪胎吊相比，這種混合動(dòng)力系統(tǒng)的輪胎吊能實(shí)現(xiàn)節(jié)能45%以上。

2.2 特點(diǎn)

和發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速節(jié)能方案一樣，混合動(dòng)力節(jié)能方案也保留了輪胎吊的靈活性。加裝超級(jí)電容形成混合動(dòng)力系統(tǒng)后，再生能量得到回收利用，減少了能源浪費(fèi)，燃油利用率更高。因?yàn)樵跈C(jī)構(gòu)加速時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組和超級(jí)電容協(xié)同供電，確保了強(qiáng)大的動(dòng)力輸出，混合動(dòng)力輪胎吊的柴油發(fā)電機(jī)組容量只有傳統(tǒng)輪胎吊的50%左右。而且超級(jí)電容中儲(chǔ)存的能量可以彌補(bǔ)起升機(jī)構(gòu)吊重載加速上升時(shí)的功率需求，發(fā)動(dòng)機(jī)基本可以工作在非過(guò)載狀態(tài)，使發(fā)動(dòng)機(jī)組輸出的功率平穩(wěn)過(guò)渡，這將有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，也解決了傳統(tǒng)輪胎吊冒黑煙的問(wèn)題。

混合動(dòng)力節(jié)能方案的初始投入成本較低，既適用于新購(gòu)的設(shè)備，也可以對(duì)舊機(jī)進(jìn)行逐臺(tái)改造，不影響堆場(chǎng)的正常生產(chǎn)。在現(xiàn)階段，電容的質(zhì)量仍然是影響混合動(dòng)力系統(tǒng)好壞的重要因素之一。

3 市電輪胎吊方案

所謂市電輪胎吊，就是指通過(guò)不同的供電方式，用市電直接替代柴油機(jī)動(dòng)力能源，在作業(yè)時(shí)采用外接市電供電，需要轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)，才啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組。市電輪胎吊對(duì)于綜合利用能源，保護(hù)環(huán)境有著積極作用，目前已得到了廣泛應(yīng)用。

3.1 供電方式

根據(jù)供電方式可以將市電輪胎吊分為電纜卷盤供電、高架滑觸線供電、低架滑觸線供電等幾種形式。

3.1.1 電纜卷盤供電

在原有傳統(tǒng)輪胎吊設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，加裝一套電纜卷盤及其驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)提供正常作業(yè)時(shí)所需的電能，同時(shí)采用一套小功率柴油發(fā)電機(jī)組作為轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)的動(dòng)力來(lái)源，當(dāng)輪胎吊進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)操作時(shí)切換至柴油發(fā)電機(jī)組模式。本方案需要在場(chǎng)地上配置一定數(shù)量的箱式變壓器、插座箱，電纜端部通過(guò)快速插頭與地面插座箱連接獲得市電。

為了保護(hù)供電電纜免受碼頭運(yùn)行車輛或者輪胎吊自身的破壞，根據(jù)碼頭的需要可以設(shè)置電纜溝。同時(shí)，輪胎吊應(yīng)有良好的大車行走糾偏能力，保證輪胎吊沿著行走線路準(zhǔn)確行駛，進(jìn)一步保證電纜的安全。電纜在換向時(shí)應(yīng)設(shè)有過(guò)渡裝置，以保護(hù)電纜不受損壞。

雖然此供電方式操作簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，但單臺(tái)投資成本較大，需要130萬(wàn)左右，而且整套電纜卷盤系統(tǒng)約重8t，對(duì)輪胎的輪壓有一定影響。由于受到供電纜長(zhǎng)度的限制，此種供電方式的輪胎吊適合在堆場(chǎng)較小的碼頭上應(yīng)用。

另外，輪胎吊轉(zhuǎn)場(chǎng)操作時(shí)電纜插頭需人工插拔操作始終是用戶顧慮的一個(gè)問(wèn)題，由此也影響了電纜卷盤型市電輪胎吊在市場(chǎng)上的推廣。近日，上海振華重工成功研制了電纜插頭的自動(dòng)插拔裝置，很好地解決了這一難題。

3.1.2 低架滑觸線供電

低架滑觸線供電方式是在兩個(gè)相鄰箱區(qū)之間的盲道上架設(shè)剛性滑觸線，滑觸線通過(guò)接電箱與市電相接。輪胎吊帶動(dòng)與其柔性連接的集電器小車，通過(guò)集電器從滑觸線獲得市電電網(wǎng)的電能，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)供電。

低架滑觸線架設(shè)高度一般為3～4m，受大風(fēng)大雨影響小，具有投資小、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，得到了一些碼頭的關(guān)注和應(yīng)用。但是為了不阻礙碼頭車輛的通行，一般滑觸線在大車運(yùn)行方向上的2個(gè)箱區(qū)間不連續(xù)，所以輪胎吊在轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)仍需借助機(jī)載小柴油發(fā)電機(jī)組過(guò)渡。隨著自動(dòng)取電技術(shù)的應(yīng)用，也在一定程度上提高了輪胎吊轉(zhuǎn)場(chǎng)的效率問(wèn)題。

另外，由于低架滑觸線裝置與輪胎吊之間距離較近，對(duì)安全要求較高，為防止操作不慎發(fā)生輪胎吊碰撞低架滑觸線事故，需設(shè)置糾偏及防碰撞安全保護(hù)措施。否則一旦滑觸線出現(xiàn)故障，將影響到整個(gè)箱區(qū)的操作。一般來(lái)說(shuō)，低架滑觸線供電方式比較適合中等規(guī)模、不需頻繁轉(zhuǎn)場(chǎng)的堆場(chǎng)。

3.1.3 高架滑觸線供電

高架滑觸線供電方式是在堆場(chǎng)箱區(qū)之間的通道上方架設(shè)高架滑觸線，一般在25m以上，并用滑動(dòng)刷辮將滑觸線上的電力引入輪胎吊。由于高架滑觸線不會(huì)對(duì)碼頭車輛通行產(chǎn)生阻礙，使輪胎吊可以直線跨箱區(qū)作業(yè)無(wú)需轉(zhuǎn)場(chǎng)，大大提高了輪胎吊的生產(chǎn)效率。因此，高架滑觸線供電方式對(duì)于形狀規(guī)整和狹長(zhǎng)的中大規(guī)模堆場(chǎng)較為適用。

與其它供電方式比較，高架滑觸線對(duì)于輪胎吊轉(zhuǎn)場(chǎng)來(lái)說(shuō)是最方便的，但是它的一次性投資較高。另外，高架滑觸線位于較高的空中，維護(hù)和轉(zhuǎn)場(chǎng)操作不便，且易遭受雷擊或者遭受大風(fēng)影響導(dǎo)致脫辮，給安全和生產(chǎn)帶來(lái)一定影響。因此，在作方案選擇時(shí)需結(jié)合碼頭自身的氣候特點(diǎn)加以考慮。

2.1.2 分布。此次調(diào)查發(fā)現(xiàn)的20種病害主要分布在鹽源縣(9種)、昭覺(jué)縣(9種)和西昌市(8種)，布拖縣和喜德縣分別有6種和5種病害發(fā)生。光葉紫花苕葉斑病和斑枯病集中在喜德和布拖2縣發(fā)生，白粉病則發(fā)生于鹽源縣；玉米病害除銹病在昭覺(jué)縣有發(fā)生，其余病害均發(fā)生在西昌市；黑麥草銹病在喜德縣和西昌市發(fā)生，鐮孢枯萎病、離孺孢葉枯病、離孢灰斑病則廣泛分布于喜德等5縣市。

3.2 特點(diǎn)

與傳統(tǒng)輪胎吊相比，市電輪胎吊節(jié)能達(dá)60%左右，還具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）運(yùn)行成本低。根據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，市電輪胎吊每裝卸一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)箱只需消耗1.6kWh電能，而常規(guī)輪胎吊所消耗的燃油量大約在1.2L左右。由于電力成本低于燃油，使市電輪胎吊具有明顯的運(yùn)行成本優(yōu)勢(shì)。

（2）維護(hù)成本小。市電輪胎吊使用小功率的柴油發(fā)電機(jī)組（一般為120kW）代替大功率柴油發(fā)電機(jī)組(400kW左右)，使用頻率低，節(jié)省大量的維護(hù)成本。

（3）污染排放少。小功率柴油機(jī)組只作轉(zhuǎn)場(chǎng)用，在作業(yè)過(guò)程中處于關(guān)閉狀態(tài)，基本無(wú)尾氣和噪音污染，碼頭周邊的環(huán)境得到極大改善。

（4）再生能量可反饋電網(wǎng)。部分機(jī)型還可加裝能量回饋裝置，將重物下降過(guò)程中產(chǎn)生的能量反饋電網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能。

市電輪胎吊的主要不足之處在于轉(zhuǎn)場(chǎng)費(fèi)時(shí)，操作不便，影響了輪胎吊的作業(yè)效率。大部分市電輪胎吊仍保留有柴油發(fā)電機(jī)組但利用率很低，一定程度增加了設(shè)備的投資和維護(hù)成本。

4 鋰電池輪胎吊方案

鋰電池的最大特點(diǎn)是比能量高，相同體積的鋰電池的比能量是鎳鎘電池的3倍以上。同時(shí)還具有放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)及無(wú)公害等特點(diǎn)。

4.1 工作原理

鋰電池供電的輪胎吊在保持原有各項(xiàng)功能的前提下，將供電方式由機(jī)載的大功率柴油發(fā)電機(jī)組供電改為由大功率鋰電池供電。鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)包括24塊高功率組鋰電池模塊組、45kW小功率柴油發(fā)電機(jī)組、職能電池管理系統(tǒng)和輔助逆變供電裝置等，由電池組直接給變頻器上的直流母排提供工作電源，如圖1所示。

圖1

常規(guī)狀態(tài)下，柴油發(fā)電機(jī)組不工作，直接由鋰電池組驅(qū)動(dòng)輪胎吊。當(dāng)電池電量降低至一定范圍，通過(guò)智能電池管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控每一組電池的狀態(tài)(包括電壓和溫度)，由PLC采集數(shù)據(jù)后控制小柴油機(jī)啟停，給電池適當(dāng)電量補(bǔ)償。重物下降環(huán)節(jié)產(chǎn)生的電能都將回饋給鋰電池組。

機(jī)載的小功率柴油發(fā)電機(jī)組僅僅作為充電用，在需要時(shí)給鋰電池充電，它并不直接給運(yùn)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)供電。因此，也完全可以取消小功率柴油發(fā)電機(jī)組，在輪胎吊輪班時(shí)采用外部電源充電，這樣能徹底解決柴油發(fā)電機(jī)組的污染排放和噪音問(wèn)題。

4.2 特點(diǎn)

鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)備要求不高，不僅能裝備新購(gòu)輪胎吊，而且能實(shí)現(xiàn)舊機(jī)改造，節(jié)省大量成本。舊機(jī)改造時(shí)基本不占用碼頭生產(chǎn)場(chǎng)地，不會(huì)對(duì)碼頭生產(chǎn)產(chǎn)生影響。與目前采用較多的市電輪胎吊相比，鋰電池輪胎吊有效減少了對(duì)碼頭基建以及碼頭配電系統(tǒng)改造、擴(kuò)建的依賴，初期投資大大降低。

大功率鋰電池供電的輪胎吊保留了常規(guī)輪胎吊的靈活性和機(jī)動(dòng)性，轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)不需要人工參與，提高了輪胎吊的作業(yè)效率，降低了出現(xiàn)故障的幾率。

鋰電池輪胎吊的節(jié)能效果大于目前市場(chǎng)上的其它節(jié)能型輪胎吊，與常規(guī)輪胎吊相比，其節(jié)油效果可達(dá)65%以上，如按照每臺(tái)常規(guī)輪胎吊每年操作10萬(wàn)集裝箱，每箱平均油耗按1.2L計(jì)，一年每臺(tái)節(jié)能輪胎吊能節(jié)省燃油7.8萬(wàn)L，節(jié)能效果顯著。

鋰電輪胎吊將消耗的能源從柴油改換為電能，大幅度降低了輪胎吊對(duì)燃油消耗和依賴，避免了廢氣污染，減少了二氧化碳排放，保護(hù)了環(huán)境，稱得上是真正意義上的綠色節(jié)能輪胎吊，應(yīng)用前景極其廣闊，必然成為未來(lái)的發(fā)展方向。

目前鋰電池價(jià)格昂貴是制約鋰電池供電輪胎吊推廣的一個(gè)瓶頸。隨著鋰電池壽命的進(jìn)一步延長(zhǎng)和成本的下降，其經(jīng)濟(jì)效益還將進(jìn)一步提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，輪胎吊的各種節(jié)能技術(shù)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速和混合動(dòng)力輪胎吊的靈活性較強(qiáng)，投資成本低，但節(jié)能效率沒(méi)有市電輪胎吊和鋰電池輪胎吊那么高，而且發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲和排污不利于環(huán)保的問(wèn)題依然存在；市電輪胎吊主要著眼于節(jié)能降耗，運(yùn)營(yíng)成本低，基本實(shí)現(xiàn)零排放，但轉(zhuǎn)場(chǎng)環(huán)節(jié)稍顯不便，而且要增加碼頭的基礎(chǔ)設(shè)施投資；鋰電池供電輪胎吊則結(jié)合了上述各種節(jié)能型輪胎吊的優(yōu)點(diǎn)，既很好地解決了節(jié)能降耗和污染排放問(wèn)題，也保留了輪胎吊原有的靈活性和機(jī)動(dòng)性，明顯優(yōu)于市場(chǎng)上現(xiàn)有的節(jié)能型輪胎吊。

需要指出是，上述各種節(jié)能技術(shù)方案并不是孤立的，這就需要各集裝箱碼頭和輪胎吊制造商共同探討，根據(jù)自身的特點(diǎn)和使用環(huán)境選擇合適的方案，以達(dá)到最佳的節(jié)能減排效果。但要從節(jié)能、環(huán)保、轉(zhuǎn)場(chǎng)便利性等方面綜合考慮，鋰電池輪胎吊無(wú)疑是最佳選擇。