试论“港口起重机位能负载能量回收及自循环利用管理系统”在港口生产中的应用

一、前言

在港口装卸生产中起重设备占有非常重要的地位。无论是码头前沿还是后方堆场的装卸作业中都少不了起重机的参与。特别是码头装卸船舶作业中起重机是必不可少的一个节点，起重机工作效率的高低直接影响着生产作业的效率。在生产成本中起重机的能耗控制一直以来也是港口降本增效主抓的重点，因此，根据起重机的自身工作结构特点把“起重机位能负载能量回收及自循环利用管理系统”应用到营口港口的起重机上，一方面可以尽量降低起重机工作能耗，另一方面也是积极响应国家正在开展的绿色港口建设工程要求加快推进绿色循环低碳交通运输体系工作。

二、开展绿色港口建设的背景及意义

（一）开展绿色港口建设的背景：根据2011年国家交通运输部发布的《关于印发<建设低碳交通运输体系指导意见>和<建设低碳交通运输体系试点工作方案>的通知》提出“建设低碳交通运输体系是加快推进现代交通运输业发展的重要主题，要努力建设资源节约型、环境友好型行业，加快建立以低碳为特征的交通运输体系”。2011年4月发布的《交通运输“十二五”发展规划》明确指出“必须树立绿色、低碳发展理念，以节能减排为重点，加快形成资源节约、环境友好的交通发展方式和消费模式，构建绿色交通运输体系，实现交通运输发展与资源环境的和谐统一”。

（二）开展绿色港口建设的意义主要是：1.提升港口在沿海港口群中的竞争力，促进港口转型发展的需要；2.与营口港在全国港口中的地位相匹配；3.在一定程度上可以减轻节能减排指标考核的压力。4.有利于促进全港的能源管理体系健全，为争创绿色港口打下坚实的基础。

三、起重机位能负载能量回收及自循环利用管理系统的应用

港口生产中起重设备占主角，能源消耗也占有非常大的比例，所以科学合理管控起重设备的能耗对创建绿色港口和循环利用能源是非常重要的。

（一）营口港现用的港口起重机设备的种类、工作及能源消耗方式

营口港现在使用的起重机设备主要是以MQ型（移动式）门机为主，后方堆场使用的起重机主要是移动式龙门吊和轮胎起重机。额定起重量范围从25t至45t不等。起重机动力源大都采用电网电能驱动，起重机主要是由起升机构、变幅机构、回转机构、行走机构、臂架系统、电气系统及安全保护装置等部分组成。起重机能正常工作都是在电网电能的驱动下，转换成运动构件的机械能，多余的电能通过换热电阻或机械构件发热散发掉了。

（二）本管理系统应用的背景

主要有两方面原因：一个是根据营口港建设绿色港口发展循环低碳项目的需要，二是由于港口装卸要求起重设备作业速率快、能耗低、货物在场地堆存周期短。通过统计相关的数据，可以明显看出机械公司单吨电能消耗每年成本约在0.15元左右，按照当年实现起运吨的量计算每年的电费都在700万元左右，这仅是固机并没有把流动机械的耗油成本统计在内。

（三）本系统的工作原理

目前起重机主要使用两种能量源：电网电能及内燃机驱动的发电机组。传统的起重机由电网电能或内燃机驱动的发电机组提供能量，通过传动系统，将能量转化成为执行机构的动能，执行机构实现物品的提升从而将动能转化成为物品的势能；当物品下降时，物品释放的势能转化成为执行机构的动能，通过电机制动与机械制动转化成为热能，由制动器或电阻消耗掉。传统起重机作业时，物品下降释放的能量作为“无效能量”绝大部分以热能的形式被消耗，导致能源的浪费。我们研发的”起重机位能负载能量回收及自循环利用管理系统”。通过优化起重机作业时的能量转换关系，实现了“无效能量”的回收、利用。

将驱动工作机构的电机由单一电机拆分为主电机与组态电机（辅助电机）。主电机与组态电机共同组成同轴双枢电动机，其中，主电机由电网电能或发电机组提供电源，组态电机由储能单元提供电源。当重物上升时，由主电机和组态电机共同提供电能；当重物下降释放能量时，由组态电机提供制动力矩，组态电机将重物下降回馈的能量（“无效能量”）转换为电能由储能单元吸收，在起重机下一循环起升作业时作为驱动组态电机的能量释放出来，与主电机共同提升货物，实现能量的回收、利用。考虑系统能量转换效率、起重机载荷及工况的随机性，根据储能单元的状态，系统设置有辅助充电系统，适时为储能单元补充能量，以保证起重机正常稳定运行。

（四）本系统的核心技术及创新点

本系统的核心技术在于有效地、最大限度地实现起重机位能负载能量的回收并在起重机任何复杂的工况下能够适时实现高效率地能量转换。我们通过以下创新完全掌握了以上核心技术：

1.采用位能负载能量回收管理系统实现能量的智能化管理

起重机械是一种循环、间歇运动的机械，用来垂直升降货物或兼作货物的水平移动，以满足货物的装卸、转载和安装等作业要求。当货物上升时，工作机构的电动机需从电网或燃油发电机组吸收能量，将电能转换成机械能，实现货物垂直方向的位移，最终将能量转换成为货物的位能；货物下降时释放位能，采用燃油发电机组作为原动力的传统起重机，由于其能量的转换不具备可逆性（燃油可通过发电机组转换为电能，而回馈的电能不可能转换成为燃油），是将货物下降过程和电机制动的能量转变成热能，消耗在电阻或制动器上，既浪费了能源，又增加了维护成本，还缩短了机构传动的零部件寿命，且具有噪音大、振动大等缺点；当采用外接电网作为原动力时，货物下降过程的能量回收可采用逆变方式直接回馈到电网，但节能效果难以体现在同一设备上，且谐波污染不同程度的降低了供电质量并影响供电装置的稳定性，严重的还会影响到起重设备的正常使用。另外，即使采用具备能量回馈功能的控制装置，也必须满足最大拖动功率要求，因此，无论是否具有能量回馈功能，起重设备从电网吸收的能量是相同的，再之具备能量回馈功能的装置成本高，营运成本居高不下，技术维护困难等，因此限制了它的应用。位能负载能量回收管理系统，是将货物释放的位能转换成电能储存在储能单元，当货物上升时，储能单元为同一工作机构同轴双枢电机提供电源，实现位能能量的自循环再利用，以达到节能降耗的目的。当起重机采用燃油发电机组作为原动力时，该系统解决了其能量转换不可逆的问题，当起重机采用外接电网作为原动力时，位能能量回馈与电网无关，从而消除了谐波污染对电网与设备产生的不利影响；采用位能负载能量回收管理系统时，节能效果体现在同一设备上，经过理论研究统计结果，位能负载能量回收效率为37%～63%，同时我们还在港口设备上进行了实际应用，大量的试验证明实际能量回收效率为50%以上，验证了理论研究的正确性。当起重机采用燃油发电机组作为原动力时，原动机功率可减小40%，不仅降低了原动机油耗，还提高了原动机的能量转换效率，减小了有害气体的排放及噪音污染；当起重机采用外接电网作为原动力时，起重机输入功率可降低40%，有效降低了能源消耗。

2.采用同轴双枢电机驱动技术实现能量的高效率转换

在”起重机位能负载能量回收及自循环利用管理系统”中，起重机各工作机构均采用同轴双枢电机复合驱动，同轴双枢电机由主电机和组态电机组成，主电机额定功率只有工作机构净功率的66%，组态电机额定功率为机构净功率的50%；一般而言，电动机在空载或轻负载时，其转换效率极低，只有20%～30%，效率随着负载的增加而增加，在额定负载附近，效率达到最高，一般满载时的效率可到75%～92%；对于传统起重机，电机功率均应满足极端工况下工作机构净功率的要求，而在起重机实际作业工况中，由于负载的随机性，电动机往往工作在效率较低的区间；采用同轴双枢电机复合驱动，既保证了非额定负荷主电动机的高效运行，又满足了起重机的极端工况要求。而在货物下降时，其释放的能量完全依靠组态电机实现转换，从而保证了能量转换效率，根据我们的试验数据，其能量转换效率达到80%以上。

3.各工作机构均采用组态电机实现能量的重复利用

在“起重机位能负载能量回收及自循环利用管理系统”中，各工作机构采用组态电机实现能量的回收与重复利用；组态电机一般采用直流串励电动机，利用直流串励电动机良好的负荷自适应性能，可实现组态电动机与主电动机不同形式的组合，主电机可以是直流电动机，也可以是交流电动机，通过控制系统，保证组态电机与主电机的高效自适应复合驱动，因此极大的拓展了“起重机位能负载能量回收及自循环利用管理系统”应用范围，该系统既可方便的应用于现有起重机的节能改造，又能与新开发的起重机控制系统进行融合与对接。

四、该应用系统存在的问题及改进方法

目前“起重机位能负载能量回收及自循环利用管理系统”中能量储存单元的材料主要是选用超级电容，其工作可靠性、稳定性及耐用性均能满足使用要求。但仍存在以下问题需改进：

由于超级电容在国内仍属电子新产品，国内能生产的厂家不多，目前价格昂贵。如配置到一台30吨港口轮胎式起重机上，将使这种型号的起重机采购成本增加15万元，整机价格提升约10%。如果配置到节能改造的旧机型上其采购成本与设备净值的比值将会更高。这些原因都是项目成果推广转换的不利因素。解决问题的办法除了寄希望超级电容象大部分电子产品一样，更新换代较快降价幅度大。但目前主要还是希望政府在政策上予以扶持，项目成果推广后节能效果十分显著，如国家对绿色港口建设给予资金补贴，将会极大地调动能源消耗大的企业积极投入资金研发节能设备。