孫振寧 邱俊霖 梁 浩

中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司

1 引言

門(mén)座起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱門(mén)機(jī))作為一種常見(jiàn)的重型裝卸設(shè)備，在港口、內(nèi)河碼頭以及修造船廠等重要場(chǎng)所應(yīng)用普遍。其重量大，能耗比較高。目前門(mén)機(jī)的節(jié)能改造，多針對(duì)其起升機(jī)構(gòu)，采用超級(jí)電容或蓄電池等儲(chǔ)能元件將貨物下降過(guò)程中產(chǎn)生的勢(shì)能回收儲(chǔ)存，并用于貨物的再提升，從而達(dá)到節(jié)能降耗的效果[1-2]。為測(cè)試該種節(jié)能裝置的實(shí)際使用效果，選取國(guó)內(nèi)某礦石碼頭一臺(tái)MQ4040抓斗門(mén)機(jī)為測(cè)試對(duì)象，依據(jù)我國(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《港口電動(dòng)式起重機(jī)能源利用效率檢測(cè)方法》(JT/T314-2009)，制定出適用于節(jié)能型門(mén)機(jī)的能效檢測(cè)方案，并對(duì)其能效進(jìn)行對(duì)比分析。

2 能效概述及能耗分析

2.1 能效概述

能效即能源利用效率，表示在能源利用過(guò)程中，發(fā)揮有效作用的能量與實(shí)際工作過(guò)程消耗的能量之比[3]。發(fā)揮有效作用的這部分能量稱為有效能，實(shí)際消耗的能量稱為供給能。能效值計(jì)算見(jiàn)式(1)。

η=E有效/E供給×100%

(1)

對(duì)門(mén)機(jī)而言，起升機(jī)構(gòu)的有效能是指起重機(jī)按工藝要求完成物體位移時(shí)理論上消耗的能量[4]。有效能可以通過(guò)理論計(jì)算而得出，而供給能則需要通過(guò)檢測(cè)獲得。

2.2 起升機(jī)構(gòu)能耗分析

起升機(jī)構(gòu)一個(gè)完整作業(yè)循環(huán)，可劃分為起升階段和下降階段。

起升階段，電機(jī)需外電網(wǎng)供給電能，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，帶動(dòng)貨物上升。該過(guò)程能量依次經(jīng)過(guò)動(dòng)能、機(jī)械能，最后轉(zhuǎn)化為貨物的勢(shì)能，該部分能量視為起升機(jī)構(gòu)的有效能。起升過(guò)程能量流向見(jiàn)圖1。

圖1 起升過(guò)程能量流向

下降階段跟起升階段能量流向相反，該過(guò)程不需要從外電網(wǎng)汲取電能，勢(shì)能作為帶動(dòng)貨物下降的驅(qū)動(dòng)能，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)，帶動(dòng)起升電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生回饋電能。對(duì)于普通門(mén)機(jī)而言，這部分回饋電能一部分通過(guò)制動(dòng)電阻以熱能的形式消耗，另一部分則通過(guò)制動(dòng)器以摩擦損耗的形式消耗；而對(duì)于安裝有節(jié)能裝置的節(jié)能型門(mén)座起重機(jī)而言，則可將這部分能量回收，用于再提升操作。下降過(guò)程能量流向見(jiàn)圖2。

圖2 下降過(guò)程能量流向

起升機(jī)構(gòu)完成1個(gè)測(cè)試循環(huán)，一般需要檢測(cè)重載工況、空載工況和單獨(dú)開(kāi)閉斗3種工況，除開(kāi)閉斗工況外，重載和空載工況均包括起升和下降兩個(gè)階段。3種不同工況的有效能為重載或空載起升階段和抓斗閉合階段所產(chǎn)生的勢(shì)能。

重載提升階段，負(fù)載(包括抓斗和貨物)起升至規(guī)定測(cè)試起升高度，該過(guò)程增加的勢(shì)能為：

E1=9 800(m+m1)h

(2)

式中，m為貨物質(zhì)量，t；m1為抓斗質(zhì)量，t；h為測(cè)試起升高度，m。

空載提升階段，負(fù)載(僅包括抓斗)起升至規(guī)定測(cè)試高度，該過(guò)程增加的勢(shì)能為：

E2=9 800m1h

(3)

抓斗閉合階段，抓斗與貨物重心高度會(huì)有一定提升，所產(chǎn)生的勢(shì)能為：

E3=9 800(m+m1)(h1-h2)

(4)

式中，h1為抓斗打開(kāi)狀態(tài)時(shí)斗尖距上承梁的垂直間距，m；h2為抓斗閉合后斗尖距上承梁的垂直間距，m。

起升機(jī)構(gòu)在1個(gè)測(cè)試循環(huán)中，總有效能可按式(5)計(jì)算。

Eqs=E1+E2+E3=9 800(m+m1)(h+h1-h2)+9 800m1h

(5)

3 能效檢測(cè)方案

3.1 測(cè)試要求及樣機(jī)概況

依據(jù)我國(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T314-2009《港口電動(dòng)式起重機(jī)能源利用效率檢測(cè)方法》，檢測(cè)時(shí)風(fēng)速應(yīng)小于3 m/s，整機(jī)傾斜度不大于2.5%，測(cè)試載荷質(zhì)量與規(guī)定值偏差不大于±5%；同時(shí)測(cè)試期間，機(jī)上輔助設(shè)備(空調(diào)、電梯等)應(yīng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，各種測(cè)量?jī)x器在合格期內(nèi)且能正常使用。

本次檢測(cè)，測(cè)試樣機(jī)為國(guó)內(nèi)某礦石碼頭1臺(tái)節(jié)能型門(mén)機(jī)，額定起重量40 t，幅度40 m，節(jié)能裝置為超級(jí)電容型，起升機(jī)構(gòu)詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 MQ4040起升機(jī)構(gòu)參數(shù)表

3.2 檢測(cè)儀器

考慮到門(mén)機(jī)采用三相交流電路，為方便、準(zhǔn)確地采集能耗數(shù)據(jù)，選用Fluke手持式三相功率計(jì)搭配鉗形電流表來(lái)獲取功率、電壓電流和諧波等數(shù)據(jù)；同時(shí)用秒表、卷尺記錄工作時(shí)間和測(cè)試起升高度等數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀器詳情見(jiàn)表2。

表2 測(cè)量?jī)x器匯總表

3.3 檢測(cè)項(xiàng)目

在滿足上述基本檢測(cè)條件后，針對(duì)起升機(jī)構(gòu)依次開(kāi)展速度檢測(cè)和供給能檢測(cè)。速度檢測(cè)的目的是檢測(cè)節(jié)能裝置對(duì)起升機(jī)構(gòu)工作性能的影響，通過(guò)節(jié)能型門(mén)機(jī)與普通門(mén)機(jī)的起升速度對(duì)比，檢驗(yàn)節(jié)能裝置的使用是否會(huì)對(duì)起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度造成衰減[5-6]。供給能檢測(cè)，一方面為計(jì)算能效值提供數(shù)據(jù)支持，另一方面也可直觀的體現(xiàn)節(jié)能型門(mén)機(jī)的節(jié)能效果，使用功率分析儀采集起升機(jī)構(gòu)在1個(gè)測(cè)試周期內(nèi)的供給能數(shù)據(jù)，并與同型號(hào)普通門(mén)機(jī)供給能數(shù)據(jù)做對(duì)比，理論上節(jié)能型門(mén)機(jī)起升機(jī)構(gòu)完成1個(gè)測(cè)試循環(huán)所需供給能應(yīng)小于普通門(mén)機(jī)。

3.4 檢測(cè)步驟

3.4.1 速度檢測(cè)步驟

在進(jìn)行速度檢測(cè)時(shí)，節(jié)能型門(mén)機(jī)與普通門(mén)機(jī)需保持相同的起重量和起升高度，司機(jī)室駕駛員需將操作手柄置于相同或最大檔位，分別記錄起升機(jī)構(gòu)的提升和下降的運(yùn)行時(shí)間，循環(huán)測(cè)5次。

3.4.2 供給能檢測(cè)步驟

供給能檢測(cè)，需采集門(mén)機(jī)起升機(jī)構(gòu)在完成1個(gè)完整工作循環(huán)內(nèi)的供給能數(shù)據(jù)。該循環(huán)包括重載工況(起升+下降)、空載工況(起升+下降)和開(kāi)閉斗工況，詳細(xì)測(cè)試步驟如下：

(1)重載狀態(tài)，抓斗抓取貨物從測(cè)試起點(diǎn)位置提升至規(guī)定測(cè)試高度(此處測(cè)試高度取12 m)。

(2)重載狀態(tài)，抓斗從規(guī)定測(cè)試高度下降至測(cè)試起點(diǎn)位置。

以上步驟為重載工況，循環(huán)測(cè)試5次。

(3)空載狀態(tài)，抓斗從測(cè)試起點(diǎn)位置提升至規(guī)定測(cè)試高度(此處測(cè)試高度取12 m)。

(4)空載狀態(tài)，抓斗從規(guī)定測(cè)試高度下降至測(cè)試起點(diǎn)位置。

以上步驟為空載工況，循環(huán)測(cè)試5次。

(5)開(kāi)閉斗工況，抓斗在料堆上連續(xù)開(kāi)閉作業(yè)5次，實(shí)現(xiàn)抓取物料和灑料操作。

3.5 檢測(cè)數(shù)據(jù)收集

依據(jù)上述檢測(cè)方案，針對(duì)節(jié)能型門(mén)機(jī)和普通門(mén)機(jī)，分別檢測(cè)起升機(jī)構(gòu)的速度、能耗數(shù)據(jù)，記錄見(jiàn)表3、4。

表3 速度檢測(cè)工況及數(shù)據(jù)

4 能效計(jì)算與數(shù)據(jù)分析

4.1 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

由表3的測(cè)試數(shù)據(jù)可知：在相同測(cè)試起重量和測(cè)試高度的前提下，節(jié)能型門(mén)機(jī)平均起升速度為55.81 m/min，平均下降速度為56.25 m/min；普通門(mén)機(jī)平均起升速度為55.47 m/min，平均下降速度為56.91 m/min。對(duì)比可知，兩種類型門(mén)機(jī)的起升和下降速度差別不大，說(shuō)明節(jié)能裝置并未對(duì)起升機(jī)構(gòu)的工作性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

根據(jù)表4中供給能對(duì)比數(shù)據(jù)可知，相對(duì)于普通門(mén)機(jī)，節(jié)能型門(mén)機(jī)起升機(jī)構(gòu)完成1個(gè)工作循環(huán)，可節(jié)省約45%的電能，說(shuō)明節(jié)能裝置的節(jié)能效果明顯。

表4 供給能檢測(cè)數(shù)據(jù)

4.2 能效計(jì)算

根據(jù)起升機(jī)構(gòu)有效能計(jì)算公式，可得在測(cè)試起重量為36 t，抓斗質(zhì)量15 t，測(cè)試起升高度為12 m工況下的有效能為Eqs=6.761 6×103kJ。根據(jù)表4中的供給能數(shù)據(jù)，可計(jì)算得普通門(mén)機(jī)完成1個(gè)工作循環(huán)的供給能Eg1=(2.888+2.894)÷2×3 600×103=10.407 6×103kJ，節(jié)能型門(mén)機(jī)完成1個(gè)工作循環(huán)的供給能Eg2=(1.63+1.583)÷2×3 600×103=5.783 4×103kJ。由此可得普通門(mén)機(jī)的能效值η普通=Eqs/Eg1=64.9%，節(jié)能型門(mén)機(jī)的能效值η節(jié)能=Eqs/Eg2=116.9%，節(jié)能型門(mén)機(jī)的能量利用效率明顯高于普通門(mén)機(jī)。

5 結(jié)語(yǔ)

節(jié)能型門(mén)座起重機(jī)的節(jié)能降耗效果顯著，其起升機(jī)構(gòu)可節(jié)省約45%的電能，能效值提高了近50%，同時(shí)起升機(jī)構(gòu)各項(xiàng)性能均維持正常。該能耗檢測(cè)方案適用于節(jié)能型門(mén)座起重機(jī)，能有效檢測(cè)其節(jié)能效果，對(duì)該類型門(mén)機(jī)的檢測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。