淺談ERTG 的節(jié)能配置與設(shè)計(jì)優(yōu)化

泉州太平洋集裝箱碼頭有限公司 謝明聰

1 前言

為了適應(yīng)節(jié)能環(huán)保對(duì)港口發(fā)展日益提高的要求，許多集裝箱碼頭企業(yè)紛紛開(kāi)展RTG“油改電”技術(shù)改造，以減少能源消耗和降低環(huán)境污染,同時(shí)各個(gè)碼頭結(jié)合自己的實(shí)際情況或RTG“油改電”方式直接采購(gòu)市電供電的ERTG，以避免二次改造。

作為起重機(jī)械的RTG，決定了它在工作期間存在著大量的勢(shì)能，勢(shì)能是一種對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染的綠色能源，據(jù)保守估算，質(zhì)量為430 噸的重物每下降1m，即可向電網(wǎng)回饋電能1kW·h。1 臺(tái)RTG（堆五過(guò)六）按1 年10 萬(wàn)個(gè)自然箱的操作量，平均箱重約為25～30 噸，平均每個(gè)箱下降9 米，則可供轉(zhuǎn)化發(fā)電量的勢(shì)能達(dá)5 萬(wàn)kW·h 以上。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前進(jìn)行的RTG“油改電”和新購(gòu)的ERTG 基本上是采取能源替代的技術(shù)方案，即采取市電代替柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組供電，因此，對(duì)于RTG 油改電或新購(gòu)ERTG的配置選擇、設(shè)計(jì)上如何進(jìn)一步應(yīng)用節(jié)能技術(shù)、節(jié)能產(chǎn)品和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得ERTG 在今后的使用中具有較高的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，值得深入探討。下面結(jié)合我司RTG“油改電”和新購(gòu)6 臺(tái)ERTG 實(shí)踐談一些個(gè)人看法。

2 目前所使用RTG或ERTG使用或設(shè)計(jì)中存在的一些不足及優(yōu)化改進(jìn)

2.1 RTG 或ERTG 配置IGBT 整流/回饋單元用于回收工作中存在的機(jī)械能

傳統(tǒng)的RTG 采用柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電，大部分采用公共直流母線下的多逆變器驅(qū)動(dòng)方式,系統(tǒng)采用一個(gè)二極管不可控整流的整流單元，統(tǒng)一為起升機(jī)構(gòu)、小車(chē)機(jī)構(gòu)和大車(chē)機(jī)構(gòu)等多個(gè)逆變器提供直流電源。由于投資成本的原因，大部分完成油改電技術(shù)改造的RTG 還是使用原來(lái)的二極管不可控整流的整流單元，該種整流單元存在以下缺點(diǎn)：

（1）無(wú)法將由勢(shì)能或動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)，電能浪費(fèi)大。當(dāng)各個(gè)機(jī)構(gòu)處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由勢(shì)能或動(dòng)能轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電能只能回饋到直流側(cè)的電容，不能通過(guò)二極管整流電路回饋到發(fā)電機(jī)組，多余的電能只能通過(guò)外接電阻轉(zhuǎn)變成熱能消耗掉，以免電容充電過(guò)多造成電壓過(guò)高而損壞設(shè)備或因?yàn)槟婀Χ鴵p壞柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組。

（2）直流母線電壓波動(dòng)范圍大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，額定電壓為690VDC 的直流母排電壓在起升機(jī)構(gòu)重載下降時(shí)，瞬間可以達(dá)到1000V,將大大降低變頻器直流側(cè)電容的壽命。

（3）對(duì)電網(wǎng)的諧波污染大，造成變壓器、線纜等電力設(shè)備的損耗加大，且干擾一些PLC、電源、CMS 和監(jiān)控裝置等電子設(shè)備的正常工作。

2.1.2 配置IGBT 整流/回饋單元用于回收機(jī)械能，進(jìn)一步提高能源利用效率

使用市電的ERTG 的整流單元可以采用IGBT 整流回饋單元，實(shí)現(xiàn)直流整流和回饋電網(wǎng)功能，完成電流的雙向流動(dòng)，即從電源→直流母排→電動(dòng)機(jī)，或逆向從電動(dòng)機(jī)→直流母排→電源的雙向流動(dòng)，完成動(dòng)能或勢(shì)能與電能的相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)各個(gè)機(jī)構(gòu)處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由勢(shì)能或動(dòng)能轉(zhuǎn)換生成未被利用多余的電能可以通過(guò)整流回饋單元回饋到電網(wǎng)供其他設(shè)備利用，避免通過(guò)外接電阻轉(zhuǎn)變成熱能而浪費(fèi)掉。

整流回饋單元回收的能量主要是起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)下降時(shí)的勢(shì)能，根據(jù)我司配備整流/回饋單元的6 臺(tái)ERTG 作業(yè)能耗的統(tǒng)計(jì)情況，平均每操作一個(gè)自然箱的單箱能耗約為1.95kW·h，回收電能約為0.6 kW·h, 回收總耗能30%以上，設(shè)備利用回收的能耗約為0.13 kW·h，回收利用率達(dá)20%以上。按照每臺(tái)ERTG 一年作業(yè)10 萬(wàn)自然箱,勢(shì)能回收發(fā)電量可達(dá)6 萬(wàn)kW·h 以上,減少排放二氧化碳約60 噸,同時(shí)設(shè)備利用回收的能耗達(dá)1.2 萬(wàn)kW·h,隨著我司完成 “油改電”的RTG投入使用數(shù)量的增加，回收利用率將進(jìn)一步提高。

整流回饋單元還具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：采用IGBT 整流的整流回饋單元的功率因數(shù)達(dá)到0.98 以上；對(duì)電網(wǎng)的電壓和電流的諧波畸變率降低到5%以下；能夠穩(wěn)定公共直流母線電壓，根據(jù)測(cè)量，額定電壓為690V 的直流母排電壓波動(dòng)約為-15V～+20V,而常規(guī)柴油機(jī)動(dòng)力RTG 的直流母排電壓峰值最高可達(dá)到900～1000V。整流回饋單元有利于電控系統(tǒng)安全使用和提高設(shè)備的可靠性。

有道是“學(xué)習(xí)是人類(lèi)進(jìn)步的階梯”，是提高素質(zhì)的基本途徑，是干部成長(zhǎng)規(guī)律的客觀要求。要想有所作為，必須始終保持一種勤奮學(xué)習(xí)的狀態(tài)，把學(xué)習(xí)當(dāng)作一種追求、一種境界、一種生命趣味，樹(shù)立終身學(xué)習(xí)、時(shí)時(shí)學(xué)習(xí)、事事學(xué)習(xí)的觀念。當(dāng)下，不論是經(jīng)濟(jì)發(fā)展全球化，還是信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日新月異，都充分表明生存環(huán)境的變化在不斷加大加快，生存和發(fā)展需要我們不斷加強(qiáng)學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)，正如陳毅元帥在《贛南游擊詞》中說(shuō)的那樣“勤學(xué)習(xí)、落伍實(shí)堪悲”。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少設(shè)備自重

為了適應(yīng)不斷提高的裝卸效率，以滿足大型船舶在港時(shí)間不斷縮短的要求，同時(shí)考慮到我司作為以?xún)?nèi)貿(mào)集裝箱為主要業(yè)務(wù)的集裝箱碼頭，重箱重量平均達(dá)到28～30 噸以上，因此要求ERTG 或RTG 的工作級(jí)別、載荷狀態(tài)、各個(gè)運(yùn)行速度參數(shù)等均有相應(yīng)的提高，由此帶來(lái)的鋼結(jié)構(gòu)部件和各個(gè)運(yùn)行傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸不斷加大，從而導(dǎo)致設(shè)備自身重量不斷增加，所以必須采用優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等新的設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，采用新的結(jié)構(gòu)形式、新的傳動(dòng)方式和新工藝等，兼顧降低設(shè)備的后期運(yùn)營(yíng)成本，在減少自重的同時(shí)提高起重機(jī)的可靠性和使用壽命。

2.2.1 小車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用分別驅(qū)動(dòng)代替集中驅(qū)動(dòng)

在滿足小車(chē)機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行的條件下，ERTG 小車(chē)驅(qū)動(dòng)采用獨(dú)立的三合一獨(dú)立后輪驅(qū)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，即“一臺(tái)電機(jī)+盤(pán)式制動(dòng)器+減速箱+萬(wàn)向傳動(dòng)長(zhǎng)軸同步驅(qū)動(dòng)左右車(chē)輪”的驅(qū)動(dòng)方式。三合一獨(dú)立驅(qū)動(dòng)相對(duì)集中驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)省去中間傳動(dòng)軸，同時(shí)相應(yīng)減少集中驅(qū)動(dòng)相匹配的走道、檢修平臺(tái)和電機(jī)底座，進(jìn)一步減低機(jī)構(gòu)重量，總計(jì)減輕約1.5 噸重量，降低設(shè)備的運(yùn)行能耗。

2.2.2 采用吊具電子減搖系統(tǒng)代替機(jī)械式減搖系統(tǒng)

機(jī)械式防搖系統(tǒng)主要是通過(guò)在小車(chē)架下二層平臺(tái)安裝防搖裝置，包括減搖鋼絲繩、卷筒和力矩限制器傳動(dòng)鏈及帶單向軸承的卷筒和制動(dòng)器，通過(guò)機(jī)械手段消耗擺動(dòng)能量以實(shí)現(xiàn)最終消除吊具搖擺的目的。

電子減搖裝置則是在小車(chē)架下安裝一組激光、紅外發(fā)射器或檢測(cè)探頭等作為發(fā)射裝置，同時(shí)安裝一個(gè)接收裝置，在吊具上架安裝反射器，系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)吊具擺動(dòng)的角度和角速度自動(dòng)控制小車(chē)的運(yùn)行方向和運(yùn)行速度，使得吊具的擺動(dòng)角度控制在一定范圍內(nèi)，從而達(dá)到減搖的目的。

由于機(jī)械式吊具減搖在小車(chē)架下方增加一層減搖平臺(tái)，在保證同樣起升高度的情況下和兼顧機(jī)械減搖系統(tǒng)的維護(hù)方便，必須要增加RTG 的立柱高度，加上減搖系統(tǒng)本身的重量，整機(jī)的重量將增加約6 噸。相對(duì)于機(jī)械減搖系統(tǒng)而言，電子減搖裝置的重量可以忽略不計(jì)。

除了以上兩個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)還對(duì)梯子、平臺(tái)和欄桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，取消不必要的平臺(tái)和走道，在滿足安全兼顧方便維護(hù)的前提下進(jìn)一步合理減重，整臺(tái)ERTG 的整機(jī)重量比原設(shè)計(jì)減少15 噸以上，降低了相關(guān)軸承、輪胎等零部件的使用載荷，提高零部件使用壽命，減低設(shè)備運(yùn)行的能耗。

2.3 合理設(shè)計(jì)起升機(jī)構(gòu), 優(yōu)化鋼絲繩纏繞方式，提高起升鋼絲繩的使用壽命

我司6 臺(tái)ERTG 起升機(jī)構(gòu)原設(shè)計(jì)方案為單起升卷筒，卷筒軸線平行大梁長(zhǎng)度方向，起升鋼絲繩纏繞方式如圖1 所示，該方案存在的主要缺點(diǎn)是：有兩根起升鋼絲繩運(yùn)動(dòng)部分需要多經(jīng)過(guò)兩個(gè)中間換向滑輪，使得鋼絲繩出現(xiàn)反向彎曲和側(cè)向90°彎曲，大大減少起升鋼絲繩的壽命。

經(jīng)研究并結(jié)合公司RTG 多年的實(shí)際使用情況，新購(gòu)的6臺(tái)ERTG 的起升機(jī)構(gòu)采用雙卷筒方式，卷筒軸線垂直大梁長(zhǎng)度方向，卷筒軸線處于小車(chē)中心位置，起升鋼絲繩的纏繞方式如圖2 所示，起升鋼絲繩無(wú)需多經(jīng)過(guò)中間換向滑輪，減少了鋼絲繩的反向彎曲和側(cè)向彎曲，大大提高鋼絲繩的使用壽命。據(jù)兄弟碼頭公司和我司統(tǒng)計(jì)情況表明，每臺(tái)RTG 每月的操作量大約為8000～10000 個(gè)自然箱，對(duì)比國(guó)內(nèi)某知名品牌的同規(guī)格型號(hào)同直徑鋼絲繩，圖1 纏繞方式的起升鋼絲繩使用壽命只有5 個(gè)月左右，圖2 纏繞方式的起升鋼絲繩使用壽命達(dá)到10 個(gè)月。另外，在設(shè)計(jì)上使得起升鋼絲繩與垂直方向具有一定的夾角，起升鋼絲繩對(duì)吊具產(chǎn)生一定的水平分力，對(duì)吊具起到一定的減搖效果。

圖1 起升纏繞示意（Ⅰ）

圖2 起升纏繞示意（Ⅱ）

3 適當(dāng)配置輔助半自動(dòng)化和安全設(shè)施，降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和作業(yè)效率

為滿足高效快速的裝卸要求，現(xiàn)有的RTG 和ERTG 大車(chē)運(yùn)行速度均達(dá)到90～130m/min, 與RMG等軌道設(shè)備相比，ERTG 和RTG 無(wú)固定大車(chē)運(yùn)行軌道，輪胎在水泥跑道上的活動(dòng)范圍較大，同時(shí)由于各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪輪壓大小、磨損程度不一，導(dǎo)致各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的線速度不同，大車(chē)運(yùn)行時(shí)極易跑偏。因此，在大車(chē)行駛時(shí)司機(jī)必須對(duì)照跑道基準(zhǔn)線不斷進(jìn)行手動(dòng)糾偏，結(jié)果司機(jī)極易產(chǎn)生疲勞并且容易引起誤操作，從而導(dǎo)致事故發(fā)生率的成倍增加。

我司集裝箱堆場(chǎng)相鄰箱區(qū)跑道中心距僅有4000mm, ERTG 電纜卷盤(pán)系統(tǒng)最外側(cè)部件到輪胎中心線距離達(dá)1650mm, 隨著大車(chē)輪胎朝著大型化方向發(fā)展，大車(chē)機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)與堆場(chǎng)箱位間距越顯緊湊。在“背靠背”的堆場(chǎng)堆垛作業(yè)模式下，在正常運(yùn)行時(shí)相鄰兩臺(tái)ERTG 會(huì)車(chē)時(shí)的凈間距只有700mm,一旦ERTG 跑偏較大時(shí)，將會(huì)引起兩車(chē)碰撞、撞箱或者大車(chē)車(chē)輪碾壓電纜等事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

基于以上原因分析，必須實(shí)現(xiàn)ERTG 大車(chē)行走的自動(dòng)糾偏，以確保設(shè)備的運(yùn)行安全和提高作業(yè)效率?，F(xiàn)有的RTG 自動(dòng)糾偏技術(shù)方案主要有以下幾種：

3.1 GPS 差分放大糾偏法

該方案由一個(gè)安裝港區(qū)堆場(chǎng)內(nèi)固定位置的GPS 差分基準(zhǔn)站和若干個(gè)安裝在ERTG 上的GPS 差分移動(dòng)站組成。該技術(shù)方案的主要缺點(diǎn)就是投資大、技術(shù)要求高。

GPS 差分基準(zhǔn)站主要由GPS 接收器、基站監(jiān)控器、電臺(tái)、UPS 以及電臺(tái)天線和GPS 天線組成，GPS 差分基準(zhǔn)站負(fù)責(zé)生成并播發(fā)差分改正數(shù)，它提供的差分改正數(shù)是堆場(chǎng)內(nèi)所有RTG 定位精度能夠達(dá)到厘米級(jí)的基礎(chǔ)，從而在堆場(chǎng)內(nèi)建立起一套R(shí)TG 運(yùn)行的“虛擬軌道”?；鶞?zhǔn)站差分信號(hào)要能覆蓋整個(gè)堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)。

GPS 差分移動(dòng)站主要由GPS 接收器、GPS 控制器、電臺(tái)、UPS 以及電臺(tái)天線和GPS 天線組成。GPS 控制器負(fù)責(zé)接收GPS 設(shè)備輸出的定位數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行解析、同步，計(jì)算RTG的偏離基準(zhǔn)線的±Δ 數(shù)值，并與PLC 系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)RTG行走的自動(dòng)糾偏功能，從而降低了司機(jī)的工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)RTG 大車(chē)直線行走的精確定位，其定位精度可達(dá)±15mm。

3.2 地面劃線和圖像識(shí)別糾偏方案

在RTG 的運(yùn)行跑道上劃定基準(zhǔn)線，用攝像設(shè)備攝入圖像，將識(shí)別后的圖像作為糾偏依據(jù)進(jìn)行糾偏，該方案的主要缺點(diǎn)是在雨雪天氣無(wú)法正常工作。

3.3 地面埋設(shè)檢測(cè)元件糾偏方案

在RTG 的運(yùn)行跑道附近地面埋設(shè)金屬等檢測(cè)元件，通過(guò)感應(yīng)檢測(cè)體時(shí)產(chǎn)生的磁通量變化等方式來(lái)進(jìn)行糾偏，該方案的主要缺點(diǎn)就是受地面物體干擾大。

3.4 紅外線或光電測(cè)距糾偏方案

該方案對(duì)反射體要求較高，并且需要很強(qiáng)反射光才能工作，容易受外界光源干擾，難以正確反映設(shè)備的實(shí)際位置。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有各種大車(chē)糾偏技術(shù)方案優(yōu)缺點(diǎn)的分析，結(jié)合我司ERTG 采用電纜卷盤(pán)上機(jī)供電方案的實(shí)際情況，采用GPS 差分放大糾偏技術(shù)方案，采用該方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①自動(dòng)糾偏功能可以全堆場(chǎng)覆蓋，不受天氣影響，能連續(xù)實(shí)時(shí)地全天候工作。

②定位精度高，采用差分技術(shù)定位可以達(dá)到厘米級(jí)，定位精度小于1.5cm。

③糾偏精度高：正常行駛糾偏偏差小于±50mm,啟動(dòng)停止時(shí)小于±100mm。

④結(jié)合PLC 設(shè)置，當(dāng)偏差大于100mm 時(shí)，自動(dòng)減半大車(chē)速度，偏差大于200mm 時(shí)大車(chē)機(jī)構(gòu)自動(dòng)停車(chē)，有效保護(hù)大車(chē)的行駛安全，防止由于糾偏誤差過(guò)大導(dǎo)致RTG 與集裝箱或相鄰RTG 相撞，同時(shí)保留操作司機(jī)進(jìn)行人工干預(yù)采用手動(dòng)糾偏功能。

⑤該方案還可以進(jìn)行進(jìn)一步功能擴(kuò)展：利用GPS 提供的定位和遙控輸送信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)精確的箱位管理，提高堆場(chǎng)內(nèi)擺放箱位信息的正確性；對(duì)RTG 進(jìn)行輔助定位和RTG防撞；配備了GPS 以后,將有利于實(shí)現(xiàn)起升、小車(chē)和大車(chē)的半自動(dòng)操作功能,為更高自動(dòng)化創(chuàng)造條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

可以預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)十年或不久的將來(lái)，我國(guó)的港口裝卸設(shè)備將要面臨一場(chǎng)自動(dòng)化乃至智能化的升級(jí)改造或更新?lián)Q代的革命，對(duì)設(shè)計(jì)使用壽命均在20 年以上的大型港機(jī)設(shè)備而言，在設(shè)備定制、設(shè)計(jì)制造、原有設(shè)備改造等的實(shí)踐過(guò)程中，不應(yīng)片面追求設(shè)備投資的低成本，應(yīng)當(dāng)充分考慮投產(chǎn)后的使用成本和設(shè)備的使用能效，以安全、實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)的原則，合理選擇配置具有高效節(jié)能的機(jī)構(gòu)或部件，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)合理減重，使得設(shè)備從設(shè)計(jì)制造和后續(xù)技術(shù)改造上滿足安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、技術(shù)先進(jìn)又節(jié)能高效的要求。

[1] 洪輝,蔣旻. GPS 技術(shù)在輪胎式龍門(mén)吊自動(dòng)糾偏中的應(yīng)用[J]. 集裝箱化, 2013(2): 22-26.

[2] 李光平, 周鐵梁.起重機(jī)械節(jié)能應(yīng)用技術(shù)的探討[J]. 水利電力機(jī)械, 2007 (10): 50-52.