孫建銳

交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院

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岸邊集裝箱起重機(jī)能耗等級(jí)試驗(yàn)研究*

孫建銳

交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院

以岸邊集裝箱起重機(jī)為研究對(duì)象，分析了現(xiàn)代集裝箱碼頭岸邊集裝箱起重機(jī)設(shè)備系統(tǒng)類別，確定以起重量和起升高度為起重機(jī)分類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)交通運(yùn)輸行業(yè)對(duì)重點(diǎn)能耗產(chǎn)品的定義，以及岸邊集裝箱起重機(jī)使用特點(diǎn)，給出了岸邊集裝箱起重機(jī)能耗等級(jí)分級(jí)原則和分級(jí)指標(biāo)。確定了能耗等級(jí)分級(jí)的試驗(yàn)方法并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)能耗試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)多個(gè)樣本起重機(jī)進(jìn)行能耗測(cè)試，并依據(jù)能效限值制定原則，提出了岸邊集裝箱起重機(jī)能耗分級(jí)限值。

岸邊集裝箱起重機(jī)； 設(shè)備分類； 能耗等級(jí)； 能效限值； 分級(jí)指標(biāo)

1　前言

裝卸機(jī)械作業(yè)過(guò)程中的耗能與污染問(wèn)題已經(jīng)日益為廣大港口所重視，港口管理者正在通過(guò)實(shí)施裝卸機(jī)械配置、升級(jí)裝卸機(jī)械驅(qū)動(dòng)能源等節(jié)能措施，努力實(shí)現(xiàn)港口裝卸機(jī)械的節(jié)能減排升級(jí)改造。目前，集裝箱碼頭節(jié)能減排升級(jí)改造研究所取得的成績(jī)主要體現(xiàn)在堆場(chǎng)集裝箱起重機(jī)“油改電”、基于投入成本和起運(yùn)量因素的裝卸設(shè)備優(yōu)化配置、港區(qū)設(shè)備合理保有量研究、集裝箱碼頭節(jié)能減排評(píng)價(jià)等方面[1-2]，所獲得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要體現(xiàn)在整個(gè)港口節(jié)能總量等經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)上， 對(duì)實(shí)際消耗能源最直接的設(shè)備——港口裝卸機(jī)械的能源利用合理程度的界定缺乏相關(guān)定義。

本文以岸邊集裝箱起重機(jī)為對(duì)象，對(duì)集裝箱碼頭裝卸設(shè)備能耗等級(jí)分級(jí)進(jìn)行了研究，給出了岸邊集裝箱起重機(jī)能耗等級(jí)分級(jí)原則和分級(jí)指標(biāo)，確定了能耗等級(jí)分級(jí)的試驗(yàn)方法并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)能耗試驗(yàn)，提出了岸邊集裝箱起重機(jī)能耗分級(jí)限值。

2　岸邊集裝箱起重機(jī)設(shè)備分類

岸邊集裝箱起重機(jī)能耗等級(jí)分級(jí)，首先應(yīng)當(dāng)解決岸邊集裝箱起重機(jī)分類問(wèn)題。港口實(shí)際應(yīng)用的岸邊集裝箱起重機(jī)種類繁多，大多為非標(biāo)設(shè)計(jì)，起重量、跨距、起升高度、前伸距、后伸距等參數(shù)不同，起重機(jī)結(jié)構(gòu)型式存在很大差距。表1為對(duì)國(guó)內(nèi)外主要起重機(jī)生產(chǎn)企業(yè)、集裝箱碼頭調(diào)研結(jié)果，以此作為岸邊集裝箱起重機(jī)設(shè)備分類依據(jù)。

為便于對(duì)起重機(jī)進(jìn)行能耗等級(jí)分級(jí)，應(yīng)當(dāng)確定起重機(jī)分類坐標(biāo)。從表1中可以看出，岸邊集裝箱起重機(jī)除起重量外，前伸距和起升高度為2個(gè)主要分類參數(shù)，前伸距與起升高度均能夠反應(yīng)起重機(jī)規(guī)格大小。通過(guò)前期研究成果和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)整理，發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同類型的集裝箱起重機(jī)，起升機(jī)構(gòu)能耗在所有能耗中占據(jù)著絕對(duì)大的能耗比重，因此起重機(jī)分類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選擇為起重量和起升高度。

表1　岸邊集裝箱起重機(jī)設(shè)備類型調(diào)研及統(tǒng)計(jì)表

3　能耗等級(jí)分級(jí)及限值

3.1能效限值設(shè)定方法

根據(jù)本工程依托項(xiàng)目，本文采用3個(gè)等級(jí)對(duì)起重機(jī)能耗等級(jí)進(jìn)行分類，即先進(jìn)級(jí)(1級(jí))、平均級(jí)(2級(jí))、限定級(jí)(3級(jí))。其中1級(jí)最高，3級(jí)最低。

對(duì)于起重機(jī)不同等級(jí)能耗限值的取值，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)可循依據(jù)。根據(jù)交通運(yùn)輸行業(yè)對(duì)重點(diǎn)能耗產(chǎn)品的定義，以及岸邊集裝箱起重機(jī)使用特點(diǎn)，本文對(duì)能效限值設(shè)定方法如下：

(1)1級(jí)能效臨界值取國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上高能效產(chǎn)品的20%；

(2)2級(jí)能效臨界值取介于1級(jí)與3級(jí)能效之間的產(chǎn)品；

(3)3級(jí)能效臨界值取國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上最低能效產(chǎn)品的15%。

3.2能耗等級(jí)分級(jí)指標(biāo)

岸邊集裝箱起重機(jī)大多非標(biāo)設(shè)計(jì)，類型眾多，必須制定統(tǒng)一的能耗計(jì)量指標(biāo)，使同一類別內(nèi)起重機(jī)能耗值具有對(duì)比性。在化工、船舶、家電等行業(yè)，能源利用效率已經(jīng)與設(shè)備節(jié)能密切相關(guān)，提高能源利用效率被認(rèn)為是降低對(duì)石化燃料依賴性、增強(qiáng)能源供給安全性、提高工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的一種有效途徑。能源利用效率定義為實(shí)際產(chǎn)出與實(shí)際投入的比值[3]。因此，岸邊集裝箱起重機(jī)能耗等級(jí)分級(jí)指標(biāo)可以定義為岸邊集裝箱起重機(jī)作業(yè)額定起重量的耗電量，即單位操作循環(huán)耗電能。

測(cè)試期內(nèi)完成單位操作循環(huán)所消耗電能，按式(1)計(jì)算：

(1)

式中，ez為能源單耗，kWh/t；Ez為完成規(guī)定測(cè)試動(dòng)作能源消耗量，kWh；Tb為測(cè)試過(guò)程起吊的重量，t。

3.2能耗測(cè)試方法

本文基于試驗(yàn)方法，對(duì)多個(gè)樣本起重機(jī)進(jìn)行能耗測(cè)試，并依據(jù)能效限值制定原則，制定起重機(jī)能耗等級(jí)限值。

3.2.1測(cè)試工況

理論上，起重機(jī)作業(yè)在1個(gè)作業(yè)循環(huán)下的耗能等于1個(gè)作業(yè)循環(huán)內(nèi)起吊運(yùn)輸貨物所做的功，即耗能主要影響因素為起重量和吊具帶載行駛位移。由于各集裝箱碼頭水深條件、經(jīng)濟(jì)實(shí)力等不同，進(jìn)行碼頭設(shè)計(jì)時(shí)，靠泊船舶能力存在很大差距，直接造成岸邊集裝箱起重機(jī)起升高度、外伸距、跨距等參數(shù)差別巨大。在進(jìn)行岸邊集裝箱起重機(jī)耗能比較時(shí)，為使得測(cè)試數(shù)據(jù)具有可對(duì)比性，有必要建立統(tǒng)一的尺度。另外，岸邊集裝箱起重機(jī)耗能的執(zhí)行單元為各運(yùn)行機(jī)構(gòu)，具體為起升、小車運(yùn)行、大車運(yùn)行3大機(jī)構(gòu)。為對(duì)各機(jī)構(gòu)能耗進(jìn)行對(duì)比，選定在進(jìn)行能耗比較時(shí)，各機(jī)構(gòu)運(yùn)行距離相同。

目前，國(guó)內(nèi)起重機(jī)設(shè)計(jì)方法仍主要以安全系數(shù)法為主，由于設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)水平的差距，“大馬拉小車”在起重機(jī)設(shè)計(jì)中仍然非常普遍，因此，不可避免的會(huì)產(chǎn)生巨大能耗浪費(fèi)?！按篑R拉小車”現(xiàn)象也被認(rèn)為是起重機(jī)產(chǎn)生巨大能源浪費(fèi)的最直接因素。因此，本文規(guī)定，起重機(jī)能效對(duì)比時(shí)，起重機(jī)吊載重量設(shè)定為額定起重量。

機(jī)構(gòu)速度對(duì)能耗影響巨大，而不同設(shè)備個(gè)體，運(yùn)行速度設(shè)計(jì)值往往差距巨大，在進(jìn)行起重機(jī)能效比較時(shí)，有必要建立統(tǒng)一的速度尺度。本文選定在起重機(jī)個(gè)體耗能盡量小的工況下進(jìn)行比較。相關(guān)研究成果表明，起重機(jī)能耗在最接近額定速度時(shí)能耗最小[4]。因此將進(jìn)行能效對(duì)比的起重機(jī)設(shè)定為在額定運(yùn)行速度下進(jìn)行作業(yè)的耗能。

根據(jù)以上論述，結(jié)合對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)類型參數(shù)調(diào)研結(jié)果，設(shè)定岸邊集裝箱起重機(jī)能耗測(cè)試的工況為額定起重量，起升高度20.0 m，小車行走距離20.0 m，大車行走距離30.0 m，機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度為額定運(yùn)行速度。測(cè)試工況如圖1所示。

圖1　岸邊集裝箱起重機(jī)測(cè)試工況示意圖

圖中各點(diǎn)位置說(shuō)明如下：

A-高度距離地面20 m；

B-高度與A點(diǎn)相同，距離A點(diǎn)20 m后伸距位置；

C-B點(diǎn)正下方地面位置；

D-A點(diǎn)正下方地面位置。

3.2.2測(cè)試方法

測(cè)試方法制定盡量模擬岸邊集裝箱起重機(jī)作業(yè)工況，具體說(shuō)明如下：

(1)吊具空載，小車的初始位置置A點(diǎn)，記錄電能測(cè)量表讀數(shù)。

(2)起動(dòng)小車，吊具空載以額定速度向后伸距方向運(yùn)行距離20 m，到達(dá)B點(diǎn)→空載下降至C點(diǎn)，鎖定指定起重量的集裝箱→以額定速度起升至B點(diǎn)→小車往前伸距方向運(yùn)行20 m到達(dá)A點(diǎn)→吊具下降15 m到達(dá)D點(diǎn)→卸下集裝箱→吊具空載上升至A點(diǎn)。

(3)吊具空載下降到達(dá)D點(diǎn)，鎖定集裝箱，帶載上升15 m到達(dá)C點(diǎn)→小車往后伸距方向運(yùn)行指定距離20 m，到達(dá)B點(diǎn)→吊具下降15 m到達(dá)C點(diǎn)，將集裝箱卸在地面上→空載上升至B點(diǎn)→小車空載往前伸距方向運(yùn)行指定距離20 m，到達(dá)A點(diǎn)。

(4)重復(fù)步驟(2)、(3)4次。

(5)以上測(cè)試時(shí)起升與小車應(yīng)不可聯(lián)動(dòng)操作，起升運(yùn)行均按額定速度進(jìn)行。

(6)完成以上測(cè)試后大車以一個(gè)方向運(yùn)行30 m返回到原點(diǎn)，并等待計(jì)時(shí)至1 h。

(7)1 h內(nèi)完成5次循環(huán)計(jì)10個(gè)循環(huán)作業(yè)箱數(shù)。

(8)測(cè)試計(jì)時(shí)結(jié)束，記錄電能測(cè)量表的讀數(shù)。

在1 h內(nèi)未完成(1)-(7)的規(guī)定步驟，本次測(cè)試無(wú)效，需重新測(cè)試。

3.2.3測(cè)試結(jié)果

本文依托項(xiàng)目針對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)能耗情況進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，表2為選取測(cè)試樣本中60 t以上岸邊集裝箱起重機(jī)設(shè)備的能耗情況匯總。

3.2.4岸邊集裝箱起重機(jī)能耗限值

根據(jù)對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)規(guī)格型式調(diào)研統(tǒng)計(jì)結(jié)果，以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，制定集裝箱分類能耗限值如表3所示。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，在規(guī)定的相同動(dòng)作工況下，起升高度相同，隨著起重機(jī)起重量不斷加大，起重機(jī)起吊單位重量的貨載耗能越大；起重量相同時(shí)，起重機(jī)的設(shè)計(jì)起升高度越大，起重機(jī)起吊單位重量的貨載耗能越大，即起重機(jī)規(guī)格越大，起重機(jī)起吊單位重量的貨載耗能越大。另外， 本文制定的起重機(jī)分類能耗限值，可以作為起重機(jī)生產(chǎn)準(zhǔn)入證明參考，即單位能耗值大于3級(jí)能耗限值的新起重機(jī)，建議限制其投入生產(chǎn)，或強(qiáng)制其進(jìn)行能效改造。

表2　岸邊集裝箱起重機(jī)設(shè)備的能耗測(cè)試結(jié)果

表3　不同能耗等級(jí)的能源消耗數(shù)值　 單位：kWh/t

注：限于樣本數(shù)量，本文制定的起重機(jī)能耗限值仍存在修訂空間。

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Experimental Study on Energy Consumption Level for Quayside Container Crane

Sun Jianrui

Waterborne Transport Research Institute,Ministry of Transport, CHINA

The classification of the modern quayside container crane is clarified by the basic data of hoisting capacity and lifting altitude. According to the definition of important energy consumption product in the transportation industry and the operation characteristics of the quayside container crane, the classification principle and classification energy indicators are provided. The grading test method of energy consumption level is formulated. Through the combination of energy consumption experiments of crane samples in the test field, according to the rules of enery consumption limits, the classification energy consumption limit values of quayside container crane are put forward.

quayside container crane; equipment classification; energy consumption level; energy limit value; classification indexes

2015-11-20

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.020

孫建銳: 100088, 北京市海淀區(qū)西土城路8號(hào)

*國(guó)家交通運(yùn)輸部節(jié)能減排能力建設(shè)項(xiàng)目：港口生產(chǎn)能效和二氧化碳排放強(qiáng)度等級(jí)及評(píng)定方法研究(2014-JNJP-010-039)