輪胎式集裝箱起重機(jī)“油改電”方案之
電纜卷盤供電+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(gè)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(dòng)，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(dòng)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(shí)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(huì)排放大量黑煙，產(chǎn)生巨大的噪音，同時(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)市電驅(qū)動(dòng)，同時(shí)搭配鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和能量回饋系統(tǒng)，電池吸收了起升下降時(shí)的一部分勢能，為RTG轉(zhuǎn)場行走提供所需動(dòng)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
電纜卷盤供電系統(tǒng)主要由地面供電箱、電纜插頭/插座、供電電纜、地面翻轉(zhuǎn)裝置、導(dǎo)纜架、電纜卷筒、主變壓器、控制系統(tǒng)等各主要部件組成。RTG的供電從地面接線箱的快速插座引出，另一端通過電纜導(dǎo)向裝置繞到卷盤上，電纜卷筒將低壓電引至機(jī)上，然后通過滑環(huán)裝置供電，通過降壓變壓器與原驅(qū)動(dòng)電源連接，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)各驅(qū)動(dòng)單元。
電纜卷筒一般需安裝在RTG電氣房對面鞍梁上部新增的承重平臺(tái)上，電纜由中間位置接入，中心安裝高度約8m位置。改造后的RTG見下圖1：
圖1 RTG“油改電”布局圖
1）地面供電箱
每個(gè)集裝箱堆場至少配備一只地面供電箱，每只電箱一般至少配兩套插座，可滿足供兩臺(tái)RTG同時(shí)使用。地面供電箱主要參數(shù)：
額定電壓：AC1000V 50HZ 3P+PE；
額定電流：800A；
環(huán)境條件：空氣溫度-25℃～45℃, 相對濕度:最大100%（海洋氣候）；
防護(hù)等級：IP65；
接電箱安裝方式：地上式。
地面接線箱內(nèi)設(shè)置有安全開關(guān)，保證所有電纜插頭的插拔操作均在無電的情況下安全完成。
2）電纜插頭/插座
配備與場地接電箱的電纜插座相配套的大車電纜插頭。
3）供電電纜
大車卷盤電纜一般需采用進(jìn)口品牌，如NEXANS、Prysmian、Igus原廠生產(chǎn)專用產(chǎn)品。
4）地面翻轉(zhuǎn)裝置
將電纜在地面和固定體上固定。電纜夾一端為鉸鏈，一端通過蝶形螺母緊固，可方面電纜拆卸。
5）導(dǎo)纜架
RTG的大車運(yùn)行速度較高，一般在100m/min以上，需要采用帶有緩沖結(jié)構(gòu)的導(dǎo)纜架，我公司自主研發(fā)的BDL-2型就是專為此要求設(shè)計(jì)。主要功能如下：
? 具有緩沖功能，能有效吸收大車啟動(dòng)時(shí)的沖擊，保證電纜運(yùn)行安全；
? 具有電纜預(yù)松、過緊保護(hù)功能，避免了電纜過緊和過松現(xiàn)象；
? 允許電纜彎曲弧度大，支承滾輪數(shù)量多（單側(cè)至少7個(gè)），能有效提高電纜使用壽命；
? 采用免維護(hù)軸承的支承滾輪，支承滾輪兩端軸承采用迷宮式組合密封結(jié)構(gòu)，密封效果好，支承滾輪壽命長；
? 主要由上下側(cè)板、尼龍支承滾輪、擺桿裝置、安裝橫梁、彈簧緩沖器、液壓阻尼器、感應(yīng)控制裝置等部件組成，其結(jié)構(gòu)見下圖2:
圖2 緩沖式導(dǎo)纜架結(jié)構(gòu)圖
6）電纜卷筒
RTG大車電纜卷筒裝置由電纜卷盤、減速機(jī)構(gòu)、滑環(huán)箱、電磁制動(dòng)變頻電機(jī)、導(dǎo)纜架、凸輪限位、絕對值編碼器、卷盤控制系統(tǒng)組成。電纜有效長度為以場地接線箱位置為起點(diǎn)大車單向有效行程一般不小于 250 米。
7）主變壓器
變壓器是負(fù)責(zé)將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；
8）控制系統(tǒng)
電纜卷盤的控制方式采用速度+力矩相結(jié)合的控制方式，在空盤和滿盤范圍內(nèi)的扭矩為線性變化。卷盤控制系統(tǒng)的PLC通過采集RTG大車的實(shí)時(shí)速度，并根據(jù)絕對值編碼器相對應(yīng)的卷盤實(shí)時(shí)圈數(shù)，精準(zhǔn)對馬達(dá)進(jìn)行速度控制，同時(shí)控制變頻器的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩，確保所受拉力始終處于卷拉懸掛地面以上電纜重量在合理范圍內(nèi)，最大程度的保證電纜不受損傷。不管大車以任意速度運(yùn)行，電纜卷入或卷出的線速度能和大車的運(yùn)行保持同步，即使在大車運(yùn)行變速/糾偏工況下電纜進(jìn)入/放出導(dǎo)纜器都會(huì)保持平順，不能觸發(fā)導(dǎo)纜器上的過張力保護(hù)裝置，更不能出現(xiàn)電纜突然緊繃/松弛的現(xiàn)象。
2、 鋰電池儲(chǔ)能轉(zhuǎn)場系統(tǒng)的改造
RTG在脫離電網(wǎng)轉(zhuǎn)場時(shí)，動(dòng)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(tái)鋰電池儲(chǔ)能動(dòng)力房，動(dòng)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(dòng)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、電纜卷筒電控系統(tǒng)、有源整流回饋裝置等等。
具體實(shí)施方案見“混合動(dòng)力”下的“集裝箱堆場起重機(jī)轉(zhuǎn)場應(yīng)用“。
3、 能量回饋系統(tǒng)的改造
RTG在制動(dòng)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(dòng)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(dòng)力房配置一套有源整流回饋裝置（簡稱AFE），將電機(jī)在制動(dòng)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(shí)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(gè)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(shí) 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(gè)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(shí)。每次測試中，每臺(tái) 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(shí)，該作業(yè)效率與實(shí)際作業(yè)相當(dāng)接近。與此同時(shí)，分別選取了三臺(tái)同類型的RTG，并最終取其平均值。下表1為3臺(tái)RTG的平均能耗折算表。
表1 3臺(tái)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(tái)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(tái)RTG每年可節(jié)省79萬元。一般兩年時(shí)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(huì)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)的佛山南海國際、福州江陰港、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 50 臺(tái)，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。
