輪胎式龍門起重機(jī)油電混合動(dòng)力系統(tǒng)改造及應(yīng)用效果

許升元 潘明德 顏飛

輪胎式龍門起重機(jī)（rubber-tyred gantry crane，RTG）具有作業(yè)靈活、占地面積小、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前多數(shù)集裝箱碼頭堆場作業(yè)主要設(shè)備。傳統(tǒng)RTG通過大功率柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電提供動(dòng)能，存在油耗高、污染嚴(yán)重等問題。對RTG進(jìn)行油電混合動(dòng)力系統(tǒng)改造，以“大容量鋰電池組+小功率柴油發(fā)電機(jī)組”替代原大功率柴油發(fā)電機(jī)組，使RTG依靠鋰電池組儲存的電量工作，并通過能量回饋，將起升機(jī)構(gòu)下降及各機(jī)構(gòu)減速過程中產(chǎn)生的再生能量回饋至鋰電池組，從而實(shí)現(xiàn)降低能耗和碼頭運(yùn)營成本的目的。

1 RTG油電混合動(dòng)力系統(tǒng)改造

RTG油電混合動(dòng)力系統(tǒng)改造采用大容量鈦酸鋰電池組和小功率柴油發(fā)電機(jī)組作為RTG供電系統(tǒng)。鋰電池組容量為120 A h，電壓為525 V，可為RTG轉(zhuǎn)場提供電源;鋰電池組直接向RTG整機(jī)變頻器上的直流母排提供工作電源，同時(shí)勢能可回饋至鋰電池組。此外，增加恒壓恒頻輔助逆變電源系統(tǒng)，將直流母排上的直流電源逆變成三相交流電源，作為輔助電源供整機(jī)照明、控制等使用。鋰電池組的充電電源為80 kW柴油發(fā)電機(jī)組或外部電源。柴油發(fā)電機(jī)組控制配電箱中設(shè)有柴油發(fā)電與市電充電切換開關(guān);供電系統(tǒng)動(dòng)力房內(nèi)配有200 A、400 V三相航空插座，方便使用岸電快速充電。

1.1 鋰電池組供電系統(tǒng)硬件構(gòu)成

鋰電池組供電系統(tǒng)（見圖1）包括柴油發(fā)電機(jī)組、可控整流單元模塊、DC-DC變換器、電池儲能單元、輔助電源逆變器、正弦波濾波器等。

1.1.1 柴油發(fā)電機(jī)組

鋰電池組供電系統(tǒng)使用80 kW小功率柴油發(fā)電機(jī)組替代原大功率柴油發(fā)電機(jī)組為鋰電池儲能單元充電。當(dāng)鋰電池組發(fā)生故障時(shí)，可切換至柴油發(fā)電機(jī)組直接供電，滿足大車、小車和起升機(jī)構(gòu)慢速運(yùn)行用電需求和空調(diào)、照明、通信等輔助用電需求。本項(xiàng)目柴油發(fā)電機(jī)組中的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)分別選用康明斯柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和斯坦福發(fā)電機(jī)。

1.1.2 可控整流單元模塊

將起升變頻器二極管整流部分改造為可控整流單元模塊，使其具有整流、限流、升壓和穩(wěn)壓作用，具體表現(xiàn)為：將柴油發(fā)電機(jī)組輸出的400 V交流電源整流成所需的直流電源;將電壓提升至所需電壓并保持電壓穩(wěn)定;限制電流，防止在起升機(jī)構(gòu)重載上升時(shí)發(fā)電機(jī)組過載熄火，使發(fā)電機(jī)組始終處于最佳工作狀態(tài)，從而提高發(fā)電效率。本項(xiàng)目可控整流單元模塊選用VACON 品牌、400 V主動(dòng)前端整流器和LCL濾波器。

1.1.3 DC-DC變換器

DC-DC變換器采用雙向架構(gòu)，其作用在于維持并穩(wěn)定直流母線電壓，限制充放電電流，防止電池過充電或過放電，從而延長電池使用壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性。本項(xiàng)目DC-DC變換器選用市場上廣泛使用的優(yōu)質(zhì)品牌，電池側(cè)額定電流為675 A，電池側(cè)電壓為400～600 V，母線側(cè)電壓為500～720 V，輸出功率為300 kW。

1.1.4 電池儲能單元

電池儲能單元采用鈦酸鋰電池，在為RTG整機(jī)提供動(dòng)力源的同時(shí)，還能將起升機(jī)構(gòu)下降時(shí)產(chǎn)生的勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。當(dāng)電池管理系統(tǒng)檢測到電池電量低時(shí)，可編程邏輯控制器啟動(dòng)整流單元和柴油發(fā)電機(jī)組，為電池儲能單元充電。本項(xiàng)目電池儲能單元選用日本東芝原裝進(jìn)口鈦酸鋰電池和電池管理單元，鋰電池組容量為120 A h，電壓為525 V。

1.1.5 輔助電源逆變器

輔助電源逆變器將直流電源逆變成三相交流電源，為可編程邏輯控制器、照明設(shè)備等提供輔助電源。本項(xiàng)目采用VACON品牌110 kW、400 V輔助電源逆變器。

1.1.6 正弦波濾波器

正弦波濾波器的作用是過濾逆變器所輸出三相電源的諧波，使其更接近三相正弦波交流電源，從而消除諧波電壓對電子控制設(shè)備的影響，提高輔助供電質(zhì)量。本項(xiàng)目選用國內(nèi)某知名品牌額定電流為200 A的濾波器。

1.2 鋰電池組供電系統(tǒng)動(dòng)力房布置

如圖2所示：鋰電池組供電系統(tǒng)動(dòng)力房布置在RTG原動(dòng)力房安裝位置;在改造安裝平臺內(nèi)設(shè)置可收放維修平臺，收放機(jī)構(gòu)操作簡便，并且不干涉其他裝置。RTG原發(fā)電機(jī)房外側(cè)留有寬800 mm左右的走道，在朝內(nèi)一側(cè)設(shè)置可收放維修平臺。新改造的80 kW柴油發(fā)電機(jī)房尺寸為2 600 mm？ 280 mm？2 600 mm，質(zhì)量為2.3 t，自帶平臺和可收放維修通道。新動(dòng)力房安裝在原動(dòng)力房平臺梁的中央，長度方向中心線與平臺梁中心線平齊，確保負(fù)載平衡。原動(dòng)力房寬約2.00 m，新動(dòng)力房平臺寬1.28 m，未超出原來的范圍空間。

鋰電池組供電系統(tǒng)動(dòng)力房改造后，RTG的輪壓估算如下。

（1）80 kW小型柴油發(fā)電機(jī)房及其平臺總質(zhì)量約2.8 t。

（2）混合動(dòng)力電池房總質(zhì)量約4.85 t，包括：3個(gè)電池柜的質(zhì)量為1 500 kg;變頻器柜的質(zhì)量為600 kg;控制柜的質(zhì)量為500 kg;其他裝置的質(zhì)量為250 kg;電池房自重為2 t。

（3）動(dòng)力房平臺加輔料的總質(zhì)量約1 t。

（4）改造完成的鋰電池組供電系統(tǒng)總質(zhì)量（包括發(fā)電機(jī)房及其平臺、電池房及其平臺、電池等元件）約為8.65 t。

（5）根據(jù)RTG結(jié)構(gòu)計(jì)算書中的數(shù)據(jù)，原動(dòng)力房的質(zhì)量約為9 t。

從以上計(jì)算結(jié)果可見：鋰電池組供電系統(tǒng)裝置的總質(zhì)量與原大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)RTG動(dòng)力房的質(zhì)量相當(dāng)，改造后不會增加RTG輪壓。

1.3 鋰電池組供電系統(tǒng)控制

（1）鋰電池組供電系統(tǒng)控制電源取RTG控制系統(tǒng)控制電源，為鋰電池組供電系統(tǒng)可編程邏輯控制器、智能電池管理系統(tǒng)、AC-DC整流器、DC-DC變換器和輔助電源逆變器等提供控制電源。

（2）鋰電池組供電系統(tǒng)可編程邏輯控制器通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）總線與智能電池管理系統(tǒng)通信，并讀取智能電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，控制柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行和停止。

（3）鋰電池組供電系統(tǒng)可編程邏輯控制器檢測柴油發(fā)電機(jī)組狀態(tài)（故障、油位、油溫和運(yùn)行等）、AC-DC整流器狀態(tài)（故障、運(yùn)行）、DC-DC變換器狀態(tài)和輔助電源逆變器狀態(tài)，并控制柴油發(fā)電機(jī)組、AC- DC整流器、DC-DC變換器和輔助電源逆變器運(yùn)行。

（4）鋰電池組供電系統(tǒng)可編程邏輯控制器通過RS485接口或輸入輸出端口與RTG電氣控制系統(tǒng)可編程邏輯控制器通信，并發(fā)送鋰電池組供電系統(tǒng)故障、運(yùn)行等狀態(tài)信息至RTG電氣控制系統(tǒng)可編程邏輯控制器，控制RTG運(yùn)行。當(dāng)RTG電氣控制系統(tǒng)可編程邏輯控制器收到鋰電池組供電系統(tǒng)故障信號時(shí)，RTG緊急制動(dòng)。

（5）當(dāng)鋰電池組供電系統(tǒng)可編程邏輯控制器收到智能電池管理系統(tǒng)發(fā)出的電池電量低的信號時(shí)，立即啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行;當(dāng)鋰電池組供電系統(tǒng)可編程邏輯控制器收到柴油發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的信號時(shí)，啟動(dòng)AC-DC整流器運(yùn)行，DC-DC變換器開始對鋰電池組充電;當(dāng)鋰電池組供電系統(tǒng)可編程邏輯控制器收到智能電池管理系統(tǒng)發(fā)出的電池電量高的信號時(shí)，停止AC-DC整流器和柴油發(fā)電機(jī)組工作。在鋰電池組供電系統(tǒng)正常運(yùn)行的過程中，DC-DC變換器和輔助電源逆變器一直處于工作狀態(tài)。當(dāng)鋰電池組供電系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組、AC-DC整流器、DC-DC變換器和輔助電源逆變器均停止工作，以降低能耗。鋰電池組供電系統(tǒng)可編程邏輯控制器接收智能電池管理系統(tǒng)的狀態(tài)信息，包括所有電池的電壓、溫度等信息。

（6）在RTG司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺上設(shè)置鋰電池組供電系統(tǒng)狀態(tài)指示燈、鋰電池組供電系統(tǒng)啟停開關(guān)。

1.4 智能電池管理系統(tǒng)

智能電池管理系統(tǒng)采用東芝原裝進(jìn)口電池原配監(jiān)控系統(tǒng)，具有鋰電池狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、故障分析和定位、電池荷電狀態(tài)和電池健康狀態(tài)估算、數(shù)據(jù)傳輸、充放電控制、運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲等管理功能，例如：估測鋰電池組的荷電狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示剩余電量或荷電狀態(tài)，從而將剩余電量維持在合理的范圍內(nèi)，防止因過充電或過放電而使電池受損;計(jì)算、比較、記憶和報(bào)告電池在不同負(fù)荷條件下的充放電狀態(tài)，電池容量檢測誤差小于5%;監(jiān)控和報(bào)告不同電池模塊的溫度和電壓;判斷故障電池模塊，并向主系統(tǒng)可編輯邏輯控制器發(fā)出故障停機(jī)信號。智能電池管理系統(tǒng)與主系統(tǒng)可編程邏輯控制器間采用CAN2.0B國際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，具有通信可靠、數(shù)據(jù)交換方便等優(yōu)點(diǎn)。電池組可24 h連續(xù)工作，無須單獨(dú)停機(jī)或啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組;由可編程邏輯控制器控制實(shí)現(xiàn)電池組自動(dòng)平衡功能，一旦檢測到電芯壓差大于10 mV，立即觸發(fā)平衡功能，確保系統(tǒng)在長期充放電狀態(tài)下仍能正常啟動(dòng)。

2 RTG油電混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用效果

2.1 RTG油電混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用

司機(jī)上機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)房內(nèi)電瓶切換開關(guān)轉(zhuǎn)至合閘 （“ON”）位置（見圖3），并對發(fā)動(dòng)機(jī)油、水、電進(jìn)行常規(guī)檢查;司機(jī)室右聯(lián)動(dòng)臺上設(shè)有混動(dòng)按鈕功能鍵，司機(jī)操作主要涉及送電和斷電，其他操作與傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)RTG操作一致。

RTG油電混合動(dòng)力系統(tǒng)具體操作步驟如下。

（1）混合動(dòng)力合閘送電：按下“24 V電源合閘” 按鈕（見圖4），指示燈亮90 s后按下“混動(dòng)合閘” 按鈕（見圖5），30 s后“混動(dòng)合閘”指示燈亮起，隨即系統(tǒng)控制電源合閘，開始作業(yè)。

（2）混合動(dòng)力分閘斷電：系統(tǒng)控制電源分閘;按下 “混動(dòng)分閘“按鈕（見圖6）;下機(jī)前，將電瓶切換開關(guān)轉(zhuǎn)至分閘（“OFF”）位置。

RTG油電混合動(dòng)力系統(tǒng)操作說明：（1）按下“電源合閘”按鈕后，綠色指示燈亮起90 s，待系統(tǒng)啟動(dòng)后，方可操作混動(dòng)合閘 ;（2）混動(dòng)合閘指整機(jī)電源供電，合閘后整機(jī)有電，且司機(jī)室內(nèi)的指示燈、照明和空調(diào)等設(shè)備有電;（3）混動(dòng)分閘指整機(jī)電源斷電;（4）系統(tǒng)控制電源合閘和系統(tǒng)控制電源分閘指RTG電氣系統(tǒng)控制分合閘，合閘后起升、大車、小車各機(jī)構(gòu)動(dòng)作，分閘后各機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作;（5）在電源合閘狀態(tài)下，當(dāng)電池電量低需要對電池充電時(shí)，可以手動(dòng)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組對電池充電;（6）“混動(dòng)故障”指示燈用于提示混合動(dòng)力系統(tǒng)故障，“混動(dòng)故障復(fù)位”按鈕用于復(fù)位故障混合動(dòng)力系統(tǒng)。

2.2 RTG油電混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能效果

大連集裝箱碼頭有限公司RTG油電混合動(dòng)力系統(tǒng)改造項(xiàng)目于2018年6月19日完成，為驗(yàn)證該系統(tǒng)應(yīng)用效果，在正式投入使用前對其進(jìn)行節(jié)能測試。YC41號、YC42號、YC43號、YC44號和YC45號RTG為同品牌、同批次采購和投產(chǎn)的傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)RTG，對YC44號RTG實(shí)施油電混合動(dòng)力系統(tǒng)改造后，比較其與YC41～43號及YC45號RTG的作業(yè)箱量和單箱油耗（見表1）。通過對比可見，YC44號油電混合動(dòng)力RTG比傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)RTG節(jié)能63.5%，達(dá)到預(yù)期效果。

3 結(jié)束語

在傳統(tǒng)大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)RTG無法滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求的背景下，低能耗油電混合動(dòng)力RTG已成為當(dāng)下RTG技術(shù)發(fā)展趨勢。RTG油電混合動(dòng)力系統(tǒng)改造保留原柴油發(fā)動(dòng)機(jī)RTG作業(yè)靈活的優(yōu)點(diǎn)，無須改造碼頭堆場設(shè)施，投資較少，且節(jié)能63%左右，有利于降低碼頭運(yùn)營成本。此外，傳統(tǒng)大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)RTG的維保費(fèi)用高昂，RTG油電混合動(dòng)力系統(tǒng)改造有利于降低碼頭設(shè)備技術(shù)維護(hù)成本。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2019-04-12）