順岸式自動化集裝箱碼頭堆場布局設(shè)計

陳 培 武 彬 張 煜 唐 欣

1 天津港第二集裝箱碼頭有限公司 2 武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院

1 引言

天津港作為我國北方最大的綜合性主樞紐港之一，自動化程度較高，但仍存在集裝箱作業(yè)效率低、堆場布置受限等問題。因此，如何優(yōu)化堆場布置、擴大堆場容量，是港區(qū)布置需要解決的難點。

縱觀國內(nèi)外發(fā)展勢態(tài)較好的自動化集裝箱碼頭，堆場布置形式主要包括平行于岸線布置和垂直岸線布置2種形式[1-3]，其中，國外大部分港口采用堆場垂直于岸線的布置形式，如德國漢堡CAT集裝箱碼頭[4]、荷蘭鹿特丹港Euromax碼頭[5]和巴塞羅那BEST碼頭[6]，我國港口堆場選擇平行于岸線布置形式的居多，如廈門遠海自動化碼頭、廈門港海潤碼頭、廣州南沙四期碼頭和深圳媽灣港等[7]。2種布置形式各有特點，需根據(jù)港區(qū)實際情況進行選擇。因此，結(jié)合天津港北疆港區(qū)新建C段智能化集裝箱碼頭“大進大出”的特點，在比較分析2種自動化碼頭堆場布置方案后，確定采用堆場平行于岸線的布置方案。

2 自動化堆場垂直于碼頭岸線布置方案

2.1 工程概述

為更好服務(wù)京津冀協(xié)同發(fā)展和共建“一帶一路”，天津港啟動北疆港區(qū)C段智能化集裝箱碼頭工程建設(shè)(見圖1)，工程規(guī)劃C段碼頭岸線總長1 100 m，碼頭堆場縱深約752 m。

圖1 天津港北疆港區(qū)C段智能化集裝箱碼頭

為合理設(shè)置堆場不同類型箱區(qū)比例，在綜合分析近年來天津港集裝箱進出港數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得出不同類型集裝箱構(gòu)成情況(見表1)。

表1 集裝箱構(gòu)成比例

2.2 堆場布置

自動化堆場呈縱向布置(見圖2)，從距碼頭前沿線114 m處開始按集裝箱箱型組成比例布置自動化堆場。堆場空、重箱混堆，冷藏箱分4塊區(qū)域集中堆放，共布置29條作業(yè)線，每條作業(yè)線配置2臺無懸臂自動化軌道式集裝箱龍門起重機(以下簡稱ASC)，單條作業(yè)線長度約441.5 m(箱區(qū)長度48 TEU)。

圖2 堆場垂直岸線布置

自動化堆場裝卸設(shè)備采用無懸臂ASC，軌距28.5 m，海側(cè)ASC起重量61 t，配置29臺；陸側(cè)ASC起重量41 t，配置29臺，軌距內(nèi)布置9排箱，堆箱高度“堆6過7”。每條作業(yè)線兩端設(shè)置海側(cè)集裝箱交換區(qū)、陸側(cè)集疏運交換區(qū)以及ASC維修區(qū)，ASC維修區(qū)面積保證一臺ASC維修或故障停機時，不影響另一臺ASC正常作業(yè)。

裝卸船設(shè)備采用雙小車雙20 ft岸橋，碼頭與海側(cè)交換區(qū)之間的水平運輸設(shè)備采用自動跨運車。自動化堆場與陸側(cè)集疏運交換區(qū)之間的水平運輸設(shè)備及陸側(cè)集疏運交換區(qū)集裝箱拖掛車裝卸車設(shè)備采用ASC。本方案ASC采用軌內(nèi)9排箱的無懸臂ASC，集裝箱拖掛車在陸側(cè)集疏運交換區(qū)倒車入位。堆場和無懸臂ASC行走方向垂直于碼頭岸線布置，組成“雙小車雙20 ft岸橋+自動跨運車+無懸臂ASC”的垂直端裝卸方案。

為完成設(shè)計年吞吐量為250萬TEU的堆場作業(yè)任務(wù)，堆場垂直布置方案為碼頭配置58臺無懸臂ASC、10臺雙小車雙20 ft岸橋和30臺自動跨運車。

2.3 方案缺點

該布置方案在運行過程中存在一些不可忽視的缺陷。垂直端裝卸模式將水平運輸裝卸箱及外集卡集疏運裝卸點集中，裝卸點相對少，導(dǎo)致陸側(cè)交通組織較困難。同時堆場自動化軌道式集裝箱龍門起重機(ARMG)需帶箱長距離輸送集裝箱，能耗高且海陸側(cè)裝卸作業(yè)及集疏運較難以互相支援。

結(jié)合以往研究數(shù)據(jù)，垂直布局下的集裝箱碼頭比水平布局更易產(chǎn)生交通瓶頸，因此在選擇集裝箱碼頭平面布局時應(yīng)慎重考慮垂直式布局[8]。

3 堆場平行于碼頭岸線布置方案

3.1 堆場布置

自動化堆場呈橫向布置(見圖3)，從距碼頭前沿線121 m處開始按集裝箱箱型組成比例布置自動化堆場。堆場空、重箱混堆，3個堆場(每個堆場8條作業(yè)線)共布置24條作業(yè)線，由右至左依次是A場、B場、C場，由上至下依次是作業(yè)線1至8，共組成1A到8C這24個箱區(qū)，在8A、8B后方各布置1個預(yù)留堆場，占用陸域縱深441.5 m。其中冷藏箱分3塊區(qū)域分散布置，分別位于8A右側(cè)8AR，7C左側(cè)7CR和8C左側(cè)8CR，并且在1A右側(cè)布置了1個變電所。箱區(qū)根據(jù)實際空間布置情況，按不同比例堆垛20 ft、40 ft集裝箱，普通箱區(qū)將40 ft箱放置在箱區(qū)兩端，20 ft箱放置在箱區(qū)中部；冷藏箱區(qū)按1個貝位40 ft箱，2個貝位20 ft箱交叉堆垛。不同規(guī)格集裝箱在箱區(qū)的堆垛比例見表2。

圖3 堆場平行岸線布置

表2 不同規(guī)格集裝箱比例

集裝箱堆場區(qū)還包含堆場橫向車道和縱向車道，堆場橫向車道分為內(nèi)集卡橫向車道和外集卡橫向車道，兩類車道交替布置在堆場兩側(cè)，以提高內(nèi)外集卡通行效率。堆場縱向車道布置在堆場兩個端頭，每個端頭均布置內(nèi)集卡縱向車道和外集卡縱向車道，兩類車道由物理隔網(wǎng)隔開。

自動化堆場裝卸設(shè)備采用雙懸臂ARMG，軌距34 m，起重量41 t，軌距內(nèi)布置11排箱，堆箱高度“堆6過7”，共配備42臺(另外預(yù)留9臺)。ARMG兩側(cè)懸臂下各布置1條作業(yè)車道及1條超車道，一側(cè)為外集卡車道，一側(cè)為ART車道，2臺ARMG相鄰車道所屬同一車型，布局詳情見圖4。

圖4 雙懸臂ARMG布置方式

3.2 設(shè)備配置

裝卸船設(shè)備采用單小車雙20 ft岸橋，水平運輸設(shè)備采用ART。自動化堆場空、重箱混堆，裝卸車及拆碼垛設(shè)備采用軌內(nèi)11排箱的雙懸臂ARMG。堆場和雙懸臂ARMG走行方向平行于碼頭岸線布置,組成“單小車雙20 ft岸橋+ART+雙懸臂ARMG”的平行邊裝卸方案。碼頭配備12臺單小車雙20 ft岸橋，42臺雙懸臂ARMG，岸橋、ART配比關(guān)系為1∶6.3，ART配備76臺。

4 方案對比

國內(nèi)外各港口在布局安排和設(shè)備等方面技術(shù)均已趨于成熟，在天津港C段碼頭設(shè)計背景下，通過比較通過能力、設(shè)備配置數(shù)量、裝卸作業(yè)人員數(shù)量、智能化程度、可靠性、碳排放量、創(chuàng)新性等因素綜合分析兩種布置方案。

4.1 通過能力

在天津港C段智能化碼頭布置的24個箱區(qū)中，共設(shè)計普通重箱箱位23 205 TEU，空箱箱位17 500 TEU，冷藏箱箱位650 TEU，超限箱箱位107 TEU。集裝箱碼頭年通過能力按公式(1)和(2)計算。

(1)

p=np1K1K2(1-K3)K4

(2)

式中，Pt為集裝箱碼頭設(shè)計通過能力，TEU/a；Ty為泊位年可營運天數(shù)，d；Aρ為泊位有效利用率，%；ρ為設(shè)計船時效率TEU/h；Q為集裝箱船單船裝卸箱量，TEU；tg為晝夜裝卸作業(yè)時間，h；tf為船舶的裝卸輔助作業(yè)及船舶靠泊、離泊時間之和，h；td為晝夜小時數(shù)，h；n為集裝箱裝卸橋配備臺數(shù)；p1為集裝箱裝卸橋臺時效率基準值，自然箱/h；K1為集裝箱標準箱折算系數(shù)；K2為集裝箱裝卸橋同時作業(yè)率，%；K3為裝卸船作業(yè)倒箱率，%；K4為可吊雙箱和雙小車集裝箱裝卸橋的新型高效集裝箱裝卸橋船時效率提高系數(shù)。

經(jīng)計算可知，垂直布置方案的碼頭通過能力為251.8萬TEU/a，滿足工程泊位設(shè)計吞吐量250萬TEU/a的要求。

平行布置方案的碼頭通過能力262萬TEU/a，滿足工程泊位設(shè)計吞吐量250萬TEU/a的要求，且在此基礎(chǔ)上預(yù)留約5%的上升空間。

4.2 其他指標對比

除通過能力外，設(shè)備配置數(shù)量、裝卸作業(yè)人員數(shù)量、智能化程度、可靠性、碳排放量、創(chuàng)新性等6個因素在衡量方案性能時也是不可忽略的。將這7個指標對比結(jié)果匯總，綜合比較了2種布置方案優(yōu)缺點，結(jié)果見表3。

表3 方案對比

綜上，平行布置方案優(yōu)勢明顯。雖然2種布置形式均能滿足天津港C段自動化碼頭設(shè)計年吞吐量250萬TEU的要求，但平行布置方案可為碼頭通過能力預(yù)留5%的上升空間，效率更高。同時，平行布置方案首次使用全球首創(chuàng)的ART，在技術(shù)層面和創(chuàng)新性層面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，不僅可擺脫對國外技術(shù)的依賴，還實現(xiàn)了碼頭全電力供能零排放，提高了天津港的創(chuàng)新能力，增加了碼頭的核心競爭力。

5 結(jié)語

在天津港C段自動化碼頭應(yīng)用背景下，堆場平行布置時碼頭通過能力更高，更適用于全球集裝箱運輸量持續(xù)增加的趨勢。堆場平行布置方案使用ART實現(xiàn)集裝箱水平運輸，ART自帶的智能駕駛系統(tǒng)有助于實現(xiàn)集裝箱碼頭全自動化作業(yè)，為打造智慧港口提供支撐。同時，ART動力由電力提供，可大幅減少作業(yè)全程碳排放量，為發(fā)展綠色港口做出重大貢獻。堆場平行布置方案因地制宜，更好適應(yīng)天津港集裝箱運輸“大進大出”的物流特點，選用雙懸臂ARMG的邊裝卸作業(yè)方式，能夠?qū)崿F(xiàn)海陸側(cè)分開作業(yè)。同時利于車序控制和生產(chǎn)運營管理，整個碼頭裝卸工藝系統(tǒng)的智能化程度高、效率高、節(jié)能環(huán)保效果優(yōu)。

綜上所述，考慮碼頭通過能力、環(huán)保、智能化水平、創(chuàng)新性等因素，天津港C段智能化集裝箱碼頭采用堆場平行岸線布置方案是最優(yōu)的選擇。