輪胎式集裝箱起重機(jī)“油改電”方案之
滑觸線供電+鋰電池轉(zhuǎn)場方式介紹
一、 項(xiàng)目背景
在全球環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的大背景下，節(jié)能減排已然成為了各個行業(yè)義不容辭的共同責(zé)任。在港口碼頭領(lǐng)域，打造綠色碼頭不僅是對環(huán)境保護(hù)的有力回應(yīng)，更是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。因此，加大對港口現(xiàn)有設(shè)備的節(jié)能改造力度和深度，以達(dá)到節(jié)約能源、減少污染排放、降低運(yùn)營成本、提高經(jīng)濟(jì)效益、切實(shí)發(fā)揮設(shè)備最大經(jīng)濟(jì)價(jià)值的目的。
輪胎式集裝箱起重機(jī)（以下簡稱“RTG”）作為港口集裝箱堆場的主力起重裝卸設(shè)備，其具有行走靈活、作業(yè)面積廣等獨(dú)特優(yōu)勢，然而，傳統(tǒng)的 RTG 采用柴油發(fā)電機(jī)組驅(qū)動，需要經(jīng)過熱能、機(jī)械能等多次能量轉(zhuǎn)換才能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行驅(qū)動作業(yè)，如此繁雜的轉(zhuǎn)換過程，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率低下，使得設(shè)備能耗居高不下，燃油成本節(jié)節(jié)攀升。不僅如此，RTG 的實(shí)際有效利用占比小，大部分時間都處于等待吊箱的待機(jī)消耗狀態(tài)，空耗現(xiàn)象異常嚴(yán)重。更甚的是，柴油發(fā)電還會排放大量黑煙，產(chǎn)生巨大的噪音，同時后期維護(hù)成本很高。故而，對 RTG 實(shí)施“油改電”技術(shù)改造已是勢在必行。
二、 技術(shù)實(shí)施方案
RTG推行“油改電”技術(shù)改造，將傳統(tǒng)的柴油發(fā)電驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)市電驅(qū)動，同時搭配鋰電池儲能系統(tǒng)和能量回饋系統(tǒng)，電池吸收了起升下降時的一部分勢能，為RTG轉(zhuǎn)場行走提供所需動力源，其余能量直接回饋給大電網(wǎng)，大大節(jié)約了能源。如此改造，不僅兼具了軌道式設(shè)備環(huán)保、能耗低的優(yōu)勢，還保留了輪胎式設(shè)備靈活轉(zhuǎn)場的特點(diǎn)。接下來，將對 RTG“油改電”技術(shù)的實(shí)施進(jìn)行詳細(xì)分項(xiàng)介紹。
1、 主供電方式的改造
滑觸線供電系統(tǒng)主要由地面供電箱、滑觸線支架和立柱、滑觸線、自動取電小車、取電小車控制柜、主變壓器、控制系統(tǒng)等各主要部件組成。首先變電所或箱式變將市電引出至滑觸線的地面供電箱，RTG的供電系統(tǒng)通過滑觸線傳輸給取電小車后引至機(jī)上，然后通過取電小車控制柜供電，經(jīng)過降壓變壓器與原驅(qū)動電源連接，驅(qū)動相應(yīng)各驅(qū)動單元。
取電小車采用自動伸縮式結(jié)構(gòu)，一般安裝于RTG的鞍梁正下方，依靠伸縮臂與RTG隨動運(yùn)行。改造后的RTG見圖1：
圖1 RTG“油改電”布局圖
每個箱區(qū)的滑觸線均配置一個滑觸線地面供電箱，供電箱有牢靠的安裝地基，并有相關(guān)的接地保護(hù)。安裝位置充分考慮滑觸線的壓降要求，其他技術(shù)指標(biāo)滿足以下要求：
? 為保證操作安全，滑觸線地面供電箱采用塑殼斷路器通斷電方式，通過手柄操作來實(shí)現(xiàn)接通和斷開該組滑觸線的供電，供電箱上裝有指示通電和斷電的狀態(tài)指示燈。供電箱帶有短路、過流、過載等保護(hù)功能。斷路器為ABB原裝進(jìn)口產(chǎn)品，電壓等級為AC1000V；
? 供電箱的材質(zhì)為不銹鋼，板材厚度應(yīng)不小1.5mm，箱門的厚度為2.0mm。供電箱的防護(hù)等級為IP56，采用下端面進(jìn)線方式。箱內(nèi)配置照明、加熱器和維修插座，方便維護(hù)使用。
出于綜合比較技術(shù)、安全性能及經(jīng)濟(jì)等方面因素，港口一般采用低空滑觸線（高約3米，額度電壓1000V）的方案，其主要由鋼結(jié)構(gòu)、滑觸線、喇叭口等組成?；|線端部結(jié)構(gòu)見圖2，頭尾兩端設(shè)置對位區(qū)和喇叭口，對位區(qū)是RTG取電小車進(jìn)出滑觸線的接駁位置。
鋼結(jié)構(gòu)分有T型和L型兩種結(jié)構(gòu)，分布于箱區(qū)側(cè)邊，固定在地面上用于安裝滑觸線、喇叭口等，為箱區(qū)提供電源。鋼結(jié)構(gòu)之間用25mm2的銅導(dǎo)線連接，在滑觸線兩側(cè)接地，接地電阻小于3Ω，起到安全防雷保護(hù)的作用?；|線為三相四線制，可采用單層或雙層分布結(jié)構(gòu)形式，滑觸線通過懸吊架固定于鋼結(jié)構(gòu)上。供電電纜連接滑觸線和地面供電箱，為滑觸線供電。喇叭口安裝于每條滑觸線鋼結(jié)構(gòu)兩端，和滑觸線端部平滑聯(lián)接，便于取電小車集電器上的碳刷順暢進(jìn)出滑觸線。
圖2 滑觸線端部結(jié)構(gòu)圖
在RTG的海、陸側(cè)各安裝一套自動取電小車裝置。自動取電小車裝置包括伸縮臂、集電器、伸縮機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、感應(yīng)開關(guān)、氣動控制裝置、空壓機(jī)等部件，自動取電小車結(jié)構(gòu)見圖3。在不使用市電的時候，能安全可靠收回取電裝置，并設(shè)有可靠的鎖止裝置，防止與固定支架等外物發(fā)生碰撞。
圖3 自動取電小車結(jié)構(gòu)圖
取電小車控制柜是用于實(shí)現(xiàn)市電供電、計(jì)量和取電小車控制功能。采用先進(jìn)的PLC控制技術(shù)和人機(jī)界面操作方式。海、陸側(cè)PLC為主從站的通訊方式，并于RTG的主控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全可靠的聯(lián)鎖。
自動取電小車具有駕駛室自動操作模式和就地維修操作模式，自動取電小車與RTG的保護(hù)主要包括以下內(nèi)容：電源轉(zhuǎn)換區(qū)域信號、自動取電小車伸出到位信號、已進(jìn)入導(dǎo)軌信號、大車就位區(qū)域信號、市電取電正常信號、自動取電小車已經(jīng)收回到位信號、RTG變速信號。
變壓器是負(fù)責(zé)將滑觸線AC960V市電降壓至RTG原有的供電電壓等級,一般采用SCB14型干式變壓器，其能效等級為二級能效，符合GB20052-2013國家標(biāo)準(zhǔn)，空載損耗和負(fù)載損耗低，具有較高的效率。變壓器參數(shù)如下：
? 額定頻率：50HZ；
? 額定容量：400KVA；
? 變比：960VAC/400VAC；無載調(diào)壓，±5%和±2.5%抽頭；
? 接線方式：Dyn11；
? 空載損耗：≤0.5KW；
? 空載電流：≤0.5%；
? 短路阻抗：≤6%；
? 冷卻方式：自然風(fēng)冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷；
? 變壓器外殼材料采用2mm厚304#不銹鋼外殼，防護(hù)等級IP54；
2、 鋰電池儲能轉(zhuǎn)場系統(tǒng)的改造
RTG在脫離電網(wǎng)轉(zhuǎn)場時，動力電源將完全由鋰電池組供電。電池組的功率可以滿足在吊具空載或帶箱的情況下，起升慢速運(yùn)行、大車和小車全速運(yùn)行。
在RTG的電氣房對面鞍梁上配置一臺鋰電池儲能動力房，動力房分為電池艙和電氣艙。電池艙內(nèi)部安裝一套鋰電池組和BMS、空調(diào)、自動消防系統(tǒng)；電氣艙內(nèi)安裝配套DC-DC充放電裝置、CVCF輔助逆變裝置、EMS能量管理系統(tǒng)、應(yīng)急充電裝置等電池系統(tǒng)的相關(guān)電控設(shè)備，以及“油改電”所需配套的市電電源裝置、有源整流回饋裝置等等。
詳細(xì)實(shí)施方案可參見“混合動力”目錄下的“集裝箱堆場起重機(jī)轉(zhuǎn)場應(yīng)用“介紹。
3、 能量回饋系統(tǒng)的改造
RTG在制動過程特別是帶集裝箱下降過程中，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，一般通過能耗制動電阻發(fā)熱的方式消耗掉這一部分由勢能轉(zhuǎn)換而來的電能。這對能量來說是一種嚴(yán)重的浪費(fèi)，而且耗能過程產(chǎn)生大量熱量污染環(huán)境。
在動力房配置一套有源整流回饋裝置（簡稱AFE），將電機(jī)在制動過程中產(chǎn)生的能量回饋到電網(wǎng)，供電網(wǎng)上其它用電設(shè)備使用，這使RTG在單位時間消耗電網(wǎng)的電能下降，從而達(dá)到進(jìn)一步降低生產(chǎn)能耗的效果。
整流回饋裝置參數(shù)要求如下：
? 額定功率≥250KW；
? 輸入電壓范圍：380~480V(±15%)；
? 輸入頻率范圍：45～55Hz；
? 功率因數(shù)：≥0.98；
? 電壓諧波總畸變率THDu≤5%；
? 電流諧波總畸變率THDi≤5%。
三、 節(jié)能減排效果
“油改電”主要聚焦于兩個核心目標(biāo)，一是降低成本，二是減少污染。本次成本分析以當(dāng)前柴油平均價(jià)格 7.00元/L 和工業(yè)用電平均價(jià)格每千瓦時 1.20 元為基準(zhǔn)。而污染指標(biāo)主要依據(jù) CO2 排放量來衡量，其換算標(biāo)準(zhǔn)如下：1kW·h = 0.0001229t 標(biāo)煤，1L 柴油= 0.001253106t 標(biāo)煤，1t標(biāo)煤等同于 2.1010t CO2。
整個測試過程最大限度地模擬了RTG收放箱作業(yè)的實(shí)際工況，且需連續(xù)運(yùn)行 2 小時。每次測試中，每臺 RTG 都需要完成 30 箱次的操作量，也就是說，吊箱速度為 15 箱次/小時，該作業(yè)效率與實(shí)際作業(yè)相當(dāng)接近。與此同時，分別選取了三臺同類型的RTG，并最終取其平均值。下表1為3臺RTG的平均能耗折算表。
表1 3臺RTG平均能耗表
1）在設(shè)計(jì)的測試工況下，柴油發(fā)電單箱平均能耗為1.42L，市電單箱平均能耗為1.70 kW·h；
2）柴油發(fā)電單箱平均耗費(fèi)資金9.94元，市電單箱平均耗費(fèi)資金2.04元，市電相對柴油發(fā)電單箱平均節(jié)約79.5%；
3）柴油發(fā)電單箱平均排放CO2為3.74×10-3t，市電單箱平均排放CO2為4.39×10-4t，市電相對柴油發(fā)電單箱平均少排放88.3%。
根據(jù)以上測試結(jié)果，如按照每臺常規(guī)RTG每年操作10萬集裝箱，每箱平均節(jié)省資金約7.9元，每臺RTG每年可節(jié)省79萬元。一般兩年時間即可收回投資收益。
四、 結(jié)論
實(shí)踐已然證明，RTG“油改電”項(xiàng)目宛如一顆璀璨的明珠，在經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的領(lǐng)域大放異彩。如今，它已成為各港口企業(yè)節(jié)能減排工程的先鋒隊(duì)，引領(lǐng)著綠色發(fā)展的潮流。
其廣泛的推廣與應(yīng)用，不僅對建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型港口企業(yè)具有重大意義，更是為打造“綠色港口”、節(jié)約能源、降低碳排放貢獻(xiàn)了不可或缺的力量。
五、 典型案例
我公司在國內(nèi)的深圳鹽田國際、南京龍?zhí)陡?、江蘇連云港、山東青島港、福建廈門港、上海港等眾多知名港口的同類RTG上的應(yīng)用業(yè)績已超 200 臺，為客戶帶來了巨大的投資收益，在行業(yè)中樹立了標(biāo)桿。這證明了我們的專業(yè)能力和領(lǐng)先地位，我們將秉持初心，一如既往地砥礪前行。
