油電混合動力輪胎吊應用

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　　輪胎式集裝箱龍門起重機（以下簡稱“輪胎吊”）是專業化集裝箱碼頭堆場的主力設備，其在用數量占在用場橋總數量的85%左右。與軌道吊相比，輪胎吊具有價格較低和機動性較強的優勢，因而受到各大集裝箱碼頭的青睞。按照供能方式的不同，輪胎吊分為市電輪胎吊、柴油發動機輪胎吊和油電混合動力輪胎吊。市電輪胎吊通過電纜卷盤或滑觸線供電，使用成本較低;但其機動性較差，不能滿足轉場作業需求。柴油發動機輪胎吊由設備自帶的柴油發動機帶動發電機組為設備供電，轉場機動性較強;但為了滿足輪胎吊起升、小車、大車等機構滿載運行時的峰值功率，需要配置大功率柴油發動機，使得其使用成本高昂。一方面，在實際作業過程中，輪胎吊很少全功率運行，小車和大車的實際運行功率僅70～90 kW，同時起升吊箱也不會經常滿載，這使得柴油發動機輪胎吊在實際運行過程中功率過剩，從而產生能源浪費;另一方面，柴油發動機無法回收起升機構下降和各機構減速過程中的多余能耗，這使得輪胎吊排放超標。在此背景下，油電混合動力輪胎吊應運而生，有效避免市電輪胎吊機動性差和柴油發動機輪胎吊能耗高、污染大等問題，具有較高的推廣應用價值。
　　1 油電混合動力輪胎吊結構
　　油電混合動力輪胎吊配備超級電容、飛輪或蓄電池等儲能單元，遵循能量守恒定律，利用能量反饋回收機制給儲能單元蓄電，以儲能單元中的電能為動力來源，節能效果十分明顯。[1]本文涉及的油電混合動力輪胎吊配備安川電控系統和東芝鋰電池儲能裝置。與柴油發動機輪胎吊相比，油電混合動力輪胎吊增設電池房。電池房內裝配3組共135 A h東芝鋰電池組、安川D1000整流器、恒壓恒頻逆變器、濾波器及可編程邏輯控制器模塊等。鋰電池組由23個Type3-23電池模塊串聯組成，提供660 V直流電壓;每個電池模塊有獨立的通信接口，以便將電池狀態反饋給電控系統。此外，油電混合動力輪胎吊配備東風康明斯120 kW柴油發動機來替代傳統柴油發動機輪胎吊的大功率柴油發動機，同時配備較小功率發電機，發電機輸出功率為106 kW。
　　2 油電混合動力輪胎吊工作原理
　　油電混合動力輪胎吊鋰電池系統供電方式如下：鋰電池系統將直流電源供給電控系統，并將逆變后的、50 Hz交流電源供給輔助系統。120 kW柴油發動機帶動106 kW發電機輸出400 V、50 Hz交流電源為鋰電池充電，并配合發動機啟停技術，將鋰電池電量控制在額定電量的43%～74%（該范圍內電池工作效率最高）。油電混合動力輪胎吊鋰電池系統充電過程如下：發動機啟動后，即開始為鋰電池充電;當鋰電池電量達到額定電量的74%時，電控系統發出指令使發動機停止運行，輪胎吊待機和作業電能均由鋰電池提供;當鋰電池電量消耗至額定電量的43%時，電控系統發出指令重新啟動發動機帶動發電機輸出電能;電能通過濾波器后由安川D1000整流器輸出660 V直流電為鋰電池充電。
　　輪胎吊待機時的耗能狀態與工作時的耗能狀態有所不同。在輪胎吊待機狀態下：鋰電池輸出660 V直流電源，并由安川恒壓恒頻逆變器將其逆變為440 V、50 Hz交流電源供給變壓器;變壓器輸出220 V或110 V交流電源供電氣元件和可編程邏輯控制器電控系統使用。上述過程中，恒壓恒頻逆變器輸出恒壓恒頻電源，配合蓄電池構成不間斷電源或應急電源，以防突然斷電。在輪胎吊工作狀態下，鋰電池在輸出660 V直流電源的同時接入直流母線，供起升、小車和大車機構變頻器使用，并通過變頻器控制電機運轉，由電機將電能轉化為動能驅動起升、小車和大車機構運行;當各機構需要減速至停止時，電機將各機構的動能和勢能轉化為電能反饋至直流母線，并為鋰電池充電。輪胎吊的使用功率由鋰電池控制，從而保證柴油發動機運行功率相對穩定，有利于延長柴油發動機使用壽命。[2]
　　柴油發動機與鋰電池組合動力系統具有很高的靈活性：當柴油發動機發生故障時，可以由鋰電池為電控系統和電機供電;當鋰電池發生故障時，可以由柴油發動機帶動發電機組供電，或者由3組鋰電池中工作正常的鋰電池供電。總之，安川電控系統和東芝鋰電池儲能裝置能夠確保輪胎吊邊作業邊充電，在應急情況下能保證輪胎吊移機的方便性，避免延誤碼頭作業。
　　3 油電混合動力輪胎吊的優點與經濟效益
　　油電混合動力輪胎吊具有以下優點：（1）作業靈活性較強，轉場方便，只需配備1名司機就能在多個堆場作業，從而大大節省作業時間和人工成本;（2）作業噪聲比柴油發動機輪胎吊小，有利于維護良好的堆場周邊生活環境;（3）在發動機發生故障的情況下，可以依靠鋰電池儲存的電能減速運行至空閑場地進行維修，從而保障碼頭作業效率;（4）氮氧化物等污染物排放明顯減少，有助于打造綠色環保碼頭;（5）經濟效益明顯，每年比傳統柴油發動機輪胎吊節省能源成本37萬元左右（見圖1）。
　　4 油電混合動力輪胎吊日常維護
　　與柴油發動機輪胎吊相比，油電混合動力輪胎吊增設電池房。電池房內的鋰電池對工作溫度有一定要求;因此，電池房內的空調需要長時間工作，確保室內溫度保持在18～26℃。如果電池房內溫度過高，則會加速鋰電池老化，且電池房內的整流器和逆變器在過溫環境下會停止運行，導致設備故障;如果電池房內溫度過低，則會降低鋰電池效率，且低溫會導致水汽凝結，嚴重影響元器件使用壽命。除了須定期檢查空調外，熱感滅火器也是定期維護項目之一（見表1），以確保設備和碼頭消防安全。此外，電氣設備和發動機也應列入輪胎吊日常維保項目，尤其是需要按照康明斯發動機保養手冊定期更換機油和濾芯。在定期巡檢過程中，維保人員需要做好設備維保記錄。
　　5 結束語
　　與傳統柴油發動機輪胎吊相比，油電混合動力輪胎吊在低碳環保、降本增效方面的優勢明顯;與市電輪胎吊相比，油電混合動力輪胎吊的機動性更強，符合碼頭作業需要?？梢灶A見，未來油電混合動力輪胎吊應用前景廣闊。
　　參考文獻：
　　[1] 顧辰辰.論鋰電池在輪胎吊上的應用[J].工業C，2016（11）：126-127.
　　[2] 劉宗仁. 鋰電池在集裝箱輪胎吊上的節能研究[J]. 科學與財富，2018（3）：92.
　　（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2019-03-25）
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