通用碼頭機械化自動化裝卸工藝系統(tǒng)

魏雅康 覃 杰 陳良志

中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司 廣州 510290

0 引言

隨著港口工程技術(shù)的不斷進步，港口建設(shè)也向著專業(yè)化方向發(fā)展，港口生產(chǎn)的機械化、自動化的發(fā)展趨勢日益明顯，在集裝箱碼頭、散貨碼頭等領(lǐng)域已基本實現(xiàn)全機械化、自動化。近年來，5G技術(shù)的出現(xiàn)，使一批全自動化無人集裝箱碼頭相繼竣工并投入使用。然而，在通用碼頭領(lǐng)域，港口機械的自動化操作技術(shù)還不成熟，特別是件雜貨的裝卸作業(yè)，尚存在大量的人工輔助作業(yè)。針對這一情況，本文主要探討機械化自動化設(shè)備在通用碼頭的應(yīng)用。

1 項目概況

某海外通用碼頭為當(dāng)?shù)厥称饭九涮状a頭建設(shè)項目，主要進行散貨的進口及件雜貨的出口。其中，進口散貨貨種為散糧，出口件雜貨貨種為袋裝糖，以50 kg/包進行出運。該配套碼頭擬建設(shè)2個10 000 t級通用泊位，岸線長度為285 m，引橋長度500 m，年吞吐量為散裝糧108萬t/a，成品袋裝糖為42萬t/a。設(shè)計分界線為引橋陸側(cè)根部。

2 裝卸工藝方案

結(jié)合項目特點，提出了2個裝卸工藝方案，裝卸工藝方案1采用目前國內(nèi)外較為常見的傳統(tǒng)裝卸方式，裝卸工藝方案2主要采用機械化自動化較高的裝卸方式。

2.1 裝卸工藝方案1

1)船岸作業(yè)方案

目前，散貨和件雜貨共用的通用碼頭的裝卸工藝方案中，主要采用門座起重機進行船岸裝卸作業(yè)[1]。

針對本工程的岸線長度和貨運量，碼頭前沿配置3臺門座起重機進行船岸裝卸作業(yè)，通過更換吊具來應(yīng)對不同的貨種需求，散貨作業(yè)時采用門座起重機配置抓斗進行作業(yè)，雜貨作業(yè)時采用門座起重機配置吊鉤進行作業(yè)。

2)水平運輸方案

針對散糧的進口作業(yè)，采用2路帶寬1.6 m，帶速3.15 m/s，額定能力為1 500 t/h的普通槽型帶式輸送機進行水平運輸作業(yè)。袋裝糖的出口作業(yè)，主要采用目前國內(nèi)運用成熟的牽引車平板車運輸方案。

3)主要設(shè)備配置

結(jié)合碼頭的吞吐量及年作業(yè)天數(shù)，經(jīng)過分析測算，裝卸工藝方案1的主要設(shè)備配置如表1所示。

表1 方案1主要設(shè)備配置表

4）平面布置方案

結(jié)合裝卸工藝方案1，碼頭面布置方案為：門座起重機軌道寬10.5 m，海側(cè)軌道距碼頭前沿線距離為3 m，因牽引車平板車作業(yè)需要，門座起重機2軌之間不布置帶式輸送機棧橋，帶式輸送機棧橋考慮布置在門座起重機路側(cè)軌道后側(cè)，棧橋上布置2條帶式輸送機，棧橋?qū)挾葹? m，棧橋與門機路側(cè)軌道之間布置雙車道，寬度為7.5 m，碼頭面總寬度為30 m。碼頭面總長度為285 m。

引橋布置方案為：引橋面布置2條帶式輸送機，占地寬度為8 m，另外布置雙向2車道，寬度為8 m，總寬度為16 m。引橋總長度為500 m。

平面布置圖及斷面圖如圖1～圖3所示。

圖1 方案1平面布置圖

圖2 方案1碼頭斷面布置圖

圖3 方案1引橋斷面布置圖

2.2 裝卸工藝方案2

裝卸工藝方案1中，散糧進口采用的門座起重機配抓斗與槽形帶式輸送機的方案基本能實現(xiàn)機械化、自動化作業(yè)。裝卸工藝方案2主要從件雜貨裝卸方案出發(fā)，本工程件雜貨貨種為袋裝糖（包裝為50 kg/袋），可考慮采用成套輸送系統(tǒng)進行件雜貨的裝卸作業(yè)，從而減少牽引車司機數(shù)量以及船岸作業(yè)時的輔助工人數(shù)量，在此基礎(chǔ)上提出了采用連續(xù)輸送機械進行水平運輸、連續(xù)裝船機進行船岸作業(yè)的裝卸方式。

1）船岸作業(yè)方案

碼頭前沿配置2臺帶斗門座起重機進行散貨的卸船作業(yè)，配置一臺連續(xù)式螺旋袋物裝船機進行袋裝糖的裝船作業(yè)。

本方案所采用的螺旋袋物裝船機結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，故障率很低，主要由行走機構(gòu)、門架機構(gòu)、俯仰機構(gòu)、螺旋溜槽等組成[2]。袋包物料通過機上短帶式輸送機、過渡帶式輸送機、臂架帶式輸送機輸送至螺旋滑槽，由螺旋滑槽落包至船艙。現(xiàn)階段常見于專業(yè)袋裝水泥出運碼頭，在糧食碼頭較少應(yīng)用，針對本工程袋裝糖標(biāo)準(zhǔn)化包裝的特點，可推薦使用該機械設(shè)備。

考慮到袋物裝船機軌下需設(shè)置散裝糧進口的帶式輸送機棧橋，螺旋袋物裝船機的軌距設(shè)置為12 m，且門架上橫梁凈空高度需滿足軌下帶式輸送機棧橋所需高度，設(shè)置為8 m。另一方面，布置在裝船機后側(cè)與裝船機機上短輸送帶搭接的袋裝糖輸送主輸送帶的高程也需相應(yīng)提高，在設(shè)計與施工過程中需做好裝船機系統(tǒng)與后側(cè)輸送機系統(tǒng)的銜接工作。

2）水平運輸方案

為匹配帶斗門座起重機的裝卸效率，進口散糧的水平運輸采用2路帶寬1.6 m，帶速2.5 m/s，額定能力為1 000 t/h的槽形帶式輸送機進行水平運輸作業(yè)。

本方案采用帶式輸送機輸送袋包糖，輸送物料不同于散貨物料，普通的槽形帶式輸送機并不適用，平行上托輥帶式輸送機可以較好地適應(yīng)物料類型，根據(jù)袋裝糖的包裝規(guī)格，選擇一路帶寬為0.8 m、帶速為1.25 m/s、額定能力為120 t/h的帶式輸送機進行作業(yè)。平行上托輥帶式輸送機由于其低帶速、輸送穩(wěn)定、無撒料、不易跑偏的特點，在平面上實現(xiàn)不同方向轉(zhuǎn)運時，無需考慮設(shè)置轉(zhuǎn)運站，只需設(shè)置簡易的動力擋板、導(dǎo)向輪、托輥，即可實現(xiàn)較大的平面輸送角度變化，這一特點特別適用于平面空間有限、平面尺度要求嚴(yán)格的港口工程中。

另外，針對袋包糖的物料特性及輸送能力的大小，在帶式輸送機的空間爬坡過程中，傾角以不超過7°為宜，需在引橋靠近碼頭段設(shè)置較長的帶式輸送機棧橋來實現(xiàn)袋包糖帶式輸送機的爬高作業(yè)。

3）主要設(shè)備配置

結(jié)合碼頭的吞吐量及年作業(yè)天數(shù)，經(jīng)過分析測算，裝卸工藝方案2的主要設(shè)備配置如表2所示。

表2 主要設(shè)備配置表

4）平面布置方案

結(jié)合裝卸工藝方案2，碼頭面布置方案為：海側(cè)軌道距碼頭前沿線距離為3 m，方案2碼頭面無牽引車平板車作業(yè)，可考慮在前沿裝卸設(shè)備軌道之間布置帶式輸送機棧橋，棧橋上布置2條散糧運輸帶式輸送機，棧橋?qū)挾葹? m，裝卸設(shè)備軌道寬度設(shè)置為12 m，在軌道后側(cè)2 m后布置袋裝糖裝船輸送帶棧橋，棧橋?qū)挾仍O(shè)置為4 m，棧橋后側(cè)考慮1條寬度為5 m的維修通道。經(jīng)計算，碼頭面總寬度為26 m，總長度為285 m。

引橋布置方案為：引橋面布置3條帶式輸送機，寬度為12.2 m，另外布置1條單向維修車通道，寬度為3.8 m，總寬度為16 m。引橋總長度為500 m。裝卸工藝平面布置圖及斷面圖如圖4～圖7所示。

圖4 方案2平面布置圖

圖5 方案2卸船泊位斷面布置圖

圖6 方案2裝船泊位斷面布置圖

圖7 方案2引橋斷面布置圖

3 裝卸工藝方案比選

3.1 投資估算

1）水工結(jié)構(gòu)

裝卸工藝方案2與裝卸工藝方案1相比，水工結(jié)構(gòu)主要區(qū)別在于碼頭面寬度以及荷載的不同。裝卸工藝方案2中，碼頭面寬度節(jié)省4 m，且水工結(jié)構(gòu)無需考慮牽引車平板車的較大的載荷，在一定程度上節(jié)省了水工結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)及梁板的工程量和費用。

方案2與方案1相比，碼頭面面積減少285×4=1 140 m2，針對萬噸級高樁梁板結(jié)構(gòu)，按1萬元/ m2進行估算，方案2比方案1在水工結(jié)構(gòu)方面節(jié)?。? 140×1=1 140萬元。

另外，方案2無需考慮牽引車平板車的設(shè)計荷載，可減少引橋的面板厚度，從而降低引橋水工結(jié)構(gòu)的工程量和費用。

2）裝卸設(shè)備

2個方案的裝卸設(shè)備區(qū)別主要在于袋裝糖前沿裝卸設(shè)備及水平運輸設(shè)備不同，主要將這一部分的估算進行對比，2方案的袋裝糖裝卸設(shè)備估算如表3、表4所示。

表3 方案1主要設(shè)備估算表

由表4可知，采用裝卸工藝方案2，鋪設(shè)帶式輸送機及土建棧橋的費用較購置牽引車平板車的費用高，但螺旋袋物裝船機結(jié)構(gòu)簡單，價格較門座式起重機低，整體看兩個裝卸工藝方案設(shè)備估算基本一致，相差較小，方案2略低。

表4 方案2主要設(shè)備估算表

3）估算比較

方案1與方案2的投資估算比選表5所示。

表5 投資估算對比表 萬元

在表5中，以裝卸工藝方案1為基準(zhǔn)造價，總體費用以0計，方案2正、負(fù)值分別表示費用的增、減。裝卸工藝方案2在投資估算上比裝卸工藝方案1要低。

3.2 生產(chǎn)運營

2個方案在進口散糧上，生產(chǎn)運營模式基本一致，本文主要對投產(chǎn)后袋裝糖的生產(chǎn)運營效果進行對比。

1）工藝定員

設(shè)備定員主要包含裝卸工人數(shù)量及司機數(shù)量，修理人員及其他管理人員數(shù)量由港區(qū)總體協(xié)調(diào)，2個方案基本一致，不進行單獨比較。2個方案的設(shè)備定員數(shù)量如表6、表7所示。

由表6、表7可知，裝卸工藝方案2與裝卸工藝方案1相比，在港區(qū)定員上有較大的優(yōu)勢，能夠較大程度地節(jié)省后期人力資源成本。

表6 方案1設(shè)備定員數(shù)量

表7 方案2設(shè)備定員數(shù)量

2）作業(yè)效率

方案1所用門座起重機在進行袋裝糖裝船時，裝卸效率一般為60～100 t/h左右。在操作過程中，受裝卸工人及門座起重機司機的操作熟練度影響，裝卸作業(yè)效率存在一定程度的波動，較難達到理想的裝卸作業(yè)效率。

方案2所用螺旋袋物裝船機裝卸效率與水平運輸帶式輸送機一致，設(shè)計為2 400 bag/h，按每包標(biāo)準(zhǔn)包裝50 kg計，為120 t/h。螺旋袋物裝船機裝船為機械化作業(yè)，碼頭面無需裝卸工人進行輔助作業(yè)，只需在船艙落料點配備人員進行堆碼垛作業(yè)，作業(yè)效率穩(wěn)定，受人員素質(zhì)影響小，適合長期穩(wěn)定作業(yè)。

3）安全、節(jié)能、環(huán)保

①安全方面 在方案1中，袋裝糖運輸中碼頭面上牽引車平板車車流量較大，且無法完全做到人車分離，存在一定的安全隱患。另外，牽引車平板車在碼頭端部調(diào)頭時，需要穿越帶式輸送機棧橋底部，容易受到帶式輸送機棧橋底部支腿干擾，對司機要求較高，也存在一定的駕駛安全隱患。在方案2中，碼頭面除日常維護及維修車輛通行之外，無大型牽引車平板車通行，減少了碼頭車輛的交通量，不存在大型車輛調(diào)頭的工況，減小了安全隱患。

②節(jié)能方面 經(jīng)分析計算，方案1裝卸袋裝糧的單位能耗為2.35 t標(biāo)準(zhǔn)煤/萬t吞吐量。方案2裝卸袋裝糧的單位能耗為2.07 t標(biāo)準(zhǔn)煤/萬t吞吐量。可知在裝卸工藝方面，方案2與裝卸工藝方案1相比能耗更低。

③環(huán)保方面 方案1中采用的牽引車平板車絕大部分為燃油驅(qū)動，會排放一定的污染尾氣。在建設(shè)綠色港口、大力發(fā)展船舶岸電的背景下，港口裝卸設(shè)備宜選用低能耗、低污染的電力驅(qū)動設(shè)備。方案2采用的平行上托輥帶式輸送機，為電力驅(qū)動，在水平運輸過程中基本對環(huán)境無污染。

3.3 總結(jié)

通過對2個方案在建設(shè)階段的投資估算及建成投產(chǎn)后的生產(chǎn)運營效果分析可知，裝卸工藝方案2在投資估算、生產(chǎn)運營方面相比裝卸工藝方案1有著較大的優(yōu)勢，故采用機械化、自動化程度更高的裝卸工藝方案2是可行的。

4 結(jié)語

1）袋包件雜貨利用機械化自動化的螺旋袋物裝船機與帶式輸送機的裝船方案能夠節(jié)省工程投資，具有一定的經(jīng)濟效益；

2）螺旋袋物裝船機與帶式輸送機的機械化自動化裝船方案在后期運營過程中，能夠節(jié)省運營成本，在安全、節(jié)能、環(huán)保方面也具有較大的優(yōu)勢；

3）在貨種規(guī)格滿足要求的前提下，螺旋袋物裝船機與帶式輸送機的裝卸工藝方案具有一定的推廣價值。