集裝箱碼頭“油改電”輪胎吊轉場作業解決方案

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　　2007―2014年，寧波港集團北侖第三集裝箱有限公司（以下簡稱“北三集司”）積極響應國家節能減排、創建綠色環保港口的號召，陸續完成旗下港區（寧波舟山港穿山港區）輪胎吊“油改電”，總共架設16條高架滑觸線?！坝透碾姟陛喬サ跤兄诮档妥鳂I成本和減少污染物排放，經濟效益和社會效益明顯;但由于“油改電”輪胎吊只能直線運行，轉場時仍需要柴油發動機提供動力。本文以寧波舟山港穿山港區為例，提出多種“油改電”輪胎吊轉場作業解決方案并進行比較，以期為集裝箱碼頭“油改電”輪胎吊轉場作業優化提供借鑒。寧波舟山港穿山港區原分屬寧波港吉碼頭經營有限公司（以下簡稱“港吉”）、寧波意寧碼頭經營有限公司（以下簡稱“意寧”）、寧波遠東碼頭經營有限公司（以下簡稱“遠東”）和北三集司，現由北三集司統一運營管理。
　　1 穿山港區泊位、堆場及輪胎吊設備情況
　　穿山港區經一體化整合后，泊位配置更加合理，堆場利用率更高，靠泊能力和堆存能力明顯提升。由圖1可見：穿山港區共有10個泊位，單個泊位長約300 m;該港區共有11個堆場，0號堆場與1～6號堆場部分重合，7～9號堆場縱向長度較長，1～6號堆場縱向長度略短于7～9號堆場，10號泊位沒有對應的堆場，11號堆場縱向長度較短。在輪胎吊設備方面：港吉場地有6條高架滑觸線，配備72臺輪胎吊;遠東場地有10條高架滑觸線，配備62臺輪胎吊。
　　1.1    港吉場地設備配置及作業情況
　　由圖2可見：港吉場地共有6個堆場（1～6號堆場）、6條高架滑觸線（1～6號）和72臺輪胎吊。1～3號高架滑觸線單線長度為2 260 m，覆蓋0～6號堆場，立塔分布在第1道與第6道之間的集卡備用車道上;4～6號高架滑觸線單線長度為1 980 m，覆蓋1～6號堆場，立塔分布在第7道與第D道之間的集卡備用車道上。單條高架滑觸線每側6臺輪胎吊，共可掛用12臺輪胎吊;6條高架滑觸線貫穿12個箱區，局部4個箱區可同時容納12臺輪胎吊作業。港吉場地每條高架滑觸線安排4～6臺“油改電”輪胎吊，整個場地安排 8臺柴油發動機輪胎吊。
　　1.2 遠東場地設備配置及作業情況
　　由圖3可見：遠東場地設有3個堆場（7～9號堆場）、10條高架滑觸線（1～10號）和62臺輪胎吊。1～10號高架滑觸線單線長1 060 m，覆蓋7～9號堆場，立塔分布在第1道與第K道之間的備用集卡車道上。單條高架滑觸線每側4臺輪胎吊，共可掛用8臺輪胎吊;10條高架滑觸線貫穿20個箱區，局部4個箱區可同時容納8臺輪胎吊作業。遠東場地每條高架滑觸線安排3臺“油改電”輪胎吊，整個場地安排16臺柴油發動機輪胎吊。
　　2 “油改電”輪胎吊轉場作業存在的問題
　?。?）無法自主轉場?！坝透碾姟陛喬サ蹩梢匝赝粭l高架滑觸線路來回作業，但無法從一條線路自主轉場到另一條線路?！坝透碾姟陛喬サ蹀D場時，需要輪胎吊司機先到操作室平臺側手動拉下高架滑觸線集電桿并放至指定位置，再爬樓梯到輪胎吊發動機平臺啟動柴油發動機，使輪胎吊完成轉場;轉場作業完成后，需要人工掛上高架滑觸線集電桿，切換至高架滑觸線作業模式。
　　（2）人工切換作業模式存在安全隱患。“油改電”輪胎吊轉場時人工切換作業模式工序復雜，司機不僅需要上下樓梯，而且要執行拉集電桿、掛滑觸線等操作，面臨一定不安全因素。此外，惡劣天氣會增加人工切換作業模式的危險性。
　　3 “油改電”輪胎吊轉場作業解決方案
　　鑒于“油改電”輪胎吊人工切換轉場作業模式的不安全性，有必要將人工切換作業模式轉變為自動切換作業模式。為了實現上述目標，安排指定輪胎吊轉場作業。港吉場地安排R12、R14、R24、R43、R65、R66、R67和R68等8臺輪胎吊完成轉場和日常作業（見圖2）。遠東場地安排RT1、RT4、RT5、 RT13、RT17等16臺輪胎吊完成轉場和日常作業（見圖3）;“油改電”輪胎吊掛靠1～10號高架滑觸線，每條線路掛靠3臺“油改電”輪胎吊，高架滑觸線橫跨7～9號堆場，縱向覆蓋2個箱區和4條車道;4個箱區內同時有6臺輪胎吊進行裝卸作業。指定轉場輪胎吊主要分為400 kW柴油發動機輪胎吊、300 kW混合動力輪胎吊和120 kW混合動力輪胎吊。
　　3.1 400 kW柴油發動機輪胎吊
　　400 kW柴油發動機輪胎吊的動力由安裝在設備本體的柴油發動機組提供，發電機組空載或輕載運行時間較長，有效功率較低;負載從高處到低處產生的勢能通過制動電阻消耗，能量浪費較大。圖2中港吉場地用于轉場的400 kW柴油發動機輪胎吊為R12、R14、R24和R43，圖3中遠東場地用于轉場的400 kW柴油發動機輪胎吊為RT1、RT4、RT5、 RT13、RT17、RT18、RT21、RT22、RT23、RT24、RT25、RT26、RT30、RT32、RT35和RT36。
　　3.2 300 kW混合動力輪胎吊
　　混合動力輪胎吊的混合動力裝置由柴油發動機組、可控整流單元模塊、DC-DC轉換器、電池儲能單元、電池智能管理系統、DC-AC逆變器等組成。在混合動力輪胎吊運行過程中，電氣控制系統可編程邏輯控制器收到電池智能管理系統發出的電池電量低的信號后，立即啟動柴油發動機組;收到柴油發動機組正常運行的信號后，啟動DC-AC整流器和DC-DC轉換器，對電池組充電;收到電池智能管理系統發出的電池電量高的信號后，停止DC-AC整流器和柴油發動機組工作?；旌蟿恿ο到y能夠實現輪胎吊全天候作業，并能通過能量回饋儲存、發動機組控制等方法有效降低能耗。圖2中港吉場地用于轉場的300 kW混合動力輪胎吊有R65、R66、R67和R68。
　　3.3 120 kW混合動力輪胎吊
　　在保持常規輪胎吊原有功能的基礎上，將柴油發動機組改成120 kW柴油發動機組，并使其可自動為鋰電池儲能單元充電。同時，對原供電系統進行“發動機組+鋰電池組”系統改造，使輪胎吊在混合動力狀態下能正常工作，并且在滿載情況下能夠同時起動起升機構和小車機構以最高速度加速至全速運行，在實現輪胎吊全天候作業的同時，還能通過能量回饋儲存、發動機組控制等方式有效降低能耗。圖3中遠東場地用于轉場的混合動力輪胎吊為RT25和RT26。 　　4 “油改電”輪胎吊轉場作業解決方案比較
　　4.1 指定轉場輪胎吊作業空閑時間比較
　　2018年7―8月穿山港區指定轉場輪胎吊作業數據見表1。按照指定轉場輪胎吊的類型，整理同時期各類指定轉場輪胎吊的平均作業數據（見表2）。
　　由表2可見，400 kW柴油發動機輪胎吊的空閑時間較長，不同作業場地此類輪胎吊的平均空閑時間不同：港吉場地400 kW柴油發動機輪胎吊的平均空閑時間占發動機平均運行時間的52.30%，而遠東場地同類輪胎吊的空閑時間占發動機平均運行時間的61.67%。相比之下，300 kW混合動力輪胎吊的空閑時間相對較短，其中，R68的空閑時間為 16 h，占發動機運行時間的 2.76%，其原因是：部分裝卸作業是在發動機停止運行的情況下靠鋰電池儲存的電能完成的，而電能是由輪胎吊下降過程中產生的勢能轉換而來的。港吉場地300 kW混合動力輪胎吊的平均空閑時間占發動機平均運行時間的8.13%。由于120 kW混合動力輪胎吊部分裝卸作業也是在發動機停止運行的情況下靠鋰電池儲存的電能完成的，與400 kW柴油發動機輪胎吊相比，前者的空閑時間相對較短;而由于混合動力輪胎吊的功率較小，與300 kW混合動力輪胎吊相比，前者的空閑時間相對較長。遠東場地120 kW混合動力輪胎吊的平均空閑時間占發動機平均運行時間的57.87%。
　　4.2 指定轉場輪胎吊油耗和成本比較
　　按照指定轉場輪胎吊的類型，整理2018年7―8月各類指定轉場輪胎吊的平均油耗和單箱成本等數據（見表3）。
　　由表3可見，400 kW柴油發動機輪胎吊的單箱油耗和單箱成本較高，不同作業場地此類輪胎吊的平均單箱油耗和單箱成本不同：港吉場地400 kW柴油發動機輪胎吊的平均單箱油耗為0.92 kg/TEU，遠東場地同類輪胎吊的平均單箱油耗為1.30 kg/TEU，港吉場地400 kW柴油發動機輪胎吊的平均單箱油耗是遠東場地的70.76%。從平均單箱成本來看，港吉場地400 kW柴油發動機輪胎吊的平均單箱成本為6.67元/TEU，遠東場地同類輪胎吊的平均單箱成本為9.47元/TEU，兩者相差2.80元/TEU。港吉場地400 kW柴油發動機輪胎吊平均單箱油耗和單箱成本比遠東場地低的原因是：港吉場地高架滑觸線線路橫向距離較長而縱向距離較短，輪胎吊轉向次數少于遠東場地。
　　與400 kW柴油發動機輪胎吊相比，300 kW混合動力輪胎吊的單箱油耗和單箱成本較低：港吉場地300 kW混合動力輪胎吊的平均單箱油耗為0.64 kg/TEU，比該場地400 kW柴油發動機輪胎吊的平均單箱油耗（0.92 kg/TEU）少 0.28 kg/TEU;300 kW混合動力輪胎吊的平均單箱成本是4.65元/TEU，僅為該場地400 kW柴油發動機輪胎吊平均單箱成本（6.67元/TEU）的69.71%。
　　遠東場地120 kW混合動力輪胎吊的平均單箱油耗為0.60 kg/TEU，比該場地400 kW柴油發動機輪胎吊的平均單箱油耗（1.30 kg/TEU）少0.70 kg/TEU;120 kW混合動力輪胎吊的平均單箱成本是4.36元/TEU，僅為該場地400 kW柴油發動機輪胎吊平均單箱成本（9.47元/TEU）的46.04%。
　　4.3 指定轉場輪胎吊作業噪聲比較
　　300 kW混合動力輪胎吊發動機間斷性工作，且功率和運行時間均不及400 kW柴油發動機輪胎吊;因此，其作業噪聲小于400 kW柴油發動機輪胎吊。由于120 kW混合動力輪胎吊的功率最小，其作業噪聲是三者中最小的。
　　5 結束語
　　北三集司通過從柴油發動機輪胎吊到混合動力輪胎吊、從大功率輪胎吊到小功率輪胎吊的不斷應用和實踐，開發多個“油改電”輪胎吊轉場作業方案。經實踐驗證：400 kW柴油發動機輪胎吊轉場作業空閑時間長，油耗大且成本高;300 kW混動動力輪胎吊可實現油電自動切換作業模式，轉場綜合性能優于柴油發動機輪胎吊;120 kW混合動力輪胎吊也可實現油電自動切換作業模式，且轉場作業空閑時間較短，節能效果好，噪聲污染小，值得進一步推廣應用。目前，寧波舟山港穿山港區新增10臺小功率混合動力輪胎吊，用于不同箱區的轉場作業，在為輪胎吊司機提供安全、便利的工作環境的同時，進一步促進港區節能降耗。
　?。ň庉嫞翰芾颦?收稿日期：2019-01-28）
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