“油改電”輪胎吊電池儲能過轉(zhuǎn)道改造方案

洪輝

寧波港股份有限公司北侖第二集裝箱碼頭分公司（以下簡稱北二集司）于2009年1月全面完成輪胎吊“油改電”工作?！坝透碾姟陛喬サ跬度脒\(yùn)行后，為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益；但受低架滑觸線結(jié)構(gòu)的限制，“油改電”輪胎吊在過轉(zhuǎn)道時存在油電切換導(dǎo)致的效率較低和能耗較高的問題。為此，北二集司對“油改電”輪胎吊實(shí)施電池儲能過轉(zhuǎn)道改造方案，取得高效、節(jié)能、環(huán)保的良好效果。

1 “油改電”輪胎吊過轉(zhuǎn)道存在的主要問題

如圖1所示：過道指輪胎吊從一個堆場通過無電區(qū)不轉(zhuǎn)向進(jìn)入另一個堆場；轉(zhuǎn)道指輪胎吊從一個堆場通過無電區(qū)轉(zhuǎn)向后進(jìn)入另一個堆場?！坝透碾姟陛喬サ踉诙褕鰞?nèi)依靠電力運(yùn)行；當(dāng)過轉(zhuǎn)道時，輪胎吊從市電區(qū)進(jìn)入無電區(qū)，需要從用電狀態(tài)切換為用油狀態(tài)，依靠柴油發(fā)動機(jī)的動力完成過轉(zhuǎn)道，進(jìn)入堆場后再從用油狀態(tài)切換為用電狀態(tài)。這一過程存在以下問題：（1）耗油量較大，完成1次鄰近堆場的過道耗油約4.5 L；（2）過轉(zhuǎn)道時發(fā)動機(jī)頻繁啟停，容易造成積碳、啟動電壓不足等問題，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)故障大幅增加；（3）由于需要等待發(fā)動機(jī)啟停和可編程邏輯控制器系統(tǒng)重啟，輪胎吊過道耗時通常超過，轉(zhuǎn)道耗時則更長，導(dǎo)致作業(yè)效率下降；（4）由于柴油燃燒不充分，導(dǎo)致輪胎吊在過轉(zhuǎn)道時排放大量廢氣和黑煙，而且噪聲較大，不符合節(jié)能環(huán)保要求。

2 “油改電”輪胎吊電池儲能過轉(zhuǎn)道改造方案設(shè)計(jì)

2.1 電池類型

“油改電”輪胎吊電池儲能過轉(zhuǎn)道改造方案采用電池儲能方式為輪胎吊過轉(zhuǎn)道提供能量。在選擇電池類型時，需要綜合考慮電池的儲能容量、使用壽命、回收性能、環(huán)保性能、安全性能和價格等因素。北二集司的“油改電”輪胎吊已實(shí)現(xiàn)全控整流方式的能量回饋，能夠?qū)⑵鹕龣C(jī)構(gòu)下降的勢能轉(zhuǎn)化為電能反饋至電網(wǎng)；因此，在電池的儲能容量方面，主要考慮滿足大車行走機(jī)構(gòu)的需求。經(jīng)比較，最終選擇鉛炭電池作為儲能介質(zhì)（見表1）。

表1 常見電池類型性能比較

2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）電池系統(tǒng)在滿充的情況下能夠?yàn)檩喬サ跆峁┲辽倩蜻B續(xù)轉(zhuǎn)場（其中包含6次過轉(zhuǎn)道）的動力能量。

（2）電池系統(tǒng)向輪胎吊的主回路提供電壓為的直流電源，并通過逆變裝置向輔助回路提供輪胎吊轉(zhuǎn)場所需的頻率為，電壓為的三相交流正弦波電源。

2.3 參數(shù)計(jì)算

按照設(shè)計(jì)目標(biāo)，電池系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足輪胎吊大車行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行的峰值功率需求和穩(wěn)態(tài)功率需求，即

式中：Q為電池儲能容量；P為輪胎吊大車行走機(jī)構(gòu)功率； 為效率；Q'為輪胎吊完成1次轉(zhuǎn)向的能耗；t為轉(zhuǎn)場時間；s為相鄰堆場的轉(zhuǎn)場距離；v為輪胎吊轉(zhuǎn)場平均速度；n為轉(zhuǎn)場區(qū)間；I為電池放電電流；U為大車行走機(jī)構(gòu)電壓。

輪胎吊大車行走機(jī)構(gòu)功率為，大車行走機(jī)構(gòu)電壓為，開啟自動糾偏時的效率為0.9，轉(zhuǎn)場平均速度為/s，轉(zhuǎn)場最遠(yuǎn)距離為，包含6次轉(zhuǎn)向（耗時，耗能 h）。經(jīng)計(jì)算，電池儲能容量應(yīng)當(dāng)大于 h，平均放電容量為 h。

2.4 電池系統(tǒng)框架

如圖2所示：（1）鉛炭電池組（共96節(jié)電池，每節(jié)電池電壓6 V，放電容量 h）作為儲能裝置為輪胎吊提供過轉(zhuǎn)道所需的能量；（2）充電裝置由高頻開關(guān)電源和脈沖維護(hù)模塊組成，用于電池組充電和維護(hù)；（3）電池巡檢模塊負(fù)責(zé)實(shí)時監(jiān)測電池組中每節(jié)電池的電壓，為電池組的運(yùn)行狀況提供診斷依據(jù)；（4）應(yīng)急電源裝置用于市電電源與逆變器電源之間的無縫切換；（5）監(jiān)控裝置負(fù)責(zé)監(jiān)控各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并存儲歷史數(shù)據(jù)，監(jiān)控內(nèi)容包括交流輸入電參數(shù)、直流輸出電參數(shù)、電池組充電狀態(tài)和電池組維護(hù)狀態(tài)等；（6）遠(yuǎn)程監(jiān)控單元基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 “油改電”輪胎吊電池儲能過轉(zhuǎn)道改造方案實(shí)施

3.1 實(shí)施過程

（1）將電池、應(yīng)急電源裝置、充電裝置、電源巡檢模塊等集成在電池房中。

（2）拆除輪胎吊海側(cè)發(fā)動機(jī)房，將電池房放置在原發(fā)動機(jī)房的位置，調(diào)整電池房的重心，以確保輪胎吊海側(cè)重心不偏移及大車糾偏效果不受影響。

（3）在電池房與輪胎吊陸側(cè)電氣房之間敷設(shè)動力線、控制線等。

（4）在電池房可編程邏輯控制器與輪胎吊可編程邏輯控制器之間建立連接，并設(shè)置相關(guān)保護(hù)，如電池低電壓預(yù)警等。

（5）上電后，測試電池狀態(tài)，并記錄使用效果。

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控

本方案采用GPRS-DTU模塊實(shí)時監(jiān)控電池系統(tǒng)。如圖3所示，通過232串口通信建立可編程邏輯控制器模塊與GPRS-DTU模塊的通信連接，將電池組的電壓、電流、環(huán)境溫度、荷電狀態(tài)等數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳至后臺服務(wù)器，并使其他計(jì)算機(jī)以瀏覽器的方式訪問服務(wù)器以取得數(shù)據(jù)。

3.3 實(shí)施效果

北二集司于2015年5月對2臺“油改電”輪胎吊實(shí)施電池儲能過轉(zhuǎn)道改造。截至目前，電池系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，輪胎吊過轉(zhuǎn)道操作簡單、快捷且無噪聲，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

（1）經(jīng)濟(jì)效益 輪胎吊每年過轉(zhuǎn)道油費(fèi)節(jié)約12.5萬元左右；每次過道時間縮短左右，過轉(zhuǎn)道效率顯著提高；發(fā)動機(jī)故障減少，每臺發(fā)動機(jī)每年材料維護(hù)成本和人工成本節(jié)約1.5萬元左右?？偟膩砜?，該方案3年左右即可收回成本。

（2）社會效益 由于輪胎吊過轉(zhuǎn)道時的耗油量減少，預(yù)計(jì)每年可減少CO2排放量以上，減少SO2排放量以上。此外，發(fā)動機(jī)噪聲徹底消除，極大地改善司機(jī)及其他作業(yè)人員的工作環(huán)境。

（編輯：張敏 收稿日期：2015-10-26）