油电混合动力轮胎吊应用

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　　轮胎式集装箱龙门起重机（以下简称“轮胎吊”）是专业化集装箱码头堆场的主力设备，其在用数量占在用场桥总数量的85%左右。与轨道吊相比，轮胎吊具有价格较低和机动性较强的优势，因而受到各大集装箱码头的青睐。按照供能方式的不同，轮胎吊分为市电轮胎吊、柴油发动机轮胎吊和油电混合动力轮胎吊。市电轮胎吊通过电缆卷盘或滑触线供电，使用成本较低;但其机动性较差，不能满足转场作业需求。柴油发动机轮胎吊由设备自带的柴油发动机带动发电机组为设备供电，转场机动性较强;但为了满足轮胎吊起升、小车、大车等机构满载运行时的峰值功率，需要配置大功率柴油发动机，使得其使用成本高昂。一方面，在实际作业过程中，轮胎吊很少全功率运行，小车和大车的实际运行功率仅70～90 kW，同时起升吊箱也不会经常满载，这使得柴油发动机轮胎吊在实际运行过程中功率过剩，从而产生能源浪费;另一方面，柴油发动机无法回收起升机构下降和各机构减速过程中的多余能耗，這使得轮胎吊排放超标。在此背景下，油电混合动力轮胎吊应运而生，有效避免市电轮胎吊机动性差和柴油发动机轮胎吊能耗高、污染大等问题，具有较高的推广应用价值。
　　1 油电混合动力轮胎吊结构
　　油电混合动力轮胎吊配备超级电容、飞轮或蓄电池等储能单元，遵循能量守恒定律，利用能量反馈回收机制给储能单元蓄电，以储能单元中的电能为动力来源，节能效果十分明显。[1]本文涉及的油电混合动力轮胎吊配备安川电控系统和东芝锂电池储能装置。与柴油发动机轮胎吊相比，油电混合动力轮胎吊增设电池房。电池房内装配3组共135 A h东芝锂电池组、安川D1000整流器、恒压恒频逆变器、滤波器及可编程逻辑控制器模块等。锂电池组由23个Type3-23电池模块串联组成，提供660 V直流电压;每个电池模块有独立的通信接口，以便将电池状态反馈给电控系统。此外，油电混合动力轮胎吊配备东风康明斯120 kW柴油发动机来替代传统柴油发动机轮胎吊的大功率柴油发动机，同时配备较小功率发电机，发电机输出功率为106 kW。
　　2 油电混合动力轮胎吊工作原理
　　油电混合动力轮胎吊锂电池系统供电方式如下：锂电池系统将直流电源供给电控系统，并将逆变后的、50 Hz交流电源供给辅助系统。120 kW柴油发动机带动106 kW发电机输出400 V、50 Hz交流电源为锂电池充电，并配合发动机启停技术，将锂电池电量控制在额定电量的43%～74%（该范围内电池工作效率最高）。油电混合动力轮胎吊锂电池系统充电过程如下：发动机启动后，即开始为锂电池充电;当锂电池电量达到额定电量的74%时，电控系统发出指令使发动机停止运行，轮胎吊待机和作业电能均由锂电池提供;当锂电池电量消耗至额定电量的43%时，电控系统发出指令重新启动发动机带动发电机输出电能;电能通过滤波器后由安川D1000整流器输出660 V直流电为锂电池充电。
　　轮胎吊待机时的耗能状态与工作时的耗能状态有所不同。在轮胎吊待机状态下：锂电池输出660 V直流电源，并由安川恒压恒频逆变器将其逆变为440 V、50 Hz交流电源供给变压器;变压器输出220 V或110 V交流电源供电气元件和可编程逻辑控制器电控系统使用。上述过程中，恒压恒频逆变器输出恒压恒频电源，配合蓄电池构成不间断电源或应急电源，以防突然断电。在轮胎吊工作状态下，锂电池在输出660 V直流电源的同时接入直流母线，供起升、小车和大车机构变频器使用，并通过变频器控制电机运转，由电机将电能转化为动能驱动起升、小车和大车机构运行;当各机构需要减速至停止时，电机将各机构的动能和势能转化为电能反馈至直流母线，并为锂电池充电。轮胎吊的使用功率由锂电池控制，从而保证柴油发动机运行功率相对稳定，有利于延长柴油发动机使用寿命。[2]
　　柴油发动机与锂电池组合动力系统具有很高的灵活性：当柴油发动机发生故障时，可以由锂电池为电控系统和电机供电;当锂电池发生故障时，可以由柴油发动机带动发电机组供电，或者由3组锂电池中工作正常的锂电池供电。总之，安川电控系统和东芝锂电池储能装置能够确保轮胎吊边作业边充电，在应急情况下能保证轮胎吊移机的方便性，避免延误码头作业。
　　3 油电混合动力轮胎吊的优点与经济效益
　　油电混合动力轮胎吊具有以下优点：（1）作业灵活性较强，转场方便，只需配备1名司机就能在多个堆场作业，从而大大节省作业时间和人工成本;（2）作业噪声比柴油发动机轮胎吊小，有利于维护良好的堆场周边生活环境;（3）在发动机发生故障的情况下，可以依靠锂电池储存的电能减速运行至空闲场地进行维修，从而保障码头作业效率;（4）氮氧化物等污染物排放明显减少，有助于打造绿色环保码头;（5）经济效益明显，每年比传统柴油发动机轮胎吊节省能源成本37万元左右（见图1）。
　　4 油电混合动力轮胎吊日常维护
　　与柴油发动机轮胎吊相比，油电混合动力轮胎吊增设电池房。电池房内的锂电池对工作温度有一定要求;因此，电池房内的空调需要长时间工作，确保室内温度保持在18～26℃。如果电池房内温度过高，则会加速锂电池老化，且电池房内的整流器和逆变器在过温环境下会停止运行，导致设备故障;如果电池房内温度过低，则会降低锂电池效率，且低温会导致水汽凝结，严重影响元器件使用寿命。除了须定期检查空调外，热感灭火器也是定期维护项目之一（见表1），以确保设备和码头消防安全。此外，电气设备和发动机也应列入轮胎吊日常维保项目，尤其是需要按照康明斯发动机保养手册定期更换机油和滤芯。在定期巡检过程中，维保人员需要做好设备维保记录。
　　5 结束语
　　与传统柴油发动机轮胎吊相比，油电混合动力轮胎吊在低碳环保、降本增效方面的优势明显;与市电轮胎吊相比，油电混合动力轮胎吊的机动性更强，符合码头作业需要。可以预见，未来油电混合动力轮胎吊应用前景广阔。
　　参考文献：
　　[1] 顾辰辰.论锂电池在轮胎吊上的应用[J].工业C，2016（11）：126-127.
　　[2] 刘宗仁. 锂电池在集装箱轮胎吊上的节能研究[J]. 科学与财富，2018（3）：92.
　　（编辑：曹莉琼 收稿日期：2019-03-25）
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