節(jié)能型門座起重機起升機構(gòu)的能耗分析與能效檢測

孫振寧 邱俊霖 梁 浩

中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司

1 引言

門座起重機(以下簡稱門機)作為一種常見的重型裝卸設(shè)備，在港口、內(nèi)河碼頭以及修造船廠等重要場所應(yīng)用普遍。其重量大，能耗比較高。目前門機的節(jié)能改造，多針對其起升機構(gòu)，采用超級電容或蓄電池等儲能元件將貨物下降過程中產(chǎn)生的勢能回收儲存，并用于貨物的再提升，從而達到節(jié)能降耗的效果[1-2]。為測試該種節(jié)能裝置的實際使用效果，選取國內(nèi)某礦石碼頭一臺MQ4040抓斗門機為測試對象，依據(jù)我國交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《港口電動式起重機能源利用效率檢測方法》(JT/T314-2009)，制定出適用于節(jié)能型門機的能效檢測方案，并對其能效進行對比分析。

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，表示在能源利用過程中，發(fā)揮有效作用的能量與實際工作過程消耗的能量之比[3]。發(fā)揮有效作用的這部分能量稱為有效能，實際消耗的能量稱為供給能。能效值計算見式(1)。

η=E有效/E供給×100%

(1)

對門機而言，起升機構(gòu)的有效能是指起重機按工藝要求完成物體位移時理論上消耗的能量[4]。有效能可以通過理論計算而得出，而供給能則需要通過檢測獲得。

2.2 起升機構(gòu)能耗分析

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

起升階段，電機需外電網(wǎng)供給電能，通過電機驅(qū)動傳動系統(tǒng)，帶動貨物上升。該過程能量依次經(jīng)過動能、機械能，最后轉(zhuǎn)化為貨物的勢能，該部分能量視為起升機構(gòu)的有效能。起升過程能量流向見圖1。

圖1 起升過程能量流向

下降階段跟起升階段能量流向相反，該過程不需要從外電網(wǎng)汲取電能，勢能作為帶動貨物下降的驅(qū)動能，經(jīng)過傳動系統(tǒng)，帶動起升電機反向運轉(zhuǎn)，產(chǎn)生回饋電能。對于普通門機而言，這部分回饋電能一部分通過制動電阻以熱能的形式消耗，另一部分則通過制動器以摩擦損耗的形式消耗；而對于安裝有節(jié)能裝置的節(jié)能型門座起重機而言，則可將這部分能量回收，用于再提升操作。下降過程能量流向見圖2。

圖2 下降過程能量流向

起升機構(gòu)完成1個測試循環(huán)，一般需要檢測重載工況、空載工況和單獨開閉斗3種工況，除開閉斗工況外，重載和空載工況均包括起升和下降兩個階段。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)生的勢能。

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

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)定測試高度，該過程增加的勢能為：

E2=9 800m1h

(3)

抓斗閉合階段，抓斗與貨物重心高度會有一定提升，所產(chǎn)生的勢能為：

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

(4)

式中，h1為抓斗打開狀態(tài)時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。

起升機構(gòu)在1個測試循環(huán)中，總有效能可按式(5)計算。

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

(5)

3 能效檢測方案

3.1 測試要求及樣機概況

依據(jù)我國交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T314-2009《港口電動式起重機能源利用效率檢測方法》，檢測時風(fēng)速應(yīng)小于3 m/s，整機傾斜度不大于2.5%，測試載荷質(zhì)量與規(guī)定值偏差不大于±5%；同時測試期間，機上輔助設(shè)備(空調(diào)、電梯等)應(yīng)停止運轉(zhuǎn)，各種測量儀器在合格期內(nèi)且能正常使用。

本次檢測，測試樣機為國內(nèi)某礦石碼頭1臺節(jié)能型門機，額定起重量40 t，幅度40 m，節(jié)能裝置為超級電容型，起升機構(gòu)詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 MQ4040起升機構(gòu)參數(shù)表

3.2 檢測儀器

考慮到門機采用三相交流電路，為方便、準(zhǔn)確地采集能耗數(shù)據(jù)，選用Fluke手持式三相功率計搭配鉗形電流表來獲取功率、電壓電流和諧波等數(shù)據(jù)；同時用秒表、卷尺記錄工作時間和測試起升高度等數(shù)據(jù)，現(xiàn)場檢測儀器詳情見表2。

表2 測量儀器匯總表

3.3 檢測項目

在滿足上述基本檢測條件后，針對起升機構(gòu)依次開展速度檢測和供給能檢測。速度檢測的目的是檢測節(jié)能裝置對起升機構(gòu)工作性能的影響，通過節(jié)能型門機與普通門機的起升速度對比，檢驗節(jié)能裝置的使用是否會對起升機構(gòu)的運行速度造成衰減[5-6]。供給能檢測，一方面為計算能效值提供數(shù)據(jù)支持，另一方面也可直觀的體現(xiàn)節(jié)能型門機的節(jié)能效果，使用功率分析儀采集起升機構(gòu)在1個測試周期內(nèi)的供給能數(shù)據(jù)，并與同型號普通門機供給能數(shù)據(jù)做對比，理論上節(jié)能型門機起升機構(gòu)完成1個測試循環(huán)所需供給能應(yīng)小于普通門機。

3.4 檢測步驟

3.4.1 速度檢測步驟

在進行速度檢測時，節(jié)能型門機與普通門機需保持相同的起重量和起升高度，司機室駕駛員需將操作手柄置于相同或最大檔位，分別記錄起升機構(gòu)的提升和下降的運行時間，循環(huán)測5次。

3.4.2 供給能檢測步驟

供給能檢測，需采集門機起升機構(gòu)在完成1個完整工作循環(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)和開閉斗工況，詳細(xì)測試步驟如下：

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

(2)重載狀態(tài)，抓斗從規(guī)定測試高度下降至測試起點位置。

以上步驟為重載工況，循環(huán)測試5次。

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

(4)空載狀態(tài)，抓斗從規(guī)定測試高度下降至測試起點位置。

以上步驟為空載工況，循環(huán)測試5次。

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

3.5 檢測數(shù)據(jù)收集

依據(jù)上述檢測方案，針對節(jié)能型門機和普通門機，分別檢測起升機構(gòu)的速度、能耗數(shù)據(jù)，記錄見表3、4。

表3 速度檢測工況及數(shù)據(jù)

4 能效計算與數(shù)據(jù)分析

4.1 數(shù)據(jù)對比分析

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

根據(jù)表4中供給能對比數(shù)據(jù)可知，相對于普通門機，節(jié)能型門機起升機構(gòu)完成1個工作循環(huán)，可節(jié)省約45%的電能，說明節(jié)能裝置的節(jié)能效果明顯。

表4 供給能檢測數(shù)據(jù)

4.2 能效計算

根據(jù)起升機構(gòu)有效能計算公式，可得在測試起重量為36 t，抓斗質(zhì)量15 t，測試起升高度為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)，可計算得普通門機完成1個工作循環(huán)的供給能Eg1=(2.888+2.894)÷2×3 600×103=10.407 6×103kJ，節(jié)能型門機完成1個工作循環(huán)的供給能Eg2=(1.63+1.583)÷2×3 600×103=5.783 4×103kJ。由此可得普通門機的能效值η普通=Eqs/Eg1=64.9%，節(jié)能型門機的能效值η節(jié)能=Eqs/Eg2=116.9%，節(jié)能型門機的能量利用效率明顯高于普通門機。

5 結(jié)語

節(jié)能型門座起重機的節(jié)能降耗效果顯著，其起升機構(gòu)可節(jié)省約45%的電能，能效值提高了近50%，同時起升機構(gòu)各項性能均維持正常。該能耗檢測方案適用于節(jié)能型門座起重機，能有效檢測其節(jié)能效果，對該類型門機的檢測具有一定的指導(dǎo)意義。