顾明观 上海振华重工集团股份有限公司

轮胎吊的节能减排技术与应用

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轮胎式集装箱龙门起重机（以下简称轮胎吊）是集装箱堆场的主要装卸设备之一，它具有可灵活转场作业、覆盖面大、码头基础初始投资少等特点，成为众多集装箱码头选择的对象。然而传统的轮胎吊的缺点也很明显。首先，柴油发电机组有效利用率很低，燃油消耗大，轮胎吊的使用成本高。随着近年来国际油价的上涨，使以柴油作为动力能源的轮胎吊使用成本持续上升。其次，重物下降和机构减速过程中产生的能量由机上的制动电阻消耗掉，没有得到有效利用，能源利用率低。另外，机载柴油发电机组维护成本高，它所产生的噪声、废气以及机油、柴油、冷却水的泄漏也会给码头周围的环境形成较大的污染。

为此，以上海振华重工（ZPMC）为代表的集装箱起重机设备制造商联合各集装箱码头，经过多年来的潜心研究和实践，陆续推出了多种轮胎吊节能技术方案，目前有代表性的主要有发动机调速节能技术、混合动力、市电轮胎吊和锂电池轮胎吊等几个方向，为打造绿色港口创造了有利条件。

1 发动机调速节能方案

柴油发电机组的耗油量和其转速基本成正比关系。传统的轮胎吊无论是在重载、轻载还是在待机工况下，机载的柴油发电机组总是在最高转速下运行，由此造成轻载或待机时，柴油机组的燃油经济性处于较低的水平。针对不同的负荷情况，采用不同的柴油机转速控制策略，将有助于降低油耗，提高柴油发电机组的能源利用效率。

1.1 柴油发电机组怠速节能系统

怠速节能系统就是在轮胎吊待机时，使柴油发电机运行在怠速状态，把柴油机的速度降到一个相当低的水平，从而降低油耗。处于怠速状态的发电机组输出的是低压低频的电源。为了保证照明、空调等辅助系统在怠速状态下也能正常工作，需要增加变频装置、滤波器和 /Y变压器，把低压低频的电源转变成稳定的三相交流电源，满足辅助系统的供电要求。据测算，采用此系统可以节能20%左右。

1.2 柴油发电机组变速节能系统

发动机变速节能系统采用可变速的柴油发电机组，在能量转换系统和智能管理系统的控制下，自动识别实际负载大小，全程调整并优化发动机的转速。也就是当轮胎吊载荷需求功率较小时，发动机在较低的速度下运转，使柴油机始终工作在最经济工况，达到降低燃油消耗、噪音和维护成本的目的。变速柴油机节能方案的节油效率可达40%以上。

1.3 特点

采用发动机调速节能方案可以在保留轮胎吊的灵活性和不改变轮胎吊原有的操作流程的基础上，大幅降低燃油消耗。而且它的初始投入成本低，独立性强，只要柴油机组是可变速的就可实现节能控制，无需增加码头堆场的造价。因此发动机调速节能技术不仅适用于新购的设备，同时也可对原有的常规型轮胎吊进行改造，可广泛应用于集装箱码头，对于生产作业不频繁、待机时间长的小型码头尤为适用。

然而，发动机调速节能方案还没有摆脱柴油发电机组，因此仍然有污染排放，不能真正做到绿色环保。对于比较繁忙的堆场来说，发电机组大部分时间工作在高速状态，节能效果并不明显。

2 混合动力方案

传统轮胎吊无法反馈或储存起升机构下降过程、小车和大车机构制动过程中产生的再生能量。如果对这些再生能量加以利用，不仅可以节能，也可以有效降低柴油发电机组的容量，减少废气排放，节能减排效果明显。

2.1 工作原理

混合动力轮胎吊就是在柴油发电机组的基础上，加装一套智能电气控制装置和储能装置，将轮胎吊下放货物时释放的势能进行收集，转换为电能存储起来，然后在需要时重新提供能量给轮胎吊，从而使轮胎吊能有效地重复利用再生能量，实现环保要求。

混合动力轮胎吊一般利用超级电容的大电流、快速充放电的特性，将其作为储能装置并联在直流母排上。当检测到直流母排上的电压低于柴油发电机组的电源整流电压时，柴油发电机组开始参与供电。当工作机构处于再生反馈状态时，机构将能量反馈到直流母排上，使超级电容不断吸收电能。

经过多年的试验和改进，上海振华重工将发电机调速节能技术与超级电容有机结合，进一步提升了轮胎吊的节能水平，与传统轮胎吊相比，这种混合动力系统的轮胎吊能实现节能45%以上。

2.2 特点

和发动机调速节能方案一样，混合动力节能方案也保留了轮胎吊的灵活性。加装超级电容形成混合动力系统后，再生能量得到回收利用，减少了能源浪费，燃油利用率更高。因为在机构加速时，柴油发电机组和超级电容协同供电，确保了强大的动力输出，混合动力轮胎吊的柴油发电机组容量只有传统轮胎吊的50%左右。而且超级电容中储存的能量可以弥补起升机构吊重载加速上升时的功率需求，发动机基本可以工作在非过载状态，使发动机组输出的功率平稳过渡，这将有效提高发动机的使用寿命，也解决了传统轮胎吊冒黑烟的问题。

混合动力节能方案的初始投入成本较低，既适用于新购的设备，也可以对旧机进行逐台改造，不影响堆场的正常生产。在现阶段，电容的质量仍然是影响混合动力系统好坏的重要因素之一。

3 市电轮胎吊方案

所谓市电轮胎吊，就是指通过不同的供电方式，用市电直接替代柴油机动力能源，在作业时采用外接市电供电，需要转场时，才启动柴油发电机组。市电轮胎吊对于综合利用能源，保护环境有着积极作用，目前已得到了广泛应用。

3.1 供电方式

根据供电方式可以将市电轮胎吊分为电缆卷盘供电、高架滑触线供电、低架滑触线供电等几种形式。

3.1.1 电缆卷盘供电

在原有传统轮胎吊设计基础上，加装一套电缆卷盘及其驱动装置来提供正常作业时所需的电能，同时采用一套小功率柴油发电机组作为转场时的动力来源，当轮胎吊进行转场操作时切换至柴油发电机组模式。本方案需要在场地上配置一定数量的箱式变压器、插座箱，电缆端部通过快速插头与地面插座箱连接获得市电。

为了保护供电电缆免受码头运行车辆或者轮胎吊自身的破坏，根据码头的需要可以设置电缆沟。同时，轮胎吊应有良好的大车行走纠偏能力，保证轮胎吊沿着行走线路准确行驶，进一步保证电缆的安全。电缆在换向时应设有过渡装置，以保护电缆不受损坏。

虽然此供电方式操作简单、技术成熟，但单台投资成本较大，需要130万左右，而且整套电缆卷盘系统约重8t，对轮胎的轮压有一定影响。由于受到供电缆长度的限制，此种供电方式的轮胎吊适合在堆场较小的码头上应用。

另外，轮胎吊转场操作时电缆插头需人工插拔操作始终是用户顾虑的一个问题，由此也影响了电缆卷盘型市电轮胎吊在市场上的推广。近日，上海振华重工成功研制了电缆插头的自动插拔装置，很好地解决了这一难题。

3.1.2 低架滑触线供电

低架滑触线供电方式是在两个相邻箱区之间的盲道上架设刚性滑触线，滑触线通过接电箱与市电相接。轮胎吊带动与其柔性连接的集电器小车，通过集电器从滑触线获得市电电网的电能，实现移动供电。

低架滑触线架设高度一般为3～4m，受大风大雨影响小，具有投资小、维护工作量小等优点，得到了一些码头的关注和应用。但是为了不阻碍码头车辆的通行，一般滑触线在大车运行方向上的2个箱区间不连续，所以轮胎吊在转场时仍需借助机载小柴油发电机组过渡。随着自动取电技术的应用，也在一定程度上提高了轮胎吊转场的效率问题。

另外，由于低架滑触线装置与轮胎吊之间距离较近，对安全要求较高，为防止操作不慎发生轮胎吊碰撞低架滑触线事故，需设置纠偏及防碰撞安全保护措施。否则一旦滑触线出现故障，将影响到整个箱区的操作。一般来说，低架滑触线供电方式比较适合中等规模、不需频繁转场的堆场。

3.1.3 高架滑触线供电

高架滑触线供电方式是在堆场箱区之间的通道上方架设高架滑触线，一般在25m以上，并用滑动刷辫将滑触线上的电力引入轮胎吊。由于高架滑触线不会对码头车辆通行产生阻碍，使轮胎吊可以直线跨箱区作业无需转场，大大提高了轮胎吊的生产效率。因此，高架滑触线供电方式对于形状规整和狭长的中大规模堆场较为适用。

与其它供电方式比较，高架滑触线对于轮胎吊转场来说是最方便的，但是它的一次性投资较高。另外，高架滑触线位于较高的空中，维护和转场操作不便，且易遭受雷击或者遭受大风影响导致脱辫，给安全和生产带来一定影响。因此，在作方案选择时需结合码头自身的气候特点加以考虑。

2.1.2 分布。此次调查发现的20种病害主要分布在盐源县(9种)、昭觉县(9种)和西昌市(8种)，布拖县和喜德县分别有6种和5种病害发生。光叶紫花苕叶斑病和斑枯病集中在喜德和布拖2县发生，白粉病则发生于盐源县；玉米病害除锈病在昭觉县有发生，其余病害均发生在西昌市；黑麦草锈病在喜德县和西昌市发生，镰孢枯萎病、离孺孢叶枯病、离孢灰斑病则广泛分布于喜德等5县市。

3.2 特点

与传统轮胎吊相比，市电轮胎吊节能达60%左右，还具有以下优势：

（1）运行成本低。根据初步统计，市电轮胎吊每装卸一个标准箱只需消耗1.6kWh电能，而常规轮胎吊所消耗的燃油量大约在1.2L左右。由于电力成本低于燃油，使市电轮胎吊具有明显的运行成本优势。

（2）维护成本小。市电轮胎吊使用小功率的柴油发电机组（一般为120kW）代替大功率柴油发电机组(400kW左右)，使用频率低，节省大量的维护成本。

（3）污染排放少。小功率柴油机组只作转场用，在作业过程中处于关闭状态，基本无尾气和噪音污染，码头周边的环境得到极大改善。

（4）再生能量可反馈电网。部分机型还可加装能量回馈装置，将重物下降过程中产生的能量反馈电网，可以实现进一步节能。

市电轮胎吊的主要不足之处在于转场费时，操作不便，影响了轮胎吊的作业效率。大部分市电轮胎吊仍保留有柴油发电机组但利用率很低，一定程度增加了设备的投资和维护成本。

4 锂电池轮胎吊方案

锂电池的最大特点是比能量高，相同体积的锂电池的比能量是镍镉电池的3倍以上。同时还具有放电电压稳定、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特点。

4.1 工作原理

锂电池供电的轮胎吊在保持原有各项功能的前提下，将供电方式由机载的大功率柴油发电机组供电改为由大功率锂电池供电。锂电池动力系统包括24块高功率组锂电池模块组、45kW小功率柴油发电机组、职能电池管理系统和辅助逆变供电装置等，由电池组直接给变频器上的直流母排提供工作电源，如图1所示。

图1

常规状态下，柴油发电机组不工作，直接由锂电池组驱动轮胎吊。当电池电量降低至一定范围，通过智能电池管理系统，实时监控每一组电池的状态(包括电压和温度)，由PLC采集数据后控制小柴油机启停，给电池适当电量补偿。重物下降环节产生的电能都将回馈给锂电池组。

机载的小功率柴油发电机组仅仅作为充电用，在需要时给锂电池充电，它并不直接给运行机构的电机供电。因此，也完全可以取消小功率柴油发电机组，在轮胎吊轮班时采用外部电源充电，这样能彻底解决柴油发电机组的污染排放和噪音问题。

4.2 特点

锂电池动力系统对硬件设备要求不高，不仅能装备新购轮胎吊，而且能实现旧机改造，节省大量成本。旧机改造时基本不占用码头生产场地，不会对码头生产产生影响。与目前采用较多的市电轮胎吊相比，锂电池轮胎吊有效减少了对码头基建以及码头配电系统改造、扩建的依赖，初期投资大大降低。

大功率锂电池供电的轮胎吊保留了常规轮胎吊的灵活性和机动性，转场时不需要人工参与，提高了轮胎吊的作业效率，降低了出现故障的几率。

锂电池轮胎吊的节能效果大于目前市场上的其它节能型轮胎吊，与常规轮胎吊相比，其节油效果可达65%以上，如按照每台常规轮胎吊每年操作10万集装箱，每箱平均油耗按1.2L计，一年每台节能轮胎吊能节省燃油7.8万L，节能效果显著。

锂电轮胎吊将消耗的能源从柴油改换为电能，大幅度降低了轮胎吊对燃油消耗和依赖，避免了废气污染，减少了二氧化碳排放，保护了环境，称得上是真正意义上的绿色节能轮胎吊，应用前景极其广阔，必然成为未来的发展方向。

目前锂电池价格昂贵是制约锂电池供电轮胎吊推广的一个瓶颈。随着锂电池寿命的进一步延长和成本的下降，其经济效益还将进一步提高。

5 结束语

综上所述，轮胎吊的各种节能技术方案各有优缺点。发动机调速和混合动力轮胎吊的灵活性较强，投资成本低，但节能效率没有市电轮胎吊和锂电池轮胎吊那么高，而且发动机的噪声和排污不利于环保的问题依然存在；市电轮胎吊主要着眼于节能降耗，运营成本低，基本实现零排放，但转场环节稍显不便，而且要增加码头的基础设施投资；锂电池供电轮胎吊则结合了上述各种节能型轮胎吊的优点，既很好地解决了节能降耗和污染排放问题，也保留了轮胎吊原有的灵活性和机动性，明显优于市场上现有的节能型轮胎吊。

需要指出是，上述各种节能技术方案并不是孤立的，这就需要各集装箱码头和轮胎吊制造商共同探讨，根据自身的特点和使用环境选择合适的方案，以达到最佳的节能减排效果。但要从节能、环保、转场便利性等方面综合考虑，锂电池轮胎吊无疑是最佳选择。