顧明觀 上海振華重工集團股份有限公司

輪胎吊的節(jié)能減排技術(shù)與應(yīng)用

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輪胎式集裝箱龍門起重機（以下簡稱輪胎吊）是集裝箱堆場的主要裝卸設(shè)備之一，它具有可靈活轉(zhuǎn)場作業(yè)、覆蓋面大、碼頭基礎(chǔ)初始投資少等特點，成為眾多集裝箱碼頭選擇的對象。然而傳統(tǒng)的輪胎吊的缺點也很明顯。首先，柴油發(fā)電機組有效利用率很低，燃油消耗大，輪胎吊的使用成本高。隨著近年來國際油價的上漲，使以柴油作為動力能源的輪胎吊使用成本持續(xù)上升。其次，重物下降和機構(gòu)減速過程中產(chǎn)生的能量由機上的制動電阻消耗掉，沒有得到有效利用，能源利用率低。另外，機載柴油發(fā)電機組維護成本高，它所產(chǎn)生的噪聲、廢氣以及機油、柴油、冷卻水的泄漏也會給碼頭周圍的環(huán)境形成較大的污染。

為此，以上海振華重工（ZPMC）為代表的集裝箱起重機設(shè)備制造商聯(lián)合各集裝箱碼頭，經(jīng)過多年來的潛心研究和實踐，陸續(xù)推出了多種輪胎吊節(jié)能技術(shù)方案，目前有代表性的主要有發(fā)動機調(diào)速節(jié)能技術(shù)、混合動力、市電輪胎吊和鋰電池輪胎吊等幾個方向，為打造綠色港口創(chuàng)造了有利條件。

1 發(fā)動機調(diào)速節(jié)能方案

柴油發(fā)電機組的耗油量和其轉(zhuǎn)速基本成正比關(guān)系。傳統(tǒng)的輪胎吊無論是在重載、輕載還是在待機工況下，機載的柴油發(fā)電機組總是在最高轉(zhuǎn)速下運行，由此造成輕載或待機時，柴油機組的燃油經(jīng)濟性處于較低的水平。針對不同的負荷情況，采用不同的柴油機轉(zhuǎn)速控制策略，將有助于降低油耗，提高柴油發(fā)電機組的能源利用效率。

1.1 柴油發(fā)電機組怠速節(jié)能系統(tǒng)

怠速節(jié)能系統(tǒng)就是在輪胎吊待機時，使柴油發(fā)電機運行在怠速狀態(tài)，把柴油機的速度降到一個相當(dāng)?shù)偷乃?，從而降低油耗。處于怠速狀態(tài)的發(fā)電機組輸出的是低壓低頻的電源。為了保證照明、空調(diào)等輔助系統(tǒng)在怠速狀態(tài)下也能正常工作，需要增加變頻裝置、濾波器和 /Y變壓器，把低壓低頻的電源轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的三相交流電源，滿足輔助系統(tǒng)的供電要求。據(jù)測算，采用此系統(tǒng)可以節(jié)能20%左右。

1.2 柴油發(fā)電機組變速節(jié)能系統(tǒng)

發(fā)動機變速節(jié)能系統(tǒng)采用可變速的柴油發(fā)電機組，在能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和智能管理系統(tǒng)的控制下，自動識別實際負載大小，全程調(diào)整并優(yōu)化發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。也就是當(dāng)輪胎吊載荷需求功率較小時，發(fā)動機在較低的速度下運轉(zhuǎn)，使柴油機始終工作在最經(jīng)濟工況，達到降低燃油消耗、噪音和維護成本的目的。變速柴油機節(jié)能方案的節(jié)油效率可達40%以上。

1.3 特點

采用發(fā)動機調(diào)速節(jié)能方案可以在保留輪胎吊的靈活性和不改變輪胎吊原有的操作流程的基礎(chǔ)上，大幅降低燃油消耗。而且它的初始投入成本低，獨立性強，只要柴油機組是可變速的就可實現(xiàn)節(jié)能控制，無需增加碼頭堆場的造價。因此發(fā)動機調(diào)速節(jié)能技術(shù)不僅適用于新購的設(shè)備，同時也可對原有的常規(guī)型輪胎吊進行改造，可廣泛應(yīng)用于集裝箱碼頭，對于生產(chǎn)作業(yè)不頻繁、待機時間長的小型碼頭尤為適用。

然而，發(fā)動機調(diào)速節(jié)能方案還沒有擺脫柴油發(fā)電機組，因此仍然有污染排放，不能真正做到綠色環(huán)保。對于比較繁忙的堆場來說，發(fā)電機組大部分時間工作在高速狀態(tài)，節(jié)能效果并不明顯。

2 混合動力方案

傳統(tǒng)輪胎吊無法反饋或儲存起升機構(gòu)下降過程、小車和大車機構(gòu)制動過程中產(chǎn)生的再生能量。如果對這些再生能量加以利用，不僅可以節(jié)能，也可以有效降低柴油發(fā)電機組的容量，減少廢氣排放，節(jié)能減排效果明顯。

2.1 工作原理

混合動力輪胎吊就是在柴油發(fā)電機組的基礎(chǔ)上，加裝一套智能電氣控制裝置和儲能裝置，將輪胎吊下放貨物時釋放的勢能進行收集，轉(zhuǎn)換為電能存儲起來，然后在需要時重新提供能量給輪胎吊，從而使輪胎吊能有效地重復(fù)利用再生能量，實現(xiàn)環(huán)保要求。

混合動力輪胎吊一般利用超級電容的大電流、快速充放電的特性，將其作為儲能裝置并聯(lián)在直流母排上。當(dāng)檢測到直流母排上的電壓低于柴油發(fā)電機組的電源整流電壓時，柴油發(fā)電機組開始參與供電。當(dāng)工作機構(gòu)處于再生反饋狀態(tài)時，機構(gòu)將能量反饋到直流母排上，使超級電容不斷吸收電能。

經(jīng)過多年的試驗和改進，上海振華重工將發(fā)電機調(diào)速節(jié)能技術(shù)與超級電容有機結(jié)合，進一步提升了輪胎吊的節(jié)能水平，與傳統(tǒng)輪胎吊相比，這種混合動力系統(tǒng)的輪胎吊能實現(xiàn)節(jié)能45%以上。

2.2 特點

和發(fā)動機調(diào)速節(jié)能方案一樣，混合動力節(jié)能方案也保留了輪胎吊的靈活性。加裝超級電容形成混合動力系統(tǒng)后，再生能量得到回收利用，減少了能源浪費，燃油利用率更高。因為在機構(gòu)加速時，柴油發(fā)電機組和超級電容協(xié)同供電，確保了強大的動力輸出，混合動力輪胎吊的柴油發(fā)電機組容量只有傳統(tǒng)輪胎吊的50%左右。而且超級電容中儲存的能量可以彌補起升機構(gòu)吊重載加速上升時的功率需求，發(fā)動機基本可以工作在非過載狀態(tài)，使發(fā)動機組輸出的功率平穩(wěn)過渡，這將有效提高發(fā)動機的使用壽命，也解決了傳統(tǒng)輪胎吊冒黑煙的問題。

混合動力節(jié)能方案的初始投入成本較低，既適用于新購的設(shè)備，也可以對舊機進行逐臺改造，不影響堆場的正常生產(chǎn)。在現(xiàn)階段，電容的質(zhì)量仍然是影響混合動力系統(tǒng)好壞的重要因素之一。

3 市電輪胎吊方案

所謂市電輪胎吊，就是指通過不同的供電方式，用市電直接替代柴油機動力能源，在作業(yè)時采用外接市電供電，需要轉(zhuǎn)場時，才啟動柴油發(fā)電機組。市電輪胎吊對于綜合利用能源，保護環(huán)境有著積極作用，目前已得到了廣泛應(yīng)用。

3.1 供電方式

根據(jù)供電方式可以將市電輪胎吊分為電纜卷盤供電、高架滑觸線供電、低架滑觸線供電等幾種形式。

3.1.1 電纜卷盤供電

在原有傳統(tǒng)輪胎吊設(shè)計基礎(chǔ)上，加裝一套電纜卷盤及其驅(qū)動裝置來提供正常作業(yè)時所需的電能，同時采用一套小功率柴油發(fā)電機組作為轉(zhuǎn)場時的動力來源，當(dāng)輪胎吊進行轉(zhuǎn)場操作時切換至柴油發(fā)電機組模式。本方案需要在場地上配置一定數(shù)量的箱式變壓器、插座箱，電纜端部通過快速插頭與地面插座箱連接獲得市電。

為了保護供電電纜免受碼頭運行車輛或者輪胎吊自身的破壞，根據(jù)碼頭的需要可以設(shè)置電纜溝。同時，輪胎吊應(yīng)有良好的大車行走糾偏能力，保證輪胎吊沿著行走線路準確行駛，進一步保證電纜的安全。電纜在換向時應(yīng)設(shè)有過渡裝置，以保護電纜不受損壞。

雖然此供電方式操作簡單、技術(shù)成熟，但單臺投資成本較大，需要130萬左右，而且整套電纜卷盤系統(tǒng)約重8t，對輪胎的輪壓有一定影響。由于受到供電纜長度的限制，此種供電方式的輪胎吊適合在堆場較小的碼頭上應(yīng)用。

另外，輪胎吊轉(zhuǎn)場操作時電纜插頭需人工插拔操作始終是用戶顧慮的一個問題，由此也影響了電纜卷盤型市電輪胎吊在市場上的推廣。近日，上海振華重工成功研制了電纜插頭的自動插拔裝置，很好地解決了這一難題。

3.1.2 低架滑觸線供電

低架滑觸線供電方式是在兩個相鄰箱區(qū)之間的盲道上架設(shè)剛性滑觸線，滑觸線通過接電箱與市電相接。輪胎吊帶動與其柔性連接的集電器小車，通過集電器從滑觸線獲得市電電網(wǎng)的電能，實現(xiàn)移動供電。

低架滑觸線架設(shè)高度一般為3～4m，受大風(fēng)大雨影響小，具有投資小、維護工作量小等優(yōu)點，得到了一些碼頭的關(guān)注和應(yīng)用。但是為了不阻礙碼頭車輛的通行，一般滑觸線在大車運行方向上的2個箱區(qū)間不連續(xù)，所以輪胎吊在轉(zhuǎn)場時仍需借助機載小柴油發(fā)電機組過渡。隨著自動取電技術(shù)的應(yīng)用，也在一定程度上提高了輪胎吊轉(zhuǎn)場的效率問題。

另外，由于低架滑觸線裝置與輪胎吊之間距離較近，對安全要求較高，為防止操作不慎發(fā)生輪胎吊碰撞低架滑觸線事故，需設(shè)置糾偏及防碰撞安全保護措施。否則一旦滑觸線出現(xiàn)故障，將影響到整個箱區(qū)的操作。一般來說，低架滑觸線供電方式比較適合中等規(guī)模、不需頻繁轉(zhuǎn)場的堆場。

3.1.3 高架滑觸線供電

高架滑觸線供電方式是在堆場箱區(qū)之間的通道上方架設(shè)高架滑觸線，一般在25m以上，并用滑動刷辮將滑觸線上的電力引入輪胎吊。由于高架滑觸線不會對碼頭車輛通行產(chǎn)生阻礙，使輪胎吊可以直線跨箱區(qū)作業(yè)無需轉(zhuǎn)場，大大提高了輪胎吊的生產(chǎn)效率。因此，高架滑觸線供電方式對于形狀規(guī)整和狹長的中大規(guī)模堆場較為適用。

與其它供電方式比較，高架滑觸線對于輪胎吊轉(zhuǎn)場來說是最方便的，但是它的一次性投資較高。另外，高架滑觸線位于較高的空中，維護和轉(zhuǎn)場操作不便，且易遭受雷擊或者遭受大風(fēng)影響導(dǎo)致脫辮，給安全和生產(chǎn)帶來一定影響。因此，在作方案選擇時需結(jié)合碼頭自身的氣候特點加以考慮。

2.1.2 分布。此次調(diào)查發(fā)現(xiàn)的20種病害主要分布在鹽源縣(9種)、昭覺縣(9種)和西昌市(8種)，布拖縣和喜德縣分別有6種和5種病害發(fā)生。光葉紫花苕葉斑病和斑枯病集中在喜德和布拖2縣發(fā)生，白粉病則發(fā)生于鹽源縣；玉米病害除銹病在昭覺縣有發(fā)生，其余病害均發(fā)生在西昌市；黑麥草銹病在喜德縣和西昌市發(fā)生，鐮孢枯萎病、離孺孢葉枯病、離孢灰斑病則廣泛分布于喜德等5縣市。

3.2 特點

與傳統(tǒng)輪胎吊相比，市電輪胎吊節(jié)能達60%左右，還具有以下優(yōu)勢：

（1）運行成本低。根據(jù)初步統(tǒng)計，市電輪胎吊每裝卸一個標準箱只需消耗1.6kWh電能，而常規(guī)輪胎吊所消耗的燃油量大約在1.2L左右。由于電力成本低于燃油，使市電輪胎吊具有明顯的運行成本優(yōu)勢。

（2）維護成本小。市電輪胎吊使用小功率的柴油發(fā)電機組（一般為120kW）代替大功率柴油發(fā)電機組(400kW左右)，使用頻率低，節(jié)省大量的維護成本。

（3）污染排放少。小功率柴油機組只作轉(zhuǎn)場用，在作業(yè)過程中處于關(guān)閉狀態(tài)，基本無尾氣和噪音污染，碼頭周邊的環(huán)境得到極大改善。

（4）再生能量可反饋電網(wǎng)。部分機型還可加裝能量回饋裝置，將重物下降過程中產(chǎn)生的能量反饋電網(wǎng)，可以實現(xiàn)進一步節(jié)能。

市電輪胎吊的主要不足之處在于轉(zhuǎn)場費時，操作不便，影響了輪胎吊的作業(yè)效率。大部分市電輪胎吊仍保留有柴油發(fā)電機組但利用率很低，一定程度增加了設(shè)備的投資和維護成本。

4 鋰電池輪胎吊方案

鋰電池的最大特點是比能量高，相同體積的鋰電池的比能量是鎳鎘電池的3倍以上。同時還具有放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應(yīng)及無公害等特點。

4.1 工作原理

鋰電池供電的輪胎吊在保持原有各項功能的前提下，將供電方式由機載的大功率柴油發(fā)電機組供電改為由大功率鋰電池供電。鋰電池動力系統(tǒng)包括24塊高功率組鋰電池模塊組、45kW小功率柴油發(fā)電機組、職能電池管理系統(tǒng)和輔助逆變供電裝置等，由電池組直接給變頻器上的直流母排提供工作電源，如圖1所示。

圖1

常規(guī)狀態(tài)下，柴油發(fā)電機組不工作，直接由鋰電池組驅(qū)動輪胎吊。當(dāng)電池電量降低至一定范圍，通過智能電池管理系統(tǒng)，實時監(jiān)控每一組電池的狀態(tài)(包括電壓和溫度)，由PLC采集數(shù)據(jù)后控制小柴油機啟停，給電池適當(dāng)電量補償。重物下降環(huán)節(jié)產(chǎn)生的電能都將回饋給鋰電池組。

機載的小功率柴油發(fā)電機組僅僅作為充電用，在需要時給鋰電池充電，它并不直接給運行機構(gòu)的電機供電。因此，也完全可以取消小功率柴油發(fā)電機組，在輪胎吊輪班時采用外部電源充電，這樣能徹底解決柴油發(fā)電機組的污染排放和噪音問題。

4.2 特點

鋰電池動力系統(tǒng)對硬件設(shè)備要求不高，不僅能裝備新購輪胎吊，而且能實現(xiàn)舊機改造，節(jié)省大量成本。舊機改造時基本不占用碼頭生產(chǎn)場地，不會對碼頭生產(chǎn)產(chǎn)生影響。與目前采用較多的市電輪胎吊相比，鋰電池輪胎吊有效減少了對碼頭基建以及碼頭配電系統(tǒng)改造、擴建的依賴，初期投資大大降低。

大功率鋰電池供電的輪胎吊保留了常規(guī)輪胎吊的靈活性和機動性，轉(zhuǎn)場時不需要人工參與，提高了輪胎吊的作業(yè)效率，降低了出現(xiàn)故障的幾率。

鋰電池輪胎吊的節(jié)能效果大于目前市場上的其它節(jié)能型輪胎吊，與常規(guī)輪胎吊相比，其節(jié)油效果可達65%以上，如按照每臺常規(guī)輪胎吊每年操作10萬集裝箱，每箱平均油耗按1.2L計，一年每臺節(jié)能輪胎吊能節(jié)省燃油7.8萬L，節(jié)能效果顯著。

鋰電輪胎吊將消耗的能源從柴油改換為電能，大幅度降低了輪胎吊對燃油消耗和依賴，避免了廢氣污染，減少了二氧化碳排放，保護了環(huán)境，稱得上是真正意義上的綠色節(jié)能輪胎吊，應(yīng)用前景極其廣闊，必然成為未來的發(fā)展方向。

目前鋰電池價格昂貴是制約鋰電池供電輪胎吊推廣的一個瓶頸。隨著鋰電池壽命的進一步延長和成本的下降，其經(jīng)濟效益還將進一步提高。

5 結(jié)束語

綜上所述，輪胎吊的各種節(jié)能技術(shù)方案各有優(yōu)缺點。發(fā)動機調(diào)速和混合動力輪胎吊的靈活性較強，投資成本低，但節(jié)能效率沒有市電輪胎吊和鋰電池輪胎吊那么高，而且發(fā)動機的噪聲和排污不利于環(huán)保的問題依然存在；市電輪胎吊主要著眼于節(jié)能降耗，運營成本低，基本實現(xiàn)零排放，但轉(zhuǎn)場環(huán)節(jié)稍顯不便，而且要增加碼頭的基礎(chǔ)設(shè)施投資；鋰電池供電輪胎吊則結(jié)合了上述各種節(jié)能型輪胎吊的優(yōu)點，既很好地解決了節(jié)能降耗和污染排放問題，也保留了輪胎吊原有的靈活性和機動性，明顯優(yōu)于市場上現(xiàn)有的節(jié)能型輪胎吊。

需要指出是，上述各種節(jié)能技術(shù)方案并不是孤立的，這就需要各集裝箱碼頭和輪胎吊制造商共同探討，根據(jù)自身的特點和使用環(huán)境選擇合適的方案，以達到最佳的節(jié)能減排效果。但要從節(jié)能、環(huán)保、轉(zhuǎn)場便利性等方面綜合考慮，鋰電池輪胎吊無疑是最佳選擇。