摘要：现阶段，轮胎式集装箱龙门起重机的节能技改项目在各个码头纷纷上马，应用范围越来越广。在众多的技术改造方案中，选择适合于码头自身所需的方案显得尤为重要。就多种节能方案的可行性进行了论述和比较，得出适合于港口码头的最佳方案，以供业内同仁参考。

关键词：轮胎式集装箱龙门起重机；节能；发展；应用

1. 前言

对于节能工作的重要性，《国务院关于加强节能工作的决定》明确规定：为深入贯彻科学发展观，落实节约资源基本国策，调动社会各方面力量进一步加强节能工作，加快建设节约型社会，实现 十一五 规划纲要提出的节能目标，促进经济社会发展切实转入全面协调可持续发展的轨道，特作如下决定：（1）充分认识加强节能工作的重要性和紧迫性；（2）用科学发展观统领节能工作；（3）加快构建节能型产业体系；（4）着力抓好重点领域节能；（5）大力推进节能技术进步；（6）加大节能监督管理力度；（7）建立健全节能保障机制；（8）加强节能管理队伍建设和基础工作；（9）加强组织领导。

事实证明，通过节能技术改造，是实现上述规定的重要环节，为确保社会可持续发展奠定良好的基础。港口起重机是港口行业生产中用能大户，其中包括用电及用油（主要指生产中的柴油），图1为某个集装箱码头的生产用能情况。
 

图1 某集装箱码头的生产用能表

图1所示的能耗主要包括用电及用油耗用，其中的油耗占整个能耗的70%左右。在国家大力提倡用电能的条件下，如何降低油耗在整个生产中的比重显得尤为重要。在此占70%比重的用油大户主要是指用于生产作业的轮胎式集装箱龙门起重机（以下简称龙门吊）。龙门吊用油量的减少

可通过技术改造来实现。传统的龙门吊因在码头堆场内作业，自身自己备有柴油发动机组作为动力能源，满足了作业的方便灵活性和转场的需要，在堆场内不受供电的局限，具有良好的机动性能。大大提高了集箱装装卸效率。但其有以下缺点：

（1）耗油量大，成本高。以1台龙门吊1个月作业5000箱次，1年6万箱次计算，每作业1箱次的耗油量约2L柴油，每年1台龙门吊用油量约100t，近60万元人民币；

（2）噪声大、排放污染严重；

（3）发动机组故障多，维修成本高。维修成本包含定期更换机油、三滤等费用，定检及例检的人工费用，以及发动机运行大约15000h后的大修费用等。

近几年来，国内外各码头公司以及起重机制造厂商纷纷投入大量的人力物力进行龙门吊节能。降耗的技术改造项目研究。

2 .混合动力方案

2.1 超级电容方案

传统的龙门吊工作状况为：当起重机吊起一个集装箱时，起升电机需发动机供给足够的电能，电机把电能转化为动能，把集装箱吊到所需高度，完成动能到势能的转变。当集装箱下放时，起升电机处于发电状态，因龙门吊无反馈到电网及逆变的装置，此时的电能就消耗在直流母排上的能耗电阻上，电能转化为热能消耗掉。

超级电容的作法为：增加超级电容作为储能装置并入上述直流母排电路中，利用其大电流、快速充放电的特性，当集装箱下降时，吸收电动机所发出的电能并储存起来；当起重机要吊起集装箱时，超级电容释放电能，以补充电路所需的能量，起到降低发动机所需的电能。从而使龙门吊能有效的重复利用再生能量，成功地实现环保要求，取得了良好的效果。

加装超级电容后形成混合动力系统的优点：

（1）有一定的减排效果，据测试，柴油机排放的烟气黑度为林格曼黑度0级，即RTG每1次加载启动时柴油机排气管不再冒污染环境的黑烟；

（2）突加载荷时柴油机噪声降低4~5dB；

（3）能耗下降，燃油节省约30%~40%；

（4）柴油发动机组的功率选型可降低；

（5）柴油机工作平稳性提高，可延长使用。

超级电容系统具有的缺点：

（1）电容的使用寿命为4~5年，需定期养护；

（2）平常需例行检查，保养项目包括电容外表清洁、接线柱紧固检查、检查电脑自动记录运行参数；

（3）电容供应商每年需进行1次例行保养；

（4）由电容供应商每3年进行1次大修；

（5）电容的质量是决定超级电容系统好坏的最大因素，可容许充放电次数及频率是决定使用寿命的长短。目前，国内生产的超级电容的质量还有待于进一步提高。

2.2 锂电池方案

锂是一种银白色、十分柔软的金属元素，化学性能活泼，在金属中是最轻的。它除了应用于原子能工业外，可制造特种合金、特种玻璃（电视机上用的荧光屏玻璃）及锂电池。在锂电池中它用作电池的阳极，锂电池的最大特点是比能量高，相同体积的锂-二氧化锰电池的比能量是镍铬电池的3.75倍。

采用锂电池混合动力方案的工作原理与超级电容相似，也是在直流母排中接入充、放电用的锂电池组。；锂电池的充、放电工作是通过充放电控制器加以控制，电池的充电量一般控制维持在35%~45%间，因为35%~45%的充电量有利于延长锂电池的使用寿命。锂电池的储存能量一般靠起重机机下降时反馈的电能给予充电，当不在此工况而锂电池本身的电量少于35%时，来自发电机组的电能将给予补充。

当起吊集装箱上升时，锂电池放电，有效地补充了起重机所需的峰值功率，使发动机组输出的功率平稳过渡，有效地保障了瞬时所需的峰值功率，见图2。

图2 集装箱工况示意图

1．发动机组输出电流曲线 2．起升点所需的

总电流曲线 3．锂电池供给的电流曲线

锂电池的优点有：放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应及无公害等；锂电池的缺点有：价格较贵，目前尚不能普遍应用；用于龙门吊直流母排充放电用的锂电池寿命约4~5年。

用锂电池混合动力方案，发动机的节油量约为40%~50%，且可以减小发动机功率配备，当龙门吊起吊额定载荷时，发动机几乎无黑烟排出，满足节能减排要求。

3. 完全用市电的 E-RTG方案

3.1 电缆卷筒输电方案

电缆卷筒输电方案指的是在龙门吊上加装电缆卷筒机构，通过电缆卷筒控制系统，带动缠有供电电缆的电缆卷筒随大车一起行走，供电电缆实时地处于张紧状态、随着电缆卷筒的转动需自动地收放，从而实现用市电供电的模式。

一般从供电站引一条高压电缆把高压电如10kV引到现场的变压器，经现场变压器（10kV/630V）变压后到市电接线箱，因考虑电缆卷筒上供电电缆的压降及尽量减小此电缆的直径，故市电接线箱的电压取630~960V，经电缆卷筒到龙门吊上后经2次变压为龙门吊所需的电压如440V，以保证供电质量。

电缆卷筒输电方案因在岸桥及门机均有使用，故此技术已非常成熟。根据码头自身的需要可以设置电缆沟，以保护电缆免受外界的破坏。此供电方案的特点为：

（1）卷筒装置不占地面空间，电缆存贮于电缆槽中，利于上部电缆保护；

（2）龙门吊的机动灵活性能较好；

（3）防雨性能较好，一般下雨天不进行电缆插头插拔作业；

（4）龙门吊应有良好的大车行走纠偏能力，同时应在大车运行轨道上画上黄线限制区域，保证大车不跑出规定的作业区域，进一步保证了电缆的安全；

（5）电缆在换向时应做有过渡圆筒，以保护电缆的弯曲不受损坏，及换向作业时不需重新插拔插头；

（6）龙门吊改动大，配置复杂，投资成本较高，一套电缆卷筒输电系统约需50万元。

电缆卷筒输电方案的缺点有：

（l）整套电缆卷筒系统约重8t，对轮胎的轮压有一定的影响；

（2）在换箱区或过河作业时电缆的保护尤为重要，同时存在被拖车碰撞的隐患；

（3）电缆在场地上拖动，可能损坏，同时易引起事故，需定期检查；

（4）电缆越长，产生的压降越大；

（5）操作性能及安全性能有待提高。

电缆卷筒输电方案的优点有：

（1）节省能源成本，用电比用燃油费用节省60%~70%。

（2）节省维护成本，主要指节省原来发动机的维护维修成本；

（3）改善操作环境，去除了发动机原有的噪声；

（4）没有发动机的废气排放，减少对工作区域环境污染。

3.2 低空滑触线输电方案

滑触线输电工作原理为：在集装箱堆场架设由城市电网供电的滑触线供电线路，当龙门吊在箱区内作业时，关闭自带的柴油发电机组，所需电力由滑触线供给，龙门吊沿滑触线移动，实现对整个箱区的工作覆盖。当龙门吊需转场到另一箱区作业时，则拔下插头切断电源与龙门吊的联系，改由小功率柴油发电机组供电并实现转场。转到指定堆场后，柴油发电机组停止工作，插上插头动力重新切换为滑触线供电。

供电的线路走势是：从供电站引高压电源如10kV至现场堆场，经堆场内变压器变成龙门吊所需的电压如440V到各条滑触线前的电源柜内，电源柜内一般设有用于保护的断路器，经断路器直接接到架设于立架上的铜滑线上供3相4线电源，经集电小车和供电电缆供电到龙门吊，龙门吊大车上设置牵引装置，牵引着滑触小车随龙门吊大车一起滑走，以实现龙门吊滑触供电方式。滑触线输电方式类似于城市无轨电车方式。

目前，低空滑触线高度的设置一般有2种：一种高度约为3.5m左右，主要考虑的是安全需要；另一种高度约为2.5m左右，主要考虑到维修的方便性；2种高度各有利弊，主要是适合于各自码头自身的需要。此外，滑触线的布置方式也有2种：1种为单排的供电方式，即立架上只设一排的滑触线供电；另1种为双排的供电方式，即立架上设左右2排的滑触线供电，每一排都装设3相4线的铜滑线，以供2倍数量的龙门吊工作，此种龙门吊的工作状态俗称 背靠背 工作方式。

低空滑触线输电工作方式的特点为：

（1）滑线架占用堆场空间，布置要求严；

（2）安全要求较高，除设置一定的防碰撞措施外，需规定相关的安全规章条例；

（3）一般设置供电区域要封闭，同时需加装防护装置及提示标志，以防碰撞；

（4）对龙门吊操作性能有一定要求，除了要求龙门吊有良好的大车纠偏能力外，还需设置纠偏及防碰撞安全保护措施；

（5）一般在整条滑触线的末端设置龙门吊大车行走减速保护及终点限位保护，以避免龙门吊开出滑触线供电的区域；

（6）低空滑触线经过一定时间运行后需更换碳刷，但工作量较低，出于安全性考虑，平常需一定量维护。

低空滑触线供电方案的优点有：

（1）配置相对简单，供电质量高，输电线路损耗少，经现场的测试，滑触线到龙门吊上的电压压降几乎为0；

（2）龙门吊改动量少，只需加装一个插座插上滑触线的电源就可；

（3）可完全取消龙门吊上配备的发动机组，或为转场及换箱区需要配一台120kW功率的小型发动机即可；

（4）同一场区后续龙门吊直接接入滑触线上的供电电缆后就可工作，不需增加额外的费用；

（5）节能减排性：低空滑触线节能量为70%~80%，完全消除噪声及废气；

（6）投资成本相对不高，投资回收期约为1.5~2.5年。

低空滑触线供电方案的缺点有：

（1）一般滑触线在2箱区间不连续，龙门吊换箱区、过河时需人工插、拔插头重上电；

（2）龙门吊转场走90 时，需有发动机动力供电以支持龙门吊的大车行走；

（3）安全问题需常抓不怠。

3.3 高空跨箱区滑触线输电方案

高空滑触线输电方案的工作原理类似于低空滑触线输电方案，不同之处在于滑触线架设高度较高且是连续不间断的，故龙门吊在转换箱区作业时，不需重新插拔电源插头来转换供电电源工作。高空滑触线的架设高度高于龙门吊小车平台，高度约为25m。目前有用到的支撑塔跨度为150m，塔高最高处约34m。

在龙门吊小车架上设计安装1个平台，用于安装4个滑线导电器，平台高度为2m左右，方便人员检修和更换相应零件。4根滑线导电器，外侧3根为3相电源线，用于为RTG提供电源，最内侧l根为中性线，与龙门吊结构相连，用于检测漏电，保证人员用电安全。

高空滑触线供电方案的优点有：

（1）可在直线上跨箱区供电运行，避免了其他方法跨箱区时需要频繁启动柴油机，可以彻底取消柴油机及其维护，省时省力，安全可靠；

（2）可按龙门吊原有的操作习惯和方式工作，安全性和可靠性不受任何影响；

（3）系统造价综合经济性较好，特别是对大的堆场和码头，设备的使用寿命非常长，主要部件寿命在30~50年以上，维护成本很低；

（4）节约能源约60%，节省油耗成本近80%。

龙门吊的节能技术改造除了上述的混合动力方案、完全用市电的E-RTG等2种方案外，还有以下方案：

（1）ECO双发电机方案：1台柴油机配2台发电机，平时1台发电机工作，作业功率不够时用2台发电机工作，据测试节省燃油达48%；

（2）FLYWHEEL飞轮系统方案：一种能源再生的飞轮系统，靠高速旋转的飞轮来存储能量，接在驱动器直流母排上，起存储及释放能量作用，节省燃油为15%~20%；

（3）变速发动机方案：根据龙门吊的工作情况，采用反馈式驱动系统，控制发动机工作于不同转速以达到节油效果，此方案省油达到24%；

（4）降速发动机方案：把龙门吊发动机的转速从1800r/min降为1500r/min，频率从60Hz改成50Hz，更换龙门吊上部分器件以满足50Hz工况，此方案省油为12%~15%。

4 .结论

上述节能技术改造方案中的每一种各有其优缺点，在不同时期及不同码头有各自的选择应用。但要从节能、环保、维修量等方面综合考虑，完全用市电的电动RTG无疑是最佳选择。在评价3种电动RTG技改方案即电缆卷筒输电方案、低空滑触线输电方案及高空滑触线输电方案应用的前后排序时，各码头可根据自身的情况加以量定。笔者认为可以采用模糊综合评价法加以确定，其中，评价就是指按照指定的评价条件对评价对象的优劣进行评比、判断，综合是指评价条件包含多个因素。