主要完成人：  孙  枫  包起帆  李国辉  胡卓辉

主要完成单位：上海港机重工有限公司

上海国际港务（集团）股份有限公司

成果简介：

随着人们节能意识的提高以及近年来石油产品价格的大幅上涨，节能工作已越来越多地提到我们的工作日程上来。在港口中，RTG（轮胎式集装箱龙门起重机）是采用柴油发电机组作为动力源的机械设备。缘于柴油机的固有特性以及RTG的工作特点，RTG的能量使用效率并不高，能耗也非常大。就目前采用流行配置和装机容量的RTG看，一般一台RTG在工作过程中的每小时油耗约为25公升（根据装机容量、柴油机的型号以及使用情况，每个码头的油耗情况不太一样，这里的数据是一个近似的平均值）。也有码头统计过每装卸一个TEU所消耗的燃油量大约在1.2公升上下。从上面的数据不难看出，RTG的油耗对码头方来说是一笔不小的固定开支。如果再考虑环保能其他因素，提出RTG的节能方法就成为一个非常必要的课题。

目前，各集装箱公司以及RTG的生产配套厂家都对RTG的节能给予了极大的关注，并且也积极地采取一些节能措施。

RTG的工作特点比较明显。作为起重机，RTG的最大功率比较大，而平均使用功率不大，突加、突卸载荷较大；更重要的是，RTG的起升机构在下降或小车/大车机构在制动时的能量由机上的制动电阻烧掉。在作业时间占柴油机使用时间比例并不是非常高。而通常作为发电用的柴油机，其工作转速是一个定值。根据RTG的特点，SPMP近年来对RTG的节能减排作了以下两项大胆的尝试并取得了成功。

第一项是混合动力型RTG, 这种方式实际上是燃油—电力混合动力方式。

它是根据RTG平均功率较小而最大功率较大，且载荷变化率大的特点开发的。整个动力系统是由柴油发电机组、储能单元(超级电容)共同组成驱动单元。它利用柴油机与电力组合的方式，当RTG的起升机构处在下降和当RTG处在平稳运行阶段时，发动机在支持整机工作的同时还可以给储能单元充电；而当RTG的工作机构处在加速阶段，也就是大功率运行阶段时，储能单元释放能量协助发动机工作；当RTG各机构的动能或势能要转化为制动能时，这部分能量可以给储能单元充电。RTG的使用功率变化量由储能单元调整，从而保证柴油机运行功率相对稳定。因此，我们就可以将发动机尽量做小，并使其尽可能地工作在最佳工作点上。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥储能单元加速性能好、噪声低、可回收反馈能量的好处，二者“并肩战斗”，取长补短。不但可以达到节能的效果，还可以延长发动机的使用寿命。目前采用的储能单元均为“超级电容”。“超级电容”具有容量大、充放电迅速、转换效率高等特点，因此，目前它是较唯一的选择。

采用储能单元的RTG的柴油机应根据储能单元的容量、各功率的持续时间等选型。目前，综合考虑节油量和性价比，通常柴油机的选型可减小40%。同时，也由于没有减小了载荷变化率，所以采用此系统的RTG可以比常规RTG节油30%以上，而且此系统主要针对的是RTG吊箱作业时的节油，RTG工作越频繁，节油效果就越明显。而小负载或空载运行以及怠速运行时，它的节油效果就会相对下降。

就原理上看，这种方案具有很明显的优势，我们从中学的物理书上知道能量守恒定律，既能量不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。该定律对于普通意义上RTG来说就是将主机构下降和主机构制动的能量消耗在制动电阻上；但对于混合动力型RTG来说就是将主机构下降和主机构制动的能量‘消耗’在超级电容上储存起来，以便在主机构上升和主机构加速时这部分能量由超级电容释放出来供给主机构。这样不仅大大减少的能量的浪费，同时也大大减少了动力系统中柴油发电机组的容量。鉴于超级电容价格的高昂，我们在该系统中增加了超级电容的可控的充放电装置即直流-直流电源变送器，该装置使得储能装置的充放电得以可控，减少了电容的充放电频率，提高了超级电容使用寿命。如果储能单元能达到较合理的寿命价格比，这套方案对港口比较适用。

第二项是“油改电”方案，该方案采用通过电缆卷筒给RTG供电的方案。这样，除了RTG转场工况外，RTG将不再由柴油发电机组供电。对于港口起重机来说大部分是市电供电，原有的普通型RTG之所以采用柴油机组供电是为了让 RTG即能够快速的装卸集装箱，又能够灵活快速的转场。为了这个目的普通型RTG采用了柴油发电机组供电。因此，“油改电”方案关键在于能够灵活快速的转场。 SPMP采用特殊的喇叭口地面导缆装置，使得大车在通过供电装置时动作自如和方便电缆插头的拔除和插入已达到RTG正常运行和转场的目的，实测转场时间为14分钟 ；电缆明沟槽方案，施工周期短、排水性能好，满足多台电缆供电的RTG同时使用。

这样就可以大幅降低RTG的使用成本（具体比较见下表）。而且，由于柴油机的使用率很低，RTG维护成本也会大幅下降。这是一种非常彻底的节能方法。同时，这种方案可以消除传统RTG带来的空气污染和噪声污染。

目前由岸电给RTG供电一般采用两种方法。一是采用电缆卷筒，二是采用滑触线。就这两种方案比较，它们也分别有自己的优缺点。

电缆卷筒的优点是电压稳定，安全性强。缺点是RTG自重增加多，成本较高，对RTG的纠偏要求高等。

混合动力RTG技术的核心是在原有柴油发动机的基础上，让轮胎吊加装一台智能电气控制装置，该装置将时刻“监视”轮胎吊的工作情况，当吊车下放物体，释放能量时，它可以把这些能量收集起来转化为电力，在需要的时候重新提供给起重机；减少了消耗在制动电阻上的能量。把现有的柴油机发电机机组容量降低40%，把以前375KW减低为225KW。

我们的创新点就是在混合动力系统中运用了控制充放电的DC/DC控制技术（充/放电控制装置）。当吊具带箱上升时，能量流向是从柴油发电机组和储能电容一起供给到电机；当吊具带箱下降时，能量流向是从电机回送到储能电容多余部分消耗在制动电阻上。

下降时能量优先回送到储能电容，多余的能量也通过制动单元卸放掉。

采用DC/DC控制器系统，使得超级电容在可控的方式下充放电，从而大大延长了超级电容的使用寿命。

该项目在研制过程中还应用了大量新的技术，包括选用PC作为电解液的电容、降低柴油机发电机组容量、减少对大气的污染超过50 ％、降低了柴油机发电机的噪音、减少柴油机发电机的启动时间等。这些新技术的应用，不同于早期的混合动力RTG机械。使国内港口节能减排技术装备技术上达到了先进水平。

经用户使用鉴定，常规RTG平均能耗约1.19升/箱，混合动力RTG平均能耗约0.76升/箱，混合动力RTG油耗量为常规RTG的63％，节油率可达30％以上；并且能减少对大气的污染超过50 ％、降低了柴油机发电机的噪音（下降了25db）。该技术已申请国家专利。