轮胎式集装箱门式起重机节能降耗技术浅析

       本文针对港口集装箱码头大量使用的RTG,，分析了适用的节能降耗技术，节能型RTG和电动RTG具有各自的优缺点。节能型RTG在节能降耗的前提下，充分保留了RTG机动灵活的优点；电动RTG则更着眼于节能降耗，运营成本低，环保效果好，但是转场不便，而且要增加码头的电力基础设施投资。因此，这就需要码头用户和RTG制造商共同探讨，根据各个集装箱码头不同的使用环境和特点，提出适用的可行节能降耗方案。
1．引言

       轮胎式集装箱门式起重机（RTG）是世界各大集装箱专业化码头堆场的主力设备，它具有码头基础的投资成本低、机动灵活可转场作业、便于分期分批购置等优点，一直受到广大集装箱作业码头的欢迎，在用数量占场桥总数量的85％左右。但是，传统RTG由柴油发电机组驱动，能量转换效率低、能耗大、成本高。同时RTG在作业时排放的废气黑烟和柴油机运转时产生的巨大噪音以及柴油存放与使用中的环境污染也与日益严格的环保要求有一定距离。伴随着近年来全球经济高速增长引起的以石油为代表的化石能源的日益短缺，国际油价不断刷新历史记录，持续快速上涨，给各大拥有大量RTG的集装箱码头的营运成本带来了巨大的压力。

       中国政府在“十一五”规划中明确提出节能降耗和防污减排的目标，具有非常重要的战略意义。近年来，世界各大港口机械制造商和配套商都投入了研发力量试图改进传统RTG的传动技术。传统RTG的节能降耗技术主要分为节能型RTG和电动RTG两个研发方向。节能型RTG主要是采取提高柴油发电机组的能源利用效率和把RTG在下方重物和运行机构制动时产生的再生回馈能量储存起来加以利用等技术措施，通过提高整机能源利用率实现节能降耗。电动RTG就是“油改电”运行，RTG的工作所需电力不再使用柴油发电机组，而是取自码头堆场提供的廉价市电；同时，由于采用市电驱动，RTG工作时的再生反馈能量也可采用成熟的能量回馈技术，整机的能源利用率很高。下面，就这两种已经进入实际工程应用的RTG节能降耗技术作以详细探讨。
2．节能型RTG的技术分析

节能型RTG采用的主要技术有：

（1）提高柴油发电机组的能源利用效率。

        在普通RTG中，柴油机只有怠速与全速两挡的工作速度：怠速用于待机工况；全速用于工作工况。由于RTG的系统载荷是变化的、非线性的，因此在载荷较轻时，柴油机一发电机组效率较低，造成能量浪费。柴油机特性决定了其在不同需求功率下有不同的经济油耗，如果能通过某种方式找出这条在不同功率下的经济油耗与转速曲线，并对此进行控制，将可以大大提高柴油机一发电机组的效率，取得很好的节能效果。

        目前，实用的工程技术是以西门子公司的ECO节能技术为代表的发动机速度调节方式。此技术的关键是根据RTG不同工况对功率需求的不同，改变柴油机的转速，调整输出功率，实现精确的动态功率管理，从而实现节省油耗降低成本，提高整机能源利用率。

（2）把RTG在下方重物和运行机构制动时产生的再生回馈能量储存起来加以利用。

        RTG的再生能量主要指的是起升机构下降过程、大车和小车机构减速过程中产生的再生能量，这部分能量占有整个运行循环的30％以上。由于再生能量无法回馈，普通RTG的做法是直接通过能耗电阻以发热的形式白白消耗掉。对这部分能量进行再利用，不仅可以节能，而且可以弥补起升机构吊重载上升过程及各机构突然加速时的突加功率需求，从而使发动机可以基本工作在非过载状态，容易熄火的现象将基本不存在，这将有效地提高发动机的使用寿命并达到良好的环保效果。解决这个问题的关键是要有一套储能和回馈装置，能够快速吸收再生能量，并在系统需要时能立即投入使用。

        目前，实用的工程技术是以超级电容和飞轮储能系统为代表的能量存储与回馈方式。利用超级电容的能量存储与回馈方式的典型代表是振华港机的绿色RTG，利用飞轮储能系统的能量存储与回馈方式的代表是VYCON公司的飞轮节能系统。

        超级电容的原理并非新技术，常见的超级电容大多是双电层结构，同电解电容器相比，这种超级电容能量密度和功率密度都非常高。同传统的电容器和二次电池相比，超级电容储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。 随着社会经济的发展，人们对于绿色能源和生态环境越来越关注，超级电容器作为一种新型的储能器件,因为其无可替代的优越性，越来越受到人们的重视。在最近几年中，超级电容器已经开始进入很多应用领域，如消费电子、工业和交通运输业等领域。

         当然，上述两类技术不是孤立的，可以结合起来使用，节能降耗的效果会更加明显。下面就市场上出现的几种新型节能型RTG作以简要介绍。

2．1 Siemens的经济节能型RTG(ECO－RTG)

        ECO－RTG与普通型RTG最大的不同在于它的柴油发电机组。它运用最新的驱动技术，在达到普通型RTG操作效率的基础上，最大限度地降低柴油机油耗。Siemens针对RTG的控制要求，研发了节能机型RTG(ECO－RTG)，相对于普通RTG，它有几个关键技术特点：① 增速齿轮箱；② 水冷高速同步永磁发电机；③ 水冷式变频器及其配套电气元器件；④ DICO发动机控制装置。其原理体现了系统功率和能量需求的综合管理，它基于成熟的已市场化的汽车行业成功应用的混合动力电气驱动技术。ECO —RTG通过所有元件准确的动态功率管理、发动机待机控制，发动机的输出功率由电动机消耗功率直接控制，且控制系统无延迟，从而使发动机总是处于最佳运行区域或怠速状态。

       普通RTG启动柴油机后，就始终保持在全速运转的状态下，即使不进行吊箱作业也要浪费一部分能量，而ECO－RTG采用两台单机容量180KW的新型发电机，在柴油机怠速的情况下，就能满足RTG辅助功能的用电需求。当RTG进行吊箱作业时，控制系统根据实际的负荷大小调整并优化发动机的转速，使其工作在高效运转速度范围内，具体如下：操作主令手柄将给定的速度传递给PLC，PLC根据速度和负载情况，将需要的电流、功率等信息传递给柴油机控制PLC，柴油机控制PLC相应地提高柴油机转速，从而提高发电机输出功率以满足机构动作的需要。当一个机构动作结束后，柴油机马上由高速状态切换到怠速状态，响应时间不会超过2秒钟。ECO－RTG的节能关键在于能够根据负载的大小，调整柴油机转速，在满足RTG功率需求的同时，最大程度地减少能源浪费。

        根据西门子公司发布的测试结果（数据来源：马士基西班牙Algeciras]，在系统无超级电容的情况下，对比油料消耗测量值，可节约柴油48%~50%；在系统加装超级电容的情况下，对比油料消耗测量值，可节约柴油69%~70%。国内的厦门嵩屿集装箱码头已有新型ECO-RTG在2007年投入实际使用，从现场反映的情况看，节能环保效果明显。

       从实际应用看，如对普通的RTG进行技术改造，需要从发电机组至控制元器件整套更新，整机改造范围大，费用高。此项技术主要应用于港口机械制造商研发的新产品。

2．2 TM GE—RTG

       TM GE(东芝、三菱、通用电气)，针对RTG的节能控制要求，研发了独特的节能电控系统Fuel Efficient-RTG。该系统既可应用于新采购的RTG，也可用于旧RTG的电控系统改造，适用范围广。它的主要设计理念是通过合理地改变柴油发动机的转速，达到经济提供电源的目的。该系统关键的技术特点如下：① 可变速发动机；② 变流器；③ 逆变器；④ 超级电容和DC／DC变换器。

        该系统中增加了逆变器、变流器，同时也改变了原来发动机的恒速要求。整套系统的设计仅对直流母线进行了处理，对于直流母线以下的电机控制均没有任何变化。因此，它保持了原RTG的控制模式，使原有的优良特性得到继承。

        可变速发动机对于可变速柴油发动机的精确调速控制是TM GE—RTG系统的精髓。当RTG载荷需求功率较小时，可通过使发动机工作在额定速度以下，达到降低柴油的消耗、噪音和维护成本的目的。TM GE—RTG系统根据速度和电流测量值，计算出实际需要的转矩，再经过柴油机转矩与转速的转换，确定柴油机的喷油量。由于负载电流的变化非常迅速，突加突降负载给发动机的转速变化提出很高的要求。实践证明，采用电喷的可变速发动机完全能够满足要求。

        DC—DC变换器是变频器直流母线和超级电容之间的电能转换装置。当RTG的起升机构下降、大车和小车机构减速时，电动机会向直流母线上回馈电能。直流母线电压升高到一定限值时，DC—DC变换器可以将电能注入到超级电容。当母线电压下降，系统中需要电能补给时，超级电容中的能量能适时的进行补充；能量不足时，可以由可调速发电机调整转速，进一步注入能量。在重物下降结束后，超级电容会积聚充足的能量。同时，如果长时间待机，由于发动机同样有多余的能量输出，也可以由DC—DC变换器注入到超级电容。

Fuel Efficient RTG理想状态的节能效率可以达到30％左右。TM GE还提供