本文針對港口集裝箱碼頭大量使用的RTG,，分析了適用的節(jié)能降耗技術(shù)，節(jié)能型RTG和電動RTG具有各自的優(yōu)缺點。節(jié)能型RTG在節(jié)能降耗的前提下，充分保留了RTG機(jī)動靈活的優(yōu)點；電動RTG則更著眼于節(jié)能降耗，運營成本低，環(huán)保效果好，但是轉(zhuǎn)場不便，而且要增加碼頭的電力基礎(chǔ)設(shè)施投資。因此，這就需要碼頭用戶和RTG制造商共同探討，根據(jù)各個集裝箱碼頭不同的使用環(huán)境和特點，提出適用的可行節(jié)能降耗方案。
1．引言

       輪胎式集裝箱門式起重機(jī)（RTG）是世界各大集裝箱專業(yè)化碼頭堆場的主力設(shè)備，它具有碼頭基礎(chǔ)的投資成本低、機(jī)動靈活可轉(zhuǎn)場作業(yè)、便于分期分批購置等優(yōu)點，一直受到廣大集裝箱作業(yè)碼頭的歡迎，在用數(shù)量占場橋總數(shù)量的85％左右。但是，傳統(tǒng)RTG由柴油發(fā)電機(jī)組驅(qū)動，能量轉(zhuǎn)換效率低、能耗大、成本高。同時RTG在作業(yè)時排放的廢氣黑煙和柴油機(jī)運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的巨大噪音以及柴油存放與使用中的環(huán)境污染也與日益嚴(yán)格的環(huán)保要求有一定距離。伴隨著近年來全球經(jīng)濟(jì)高速增長引起的以石油為代表的化石能源的日益短缺，國際油價不斷刷新歷史記錄，持續(xù)快速上漲，給各大擁有大量RTG的集裝箱碼頭的營運成本帶來了巨大的壓力。

       中國政府在“十一五”規(guī)劃中明確提出節(jié)能降耗和防污減排的目標(biāo)，具有非常重要的戰(zhàn)略意義。近年來，世界各大港口機(jī)械制造商和配套商都投入了研發(fā)力量試圖改進(jìn)傳統(tǒng)RTG的傳動技術(shù)。傳統(tǒng)RTG的節(jié)能降耗技術(shù)主要分為節(jié)能型RTG和電動RTG兩個研發(fā)方向。節(jié)能型RTG主要是采取提高柴油發(fā)電機(jī)組的能源利用效率和把RTG在下方重物和運行機(jī)構(gòu)制動時產(chǎn)生的再生回饋能量儲存起來加以利用等技術(shù)措施，通過提高整機(jī)能源利用率實現(xiàn)節(jié)能降耗。電動RTG就是“油改電”運行，RTG的工作所需電力不再使用柴油發(fā)電機(jī)組，而是取自碼頭堆場提供的廉價市電；同時，由于采用市電驅(qū)動，RTG工作時的再生反饋能量也可采用成熟的能量回饋技術(shù)，整機(jī)的能源利用率很高。下面，就這兩種已經(jīng)進(jìn)入實際工程應(yīng)用的RTG節(jié)能降耗技術(shù)作以詳細(xì)探討。
2．節(jié)能型RTG的技術(shù)分析

節(jié)能型RTG采用的主要技術(shù)有：

（1）提高柴油發(fā)電機(jī)組的能源利用效率。

        在普通RTG中，柴油機(jī)只有怠速與全速兩擋的工作速度：怠速用于待機(jī)工況；全速用于工作工況。由于RTG的系統(tǒng)載荷是變化的、非線性的，因此在載荷較輕時，柴油機(jī)一發(fā)電機(jī)組效率較低，造成能量浪費。柴油機(jī)特性決定了其在不同需求功率下有不同的經(jīng)濟(jì)油耗，如果能通過某種方式找出這條在不同功率下的經(jīng)濟(jì)油耗與轉(zhuǎn)速曲線，并對此進(jìn)行控制，將可以大大提高柴油機(jī)一發(fā)電機(jī)組的效率，取得很好的節(jié)能效果。

        目前，實用的工程技術(shù)是以西門子公司的ECO節(jié)能技術(shù)為代表的發(fā)動機(jī)速度調(diào)節(jié)方式。此技術(shù)的關(guān)鍵是根據(jù)RTG不同工況對功率需求的不同，改變柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整輸出功率，實現(xiàn)精確的動態(tài)功率管理，從而實現(xiàn)節(jié)省油耗降低成本，提高整機(jī)能源利用率。

（2）把RTG在下方重物和運行機(jī)構(gòu)制動時產(chǎn)生的再生回饋能量儲存起來加以利用。

        RTG的再生能量主要指的是起升機(jī)構(gòu)下降過程、大車和小車機(jī)構(gòu)減速過程中產(chǎn)生的再生能量，這部分能量占有整個運行循環(huán)的30％以上。由于再生能量無法回饋，普通RTG的做法是直接通過能耗電阻以發(fā)熱的形式白白消耗掉。對這部分能量進(jìn)行再利用，不僅可以節(jié)能，而且可以彌補起升機(jī)構(gòu)吊重載上升過程及各機(jī)構(gòu)突然加速時的突加功率需求，從而使發(fā)動機(jī)可以基本工作在非過載狀態(tài)，容易熄火的現(xiàn)象將基本不存在，這將有效地提高發(fā)動機(jī)的使用壽命并達(dá)到良好的環(huán)保效果。解決這個問題的關(guān)鍵是要有一套儲能和回饋裝置，能夠快速吸收再生能量，并在系統(tǒng)需要時能立即投入使用。

        目前，實用的工程技術(shù)是以超級電容和飛輪儲能系統(tǒng)為代表的能量存儲與回饋方式。利用超級電容的能量存儲與回饋方式的典型代表是振華港機(jī)的綠色RTG，利用飛輪儲能系統(tǒng)的能量存儲與回饋方式的代表是VYCON公司的飛輪節(jié)能系統(tǒng)。

        超級電容的原理并非新技術(shù)，常見的超級電容大多是雙電層結(jié)構(gòu)，同電解電容器相比，這種超級電容能量密度和功率密度都非常高。同傳統(tǒng)的電容器和二次電池相比，超級電容儲存電荷的能力比普通電容器高，并具有充放電速度快、效率高、對環(huán)境無污染、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍寬、安全性高等特點。 隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對于綠色能源和生態(tài)環(huán)境越來越關(guān)注，超級電容器作為一種新型的儲能器件,因為其無可替代的優(yōu)越性，越來越受到人們的重視。在最近幾年中，超級電容器已經(jīng)開始進(jìn)入很多應(yīng)用領(lǐng)域，如消費電子、工業(yè)和交通運輸業(yè)等領(lǐng)域。

         當(dāng)然，上述兩類技術(shù)不是孤立的，可以結(jié)合起來使用，節(jié)能降耗的效果會更加明顯。下面就市場上出現(xiàn)的幾種新型節(jié)能型RTG作以簡要介紹。

2．1 Siemens的經(jīng)濟(jì)節(jié)能型RTG(ECO－RTG)

        ECO－RTG與普通型RTG最大的不同在于它的柴油發(fā)電機(jī)組。它運用最新的驅(qū)動技術(shù)，在達(dá)到普通型RTG操作效率的基礎(chǔ)上，最大限度地降低柴油機(jī)油耗。Siemens針對RTG的控制要求，研發(fā)了節(jié)能機(jī)型RTG(ECO－RTG)，相對于普通RTG，它有幾個關(guān)鍵技術(shù)特點：① 增速齒輪箱；② 水冷高速同步永磁發(fā)電機(jī)；③ 水冷式變頻器及其配套電氣元器件；④ DICO發(fā)動機(jī)控制裝置。其原理體現(xiàn)了系統(tǒng)功率和能量需求的綜合管理，它基于成熟的已市場化的汽車行業(yè)成功應(yīng)用的混合動力電氣驅(qū)動技術(shù)。ECO —RTG通過所有元件準(zhǔn)確的動態(tài)功率管理、發(fā)動機(jī)待機(jī)控制，發(fā)動機(jī)的輸出功率由電動機(jī)消耗功率直接控制，且控制系統(tǒng)無延遲，從而使發(fā)動機(jī)總是處于最佳運行區(qū)域或怠速狀態(tài)。

       普通RTG啟動柴油機(jī)后，就始終保持在全速運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，即使不進(jìn)行吊箱作業(yè)也要浪費一部分能量，而ECO－RTG采用兩臺單機(jī)容量180KW的新型發(fā)電機(jī)，在柴油機(jī)怠速的情況下，就能滿足RTG輔助功能的用電需求。當(dāng)RTG進(jìn)行吊箱作業(yè)時，控制系統(tǒng)根據(jù)實際的負(fù)荷大小調(diào)整并優(yōu)化發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其工作在高效運轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)，具體如下：操作主令手柄將給定的速度傳遞給PLC，PLC根據(jù)速度和負(fù)載情況，將需要的電流、功率等信息傳遞給柴油機(jī)控制PLC，柴油機(jī)控制PLC相應(yīng)地提高柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，從而提高發(fā)電機(jī)輸出功率以滿足機(jī)構(gòu)動作的需要。當(dāng)一個機(jī)構(gòu)動作結(jié)束后，柴油機(jī)馬上由高速狀態(tài)切換到怠速狀態(tài)，響應(yīng)時間不會超過2秒鐘。ECO－RTG的節(jié)能關(guān)鍵在于能夠根據(jù)負(fù)載的大小，調(diào)整柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，在滿足RTG功率需求的同時，最大程度地減少能源浪費。

        根據(jù)西門子公司發(fā)布的測試結(jié)果（數(shù)據(jù)來源：馬士基西班牙Algeciras]，在系統(tǒng)無超級電容的情況下，對比油料消耗測量值，可節(jié)約柴油48%~50%；在系統(tǒng)加裝超級電容的情況下，對比油料消耗測量值，可節(jié)約柴油69%~70%。國內(nèi)的廈門嵩嶼集裝箱碼頭已有新型ECO-RTG在2007年投入實際使用，從現(xiàn)場反映的情況看，節(jié)能環(huán)保效果明顯。

       從實際應(yīng)用看，如對普通的RTG進(jìn)行技術(shù)改造，需要從發(fā)電機(jī)組至控制元器件整套更新，整機(jī)改造范圍大，費用高。此項技術(shù)主要應(yīng)用于港口機(jī)械制造商研發(fā)的新產(chǎn)品。

2．2 TM GE—RTG

       TM GE(東芝、三菱、通用電氣)，針對RTG的節(jié)能控制要求，研發(fā)了獨特的節(jié)能電控系統(tǒng)Fuel Efficient-RTG。該系統(tǒng)既可應(yīng)用于新采購的RTG，也可用于舊RTG的電控系統(tǒng)改造，適用范圍廣。它的主要設(shè)計理念是通過合理地改變柴油發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到經(jīng)濟(jì)提供電源的目的。該系統(tǒng)關(guān)鍵的技術(shù)特點如下：① 可變速發(fā)動機(jī)；② 變流器；③ 逆變器；④ 超級電容和DC／DC變換器。

        該系統(tǒng)中增加了逆變器、變流器，同時也改變了原來發(fā)動機(jī)的恒速要求。整套系統(tǒng)的設(shè)計僅對直流母線進(jìn)行了處理，對于直流母線以下的電機(jī)控制均沒有任何變化。因此，它保持了原RTG的控制模式，使原有的優(yōu)良特性得到繼承。

        可變速發(fā)動機(jī)對于可變速柴油發(fā)動機(jī)的精確調(diào)速控制是TM GE—RTG系統(tǒng)的精髓。當(dāng)RTG載荷需求功率較小時，可通過使發(fā)動機(jī)工作在額定速度以下，達(dá)到降低柴油的消耗、噪音和維護(hù)成本的目的。TM GE—RTG系統(tǒng)根據(jù)速度和電流測量值，計算出實際需要的轉(zhuǎn)矩，再經(jīng)過柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換，確定柴油機(jī)的噴油量。由于負(fù)載電流的變化非常迅速，突加突降負(fù)載給發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化提出很高的要求。實踐證明，采用電噴的可變速發(fā)動機(jī)完全能夠滿足要求。

        DC—DC變換器是變頻器直流母線和超級電容之間的電能轉(zhuǎn)換裝置。當(dāng)RTG的起升機(jī)構(gòu)下降、大車和小車機(jī)構(gòu)減速時，電動機(jī)會向直流母線上回饋電能。直流母線電壓升高到一定限值時，DC—DC變換器可以將電能注入到超級電容。當(dāng)母線電壓下降，系統(tǒng)中需要電能補給時，超級電容中的能量能適時的進(jìn)行補充；能量不足時，可以由可調(diào)速發(fā)電機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步注入能量。在重物下降結(jié)束后，超級電容會積聚充足的能量。同時，如果長時間待機(jī)，由于發(fā)動機(jī)同樣有多余的能量輸出，也可以由DC—DC變換器注入到超級電容。

Fuel Efficient RTG理想狀態(tài)的節(jié)能效率可以達(dá)到30％左右。TM GE還提供