勢(shì)能回收在門座起重機(jī)上的應(yīng)用

薛永杰 尹崇志

摘要：根據(jù)文獻(xiàn)資料，回顧各港口起重機(jī)械所采用的再生能量的處理方法，分析各種方法應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)文獻(xiàn)指出各種方法的能效利用率，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)日照港門座起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的能量回收策略，青島港門座起重機(jī)采用能源管理器+超級(jí)電容的能量回收方法，并按照國家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法測(cè)試其能效值，青島港門座起重機(jī)節(jié)能裝置的能效標(biāo)稱值達(dá)到108.39%。

關(guān)鍵詞：門座起重機(jī);能量管理器;超級(jí)電容

中圖分類號(hào)：TH213.4? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

眾所周知，我國是GDP增量大國，也是能源消耗大國，自“十一五”以來，我國非常重視單位GDP能耗問題。2006～2016年，我國GDP單位能耗累計(jì)下降了37.7%，即便如此，我國的整體能源利用效率依然偏低，2016年我國GDP單位能耗是世界平均水平的1.6倍，為發(fā)達(dá)國家的2～4倍。[1]2019年我國港口吞吐量接近140億噸，這些貨物需要港口起重機(jī)械轉(zhuǎn)進(jìn)轉(zhuǎn)出碼頭，在起重機(jī)能源利用方面，歐盟等國在通用起重機(jī)上設(shè)有節(jié)能系統(tǒng)或裝置，而我國港口起重機(jī)械，由于缺乏有效節(jié)能系統(tǒng)或裝置，能源消耗自然要高出幾倍，在國家大力提倡綠色低碳的今天，加強(qiáng)起重機(jī)械的勢(shì)能回收對(duì)實(shí)現(xiàn)港口起重機(jī)械節(jié)能減排具有重要意義。

門座起重機(jī)械是一種循環(huán)、間歇運(yùn)動(dòng)的機(jī)械，是用來垂直升降物品或兼作物品的水平移動(dòng)，以滿足物品的裝卸、轉(zhuǎn)載和安裝等作業(yè)要求的機(jī)械。起升機(jī)構(gòu)是門座起重機(jī)械的重要機(jī)構(gòu)，起重機(jī)在作業(yè)時(shí)，起升機(jī)構(gòu)在每一個(gè)工作循環(huán)下降、減速過程中，電動(dòng)機(jī)在位能負(fù)載牽引下，由于超頻運(yùn)行使電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)一部分再生電能，這部分再生電能如果得到合理利用，會(huì)極大地節(jié)約能源，目前整個(gè)青島港有100多臺(tái)門座起重機(jī)，僅董家口礦石碼頭就有23臺(tái)，因此，研究回收利用電能再生意義重大。

1 目前起重機(jī)械再生能量常用的處理方法

1.1 采用能量直接消耗的方法

這種方法主要用于變頻調(diào)速的交流發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)以及直流調(diào)速系統(tǒng)。這些控制系統(tǒng)的回路中沒有設(shè)計(jì)回饋供電網(wǎng)的電路，圖1為變頻調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)將電動(dòng)機(jī)超頻運(yùn)行所產(chǎn)生的能量消耗在制動(dòng)單元電阻上，稱為電阻制動(dòng)。而直流調(diào)速系統(tǒng)在下降過程中，電動(dòng)機(jī)的定子線圈通直流電流，電動(dòng)機(jī)電樞繞組形成恒定磁場(chǎng)，在起吊物的帶動(dòng)下繞組切割定子靜止磁場(chǎng)而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這兩種回路均通過消耗下降勢(shì)能所產(chǎn)生的電能來產(chǎn)生制動(dòng)。從目前寧波港口QD100/50-22.1 A6橋式起重機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來看，對(duì)于變頻調(diào)速起升機(jī)構(gòu)的能源利用效率僅為60.92%。[2]

1.2 采用繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的回饋回路

如圖2所示，繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串入控制電阻，可以使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子中串入的電阻越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就越低。在重載下降的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，再生電流直接回饋電網(wǎng)，根據(jù)目前資料來看，在QD100/50-22.1 A6橋式起重機(jī)的能源利用效率達(dá)到101.74%。這種方法也應(yīng)用在青島港煤系統(tǒng)的堆取料機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)中。但是，盡管此方法設(shè)備簡(jiǎn)單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，且屬有級(jí)調(diào)速，機(jī)械特性較軟，調(diào)速范圍小，沖擊電流大，造成接觸器觸頭燒損、滑環(huán)炭刷磨損等問題，電器的使用壽命縮短。

1.3 采用雙直流電動(dòng)機(jī)、超級(jí)電容節(jié)能裝置

圖3是日照港在門機(jī)起升機(jī)構(gòu)所采用的能量回收模式[3]，起升、閉合繩的驅(qū)動(dòng)分別由2臺(tái)55 kW一主一副同步直流電動(dòng)機(jī)串聯(lián)組成?？刂乒裨黾恿?組超級(jí)電容。貨物下降時(shí)，主電動(dòng)機(jī)不工作，副電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，其電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容內(nèi)，同時(shí)起制動(dòng)作用;起吊貨物上升時(shí)，主、副電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作。主電動(dòng)機(jī)使用電網(wǎng)電能，副電動(dòng)機(jī)使用超級(jí)電容的電能，以減少能耗。根據(jù)資料測(cè)定，其比未改造設(shè)備節(jié)能74.64%。

1.4 采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)、直流控制系統(tǒng)自帶能量回饋回路

青島港32噸帶斗門機(jī)、20萬噸級(jí)卸船機(jī)均自帶回饋回路，貨物下降所產(chǎn)生電能經(jīng)過逆變后直接回供電網(wǎng)絡(luò)。從目前的資料來看，能量回饋裝置分為IGBT型和晶閘管型，安川656DC5、西門子AFE均采用IGBT型能量回饋裝置，特點(diǎn)是節(jié)能效果好，但價(jià)格昂貴;晶閘管型體積小，價(jià)格便宜，但功率因數(shù)低。兩種回饋回路對(duì)電網(wǎng)有高次諧波影響，并且由于電能計(jì)量是單向收費(fèi)的，經(jīng)濟(jì)效果不明顯，也未發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)記錄相關(guān)應(yīng)用的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 青島港門座起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的節(jié)能方案

青島港40噸門座起重機(jī)采用安川變頻器，如圖1所示，重載下降時(shí)電動(dòng)機(jī)所發(fā)出的電能通過制動(dòng)電阻釋放，該能量沒有被利用起來，如果采用1.4中所提到的逆變回路，將能量反饋回電網(wǎng)，從目前的實(shí)踐來看，有諧波的污染，甚至造成對(duì)其他設(shè)備的干擾，并且對(duì)于用戶來講，電能回饋電網(wǎng)可能造成節(jié)能而不經(jīng)濟(jì)。1.3中所提到的日照港超級(jí)電容方案具有可借鑒之處，可將超級(jí)電容置于變頻器的直流母線之間，如圖4所示，虛線部分為在原有變頻器回路基礎(chǔ)上擬新增的能量管理器和超級(jí)電容回路，能量管理器的作用是檢測(cè)直流母線電壓，以此決定直流母線和超級(jí)電容組之間的能量流動(dòng)方向，并以此對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行有序充、放電，由于電能不回饋外電網(wǎng)而存于超級(jí)電容中，因此也就不會(huì)對(duì)外電網(wǎng)造成諧波污染。采用超級(jí)電容，改造空間需求小，改造的難度相對(duì)較低，所以采用超級(jí)電容較為合理。圖5為電動(dòng)機(jī)電能的流向圖，當(dāng)貨物下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，能量管理器將回收的能量儲(chǔ)存在超級(jí)電容中;當(dāng)貨物上升時(shí)，能量管理器則將儲(chǔ)存在超級(jí)電容中的能量與外電網(wǎng)聯(lián)合供給電動(dòng)機(jī)，減少了外電網(wǎng)的能量供應(yīng)，從而達(dá)到節(jié)能目的。

2.1 能耗測(cè)試方案

改造后的能耗測(cè)試采用《起重機(jī)械用電力驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)能效測(cè)試方法》（GB/T 30222—2013）[4]，國標(biāo)對(duì)供給能、有效能標(biāo)稱值、能效標(biāo)稱值等概念進(jìn)行界定，同時(shí)對(duì)測(cè)試的條件、方法進(jìn)行界定。

有效能標(biāo)稱值指起升機(jī)構(gòu)按規(guī)定的測(cè)試方法要求完成一個(gè)測(cè)試周期時(shí)，提供的有效能量;供給能指起升機(jī)構(gòu)按規(guī)定的測(cè)試方法要求完成一個(gè)測(cè)試周期時(shí)，實(shí)際消耗的電能;能效標(biāo)稱值指起升機(jī)構(gòu)按規(guī)定的測(cè)試方法要求完成一個(gè)測(cè)試周期時(shí)，有效能標(biāo)稱值與供給能的比值。

2.2 有效能標(biāo)稱值的計(jì)算

按照標(biāo)準(zhǔn)中5.2.2條測(cè)試周期的規(guī)定：位置調(diào)整和吊具、載荷的裝卸階段能耗不計(jì)入測(cè)試周期。青島港40噸門機(jī)運(yùn)行的工況：抓斗自重15 t，重載起重38 t，抓斗工作有效高度15 m。有效能標(biāo)稱值計(jì)算公式：

經(jīng)計(jì)算，有效能Eqs=6 262 800 J

2.3 供給能的測(cè)試

采用標(biāo)準(zhǔn)中電度表法，通過數(shù)字式電能測(cè)量儀器（裝置）測(cè)量供給能，并按式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：

EG —供給能[焦耳（J）];

n—一個(gè)測(cè)試周期內(nèi)包含的測(cè)試階段數(shù);

Di—一個(gè)測(cè)試周期內(nèi)第i個(gè)階段數(shù)字式電能表（儀）測(cè)量值[千瓦時(shí)（kW·h）]，為負(fù)值時(shí)，測(cè)試對(duì)象向電網(wǎng)反饋能量。

通過三次測(cè)試，測(cè)得數(shù)值如表1所示。

2.4 能效標(biāo)稱值的計(jì)算及效果

能效標(biāo)稱值ηqs按式（3）計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算得表2所示數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，安裝節(jié)能裝置的能效標(biāo)稱值達(dá)到108.39%，比未安裝節(jié)能裝置的能效值高出48.17%，說明節(jié)能效果顯著。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，單臺(tái)門機(jī)年耗電量為370 000kW·h，安裝節(jié)能裝置后每年可節(jié)約電量129 500～142 500kW·h，按照現(xiàn)行平均電價(jià)每千瓦時(shí)1.19元計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)15.41萬～16.96萬元，單臺(tái)門機(jī)改造費(fèi)用75萬元，因此，投資回收期約為5年。

（責(zé)任編輯：侯辛鋒）

參考文獻(xiàn)：

[1]劉然，王旭明，岳高，等.“十三五”能源消耗總量和強(qiáng)度“雙控”機(jī)制研究[J].能源與環(huán)境，2017（6）：2-4，7.

[2]曹光敏，張志堅(jiān)，丁高耀，等.橋式起重機(jī)能效對(duì)比測(cè)試與分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2013（8）：114-118，119.

[3]王佳佳，楊玉剛，田鑫，等.門座式起重機(jī)勢(shì)能回收再利用自循環(huán)節(jié)能技術(shù)及其應(yīng)用[J].工程機(jī)械與維修，2016（6）：58-59.

[4]起重機(jī)械用電力驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)能效測(cè)試方法：GB/T30222—2013[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版，2014.