集装箱码头“油改电”轮胎吊转场作业解决方案

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　　2007―2014年，宁波港集团北仑第三集装箱有限公司（以下简称“北三集司”）积极响应国家节能减排、创建绿色环保港口的号召，陆续完成旗下港区（宁波舟山港穿山港区）轮胎吊“油改电”，总共架设16条高架滑触线。“油改电”轮胎吊有助于降低作业成本和减少污染物排放，经济效益和社会效益明显;但由于“油改电”轮胎吊只能直线运行，转场时仍需要柴油发动机提供动力。本文以宁波舟山港穿山港区为例，提出多种“油改电”轮胎吊转场作业解决方案并进行比较，以期为集装箱码头“油改电”轮胎吊转场作业优化提供借鉴。宁波舟山港穿山港区原分属宁波港吉码头经营有限公司（以下简称“港吉”）、宁波意宁码头经营有限公司（以下简称“意宁”）、宁波远东码头经营有限公司（以下简称“远东”）和北三集司，现由北三集司统一运营管理。
　　1 穿山港区泊位、堆场及轮胎吊设备情况
　　穿山港区经一体化整合后，泊位配置更加合理，堆场利用率更高，靠泊能力和堆存能力明显提升。由图1可见：穿山港区共有10个泊位，单个泊位长约300 m;该港区共有11个堆场，0号堆场与1～6号堆场部分重合，7～9号堆场纵向长度较长，1～6号堆场纵向长度略短于7～9号堆场，10号泊位没有对应的堆场，11号堆场纵向长度较短。在轮胎吊设备方面：港吉场地有6条高架滑触线，配备72台轮胎吊;远东场地有10条高架滑触线，配备62台轮胎吊。
　　1.1    港吉场地设备配置及作业情况
　　由图2可见：港吉场地共有6个堆场（1～6号堆场）、6条高架滑触线（1～6号）和72台轮胎吊。1～3号高架滑触线单线长度为2 260 m，覆盖0～6号堆场，立塔分布在第1道与第6道之间的集卡备用车道上;4～6号高架滑触线单线长度为1 980 m，覆盖1～6号堆场，立塔分布在第7道与第D道之间的集卡备用车道上。单条高架滑触线每侧6台轮胎吊，共可挂用12台轮胎吊;6条高架滑触线贯穿12个箱区，局部4个箱区可同时容纳12台轮胎吊作业。港吉场地每条高架滑触线安排4～6台“油改电”轮胎吊，整个场地安排 8台柴油发动机轮胎吊。
　　1.2 远东场地设备配置及作业情况
　　由图3可见：远东场地设有3个堆场（7～9号堆场）、10条高架滑触线（1～10号）和62台轮胎吊。1～10号高架滑触线单线长1 060 m，覆盖7～9号堆场，立塔分布在第1道与第K道之间的备用集卡车道上。单条高架滑触线每侧4台轮胎吊，共可挂用8台轮胎吊;10条高架滑触线贯穿20个箱区，局部4个箱区可同时容纳8台轮胎吊作业。远东场地每条高架滑触线安排3台“油改电”轮胎吊，整个场地安排16台柴油发动机轮胎吊。
　　2 “油改电”轮胎吊转场作业存在的问题
　　（1）无法自主转场。“油改电”轮胎吊可以沿同一条高架滑触线路来回作业，但无法从一条线路自主转场到另一条线路。“油改电”轮胎吊转场时，需要轮胎吊司机先到操作室平台侧手动拉下高架滑触线集电杆并放至指定位置，再爬楼梯到轮胎吊发动机平台启动柴油发动机，使轮胎吊完成转场;转场作业完成后，需要人工挂上高架滑触线集电杆，切换至高架滑触线作业模式。
　　（2）人工切换作业模式存在安全隐患。“油改电”轮胎吊转场时人工切换作业模式工序复杂，司机不仅需要上下楼梯，而且要执行拉集电杆、挂滑触线等操作，面临一定不安全因素。此外，恶劣天气会增加人工切换作业模式的危险性。
　　3 “油改电”轮胎吊转场作业解决方案
　　鉴于“油改电”轮胎吊人工切换转场作业模式的不安全性，有必要将人工切换作业模式转变为自动切换作业模式。为了实现上述目标，安排指定轮胎吊转场作业。港吉场地安排R12、R14、R24、R43、R65、R66、R67和R68等8台轮胎吊完成转场和日常作业（见图2）。远东场地安排RT1、RT4、RT5、 RT13、RT17等16台轮胎吊完成转场和日常作业（见图3）;“油改电”轮胎吊挂靠1～10号高架滑触线，每条线路挂靠3台“油改电”轮胎吊，高架滑触线横跨7～9号堆场，纵向覆盖2个箱区和4条车道;4个箱区内同时有6台轮胎吊进行装卸作业。指定转场轮胎吊主要分为400 kW柴油发动机轮胎吊、300 kW混合动力轮胎吊和120 kW混合动力轮胎吊。
　　3.1 400 kW柴油发动机轮胎吊
　　400 kW柴油发动机轮胎吊的动力由安装在设备本体的柴油发动机组提供，发电机组空载或轻载运行时间较长，有效功率较低;负载从高处到低处产生的势能通过制动电阻消耗，能量浪费较大。图2中港吉场地用于转场的400 kW柴油发动机轮胎吊为R12、R14、R24和R43，图3中远东场地用于转场的400 kW柴油发动机轮胎吊为RT1、RT4、RT5、 RT13、RT17、RT18、RT21、RT22、RT23、RT24、RT25、RT26、RT30、RT32、RT35和RT36。
　　3.2 300 kW混合动力轮胎吊
　　混合动力轮胎吊的混合动力装置由柴油发动机组、可控整流单元模块、DC-DC转换器、电池储能单元、电池智能管理系统、DC-AC逆变器等组成。在混合动力轮胎吊运行过程中，电气控制系统可编程逻辑控制器收到电池智能管理系统发出的电池电量低的信号后，立即启动柴油发动机组;收到柴油发动机组正常运行的信号后，启动DC-AC整流器和DC-DC转换器，对电池组充電;收到电池智能管理系统发出的电池电量高的信号后，停止DC-AC整流器和柴油发动机组工作。混合动力系统能够实现轮胎吊全天候作业，并能通过能量回馈储存、发动机组控制等方法有效降低能耗。图2中港吉场地用于转场的300 kW混合动力轮胎吊有R65、R66、R67和R68。
　　3.3 120 kW混合动力轮胎吊
　　在保持常规轮胎吊原有功能的基础上，将柴油发动机组改成120 kW柴油发动机组，并使其可自动为锂电池储能单元充电。同时，对原供电系统进行“发动机组+锂电池组”系统改造，使轮胎吊在混合动力状态下能正常工作，并且在满载情况下能够同时起动起升机构和小车机构以最高速度加速至全速运行，在实现轮胎吊全天候作业的同时，还能通过能量回馈储存、发动机组控制等方式有效降低能耗。图3中远东场地用于转场的混合动力轮胎吊为RT25和RT26。 　　4 “油改电”轮胎吊转场作业解决方案比较
　　4.1 指定转场轮胎吊作业空闲时间比较
　　2018年7―8月穿山港区指定转场轮胎吊作业数据见表1。按照指定转场轮胎吊的类型，整理同时期各类指定转场轮胎吊的平均作业数据（见表2）。
　　由表2可见，400 kW柴油发动机轮胎吊的空闲时间较长，不同作业场地此类轮胎吊的平均空闲时间不同：港吉场地400 kW柴油发动机轮胎吊的平均空闲时间占发动机平均运行时间的52.30%，而远东场地同类轮胎吊的空闲时间占发动机平均运行时间的61.67%。相比之下，300 kW混合动力轮胎吊的空闲时间相对较短，其中，R68的空闲时间为 16 h，占发动机运行时间的 2.76%，其原因是：部分装卸作业是在发动机停止运行的情况下靠锂电池储存的电能完成的，而电能是由轮胎吊下降过程中产生的势能转换而来的。港吉场地300 kW混合动力轮胎吊的平均空闲时间占发动机平均运行时间的8.13%。由于120 kW混合动力轮胎吊部分装卸作业也是在发动机停止运行的情况下靠锂电池储存的电能完成的，与400 kW柴油发动机轮胎吊相比，前者的空闲时间相对较短;而由于混合动力轮胎吊的功率较小，与300 kW混合动力轮胎吊相比，前者的空闲时间相对较长。远东场地120 kW混合动力轮胎吊的平均空闲时间占发动机平均运行时间的57.87%。
　　4.2 指定转场轮胎吊油耗和成本比较
　　按照指定转场轮胎吊的类型，整理2018年7―8月各类指定转场轮胎吊的平均油耗和单箱成本等数据（见表3）。
　　由表3可见，400 kW柴油发动机轮胎吊的单箱油耗和单箱成本较高，不同作业场地此类轮胎吊的平均单箱油耗和单箱成本不同：港吉场地400 kW柴油发动机轮胎吊的平均单箱油耗为0.92 kg/TEU，远东场地同类轮胎吊的平均单箱油耗为1.30 kg/TEU，港吉场地400 kW柴油发动机轮胎吊的平均单箱油耗是远东场地的70.76%。从平均单箱成本来看，港吉场地400 kW柴油发动机轮胎吊的平均单箱成本为6.67元/TEU，远东场地同类轮胎吊的平均单箱成本为9.47元/TEU，两者相差2.80元/TEU。港吉场地400 kW柴油发动机轮胎吊平均单箱油耗和单箱成本比远东场地低的原因是：港吉场地高架滑触线线路横向距离较长而纵向距离较短，轮胎吊转向次数少于远东场地。
　　与400 kW柴油发动机轮胎吊相比，300 kW混合动力轮胎吊的单箱油耗和单箱成本较低：港吉场地300 kW混合动力轮胎吊的平均单箱油耗为0.64 kg/TEU，比该场地400 kW柴油发动机轮胎吊的平均单箱油耗（0.92 kg/TEU）少 0.28 kg/TEU;300 kW混合动力轮胎吊的平均单箱成本是4.65元/TEU，仅为该场地400 kW柴油发动机轮胎吊平均单箱成本（6.67元/TEU）的69.71%。
　　远东场地120 kW混合动力轮胎吊的平均单箱油耗为0.60 kg/TEU，比该场地400 kW柴油发动机轮胎吊的平均单箱油耗（1.30 kg/TEU）少0.70 kg/TEU;120 kW混合动力轮胎吊的平均单箱成本是4.36元/TEU，仅为该场地400 kW柴油发动机轮胎吊平均单箱成本（9.47元/TEU）的46.04%。
　　4.3 指定转场轮胎吊作业噪声比较
　　300 kW混合动力轮胎吊发动机间断性工作，且功率和运行时间均不及400 kW柴油发动机轮胎吊;因此，其作业噪声小于400 kW柴油发动机轮胎吊。由于120 kW混合动力轮胎吊的功率最小，其作业噪声是三者中最小的。
　　5 结束语
　　北三集司通过从柴油发动机轮胎吊到混合动力轮胎吊、从大功率轮胎吊到小功率轮胎吊的不断应用和实践，开发多个“油改電”轮胎吊转场作业方案。经实践验证：400 kW柴油发动机轮胎吊转场作业空闲时间长，油耗大且成本高;300 kW混动动力轮胎吊可实现油电自动切换作业模式，转场综合性能优于柴油发动机轮胎吊;120 kW混合动力轮胎吊也可实现油电自动切换作业模式，且转场作业空闲时间较短，节能效果好，噪声污染小，值得进一步推广应用。目前，宁波舟山港穿山港区新增10台小功率混合动力轮胎吊，用于不同箱区的转场作业，在为轮胎吊司机提供安全、便利的工作环境的同时，进一步促进港区节能降耗。
　　（编辑：曹莉琼 收稿日期：2019-01-28）
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