基于能量回馈的港口RTG 节能低碳技术

李益琴 孙建锐
交通运输部水运科学研究院 北京 100088

关键词：港口RTG；能量回馈；节能低碳；超级电容

中图分类号：U653.95 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）11-0035-04

0 引言
RTG（轮胎式集装箱门式起重机）广泛应用于港口集装箱堆场的装卸作业，相比于RMG（轨道式集装箱门式起重机）各有其优缺点。传统RTG 采用柴油发电机组做动力，具有机动性强、转场灵活、设备投资小等优点；但其使用柴油发电机组，存在运营成本高、故障率高、噪声大和环境污染等缺点。而RMG以市电为动力，具有环境污染小、运营成本低，故障率低等优点；但也存在无法转场作业的缺点，同时堆场投资较大。

由于采用RTG 对码头堆场投入成本较小，所以我国的许多码头纷纷选择使用RTG，但随着油价的上升和适应我国绿色港口发展的需要，RTG 的节能低碳技术成为了RTG 技术发展的重要研究内容。

1 RTG 节能低碳技术现状
RTG 节能减排改造主要有几大方向：
1）使用清洁的市电取代了原先以内燃机为主的大功率柴油发电机组，为RTG提供动力源，简称“油改电”。市电RTG 供电方式主要有电缆卷筒供电、低架滑触线供电和大跨度高架滑触线供电三种方式，目前我国具备改造条件的集装箱码头基本都进行了RTG“油改电”技术改造，既显著降低了能耗，又降低了噪声和尾气排放，改善了码头环境[1]。

2）根据RTG 起升负荷的大小，合理地改变柴油发动机的转速。常规RTG 只要处于开机状态，无论是否起升重载，柴油机组都处于运行状态，但大部分时间RTG 的运行状态均为轻载荷，因此RTG 的能量很大程度被浪费，因此通过载荷的变化调整发动机的转速，使RTG 处于达到经济提供电源的目的[2]。

3）采用储能单元（超级电容器、锂电池组等）与柴电机组组成混合动力源。传统RTG 的重物下降产生的势能由制动电阻进行消耗，不能得以循环再利用而被浪费。储能单元通过回收重物下降时回馈的电能，储存能量，当起升重物时，储能元件释放能量，从而大大地节约燃油[3]。

2 基于超级电容的RTG 能量回馈节能技术分析
RTG 通过“油改电”后，虽然节能效果显著，但“油改电”使RTG 跨箱区转场作业的灵活机动性的优点不复存在。采用储能单元RTG 能量回馈技术虽然在节能方面不及“油改电”后的RTG，但其灵活机动性得以保留，深受各集装箱码头的偏爱。

超级电容器是一种电力储放能器件，它具有瞬时吸收和释放大电流的能力，且具有循环寿命长、工作温度范围宽、环境友好、免维护等优点。RTG 柴电机组和超级电容混合动力供电方式，即在RTG 柴电机组输出端的交流侧、超级电容端的直流侧和驱动电动机受电端的交流侧组成的交- 直- 交（AC-DC-AC）三段电 结构。采用超级电容器组作为储能装置，与IGBT 充/ 放电控制单元、逆变器、PLC 控制器等构成的能量回馈系统，与柴油发动机组成港口RTG 的一种混合动力系统，不仅大幅度减少油耗，而且降低柴油发电机组额定容量。

础上增加了超级电容系统（包括充放电控制模块和储能模块）。重物下降时，产生的势能变为电能，超级电容得到充电，起重机起升或其他运行时，通过充放电控制单元进行放电，从而供电给RTG 运行，达到节能低碳的效果。

配置有超级电容的RTG，其柴油发动机的容量大幅减小。根据港口调研，例如基本参数相同的某种RTG，未安装超级电容的传统RTG 发动机容量为456 kW，安装超级电容后的发动机容量下降至268 kW[4]。图1 是对负载机构供电时电流走向的示意图，如在起升运行、大车加速和大车匀速行驶时，电机工作是由超级电容的供电和发电机组的供电相结合，运行过程中超级电容的供电量由超级电容本身的充电水平和负载大小来决定。

图1 超级电容RTG 的系统整体结构和供电时能量流动

图2 是在RTG 下降重物或大车运行机构减速时，起重机产生的势能和其他动能不再被浪费，而是充电给超级电容系统，在超级电容充满电量后，多余的势能再由制动电阻进行消耗。

图2 回电负载时能量流动

3 超级电容的双向DC/DC 技术研究
双向DC/DC 变换器是对超级电容进行充电和放电的控制单元，DC/DC 变换器根据监测RTG 进行起升作业或进行下降作业时的信号数据，同时结合超级电容的充电和放电程度，从而控制能量的流动方向，实现能量回馈再利用[5]。双向DC/DC 变换器的控制原理如图3所示。

图3 双向DC/DC 控制单元

采用DC/DC 控制单元后，可避免超级电容组在充电和放电过程中出现过流现象，从而确保超级电容器组的安全性和使用寿命。

采用DC/DC 控制单元后，超级电容组的放电深度完全可控，使超级电容组储存的电量得到充分利用，从而配置的柴油发电机组容量要求得以降低。

1）RTG 最大功率需求及最大放电电流计算RTG 所需的最大功率

则RTG 的最大放电电流

式中：U 为直流母线电压，I 为输出电流，P起升、P小车、P辅助分别为起升、小车运行、辅助负载需求功率，Pmax 为RTG 最大需求功率。

2）RTG 最大回馈功率需求及最大充电电流计算：为了考虑起重机下降重物时势能的最大可吸收能量，因此将满载从最高处下降到最低处的工作过程作为超级电容计算的设计依据，以此计算RTG 最大回馈功率（即超级电容的输入输出功率）

式中：P 为回馈功率，M 为满载质量，G 为重力加速度，V 为满载升降速度，Η 为能量回收效率。
当回馈能量和柴油发电机组同时进行充电时，RTG需求的最大充电电流

式中：U 为直流母线电压，I 为最大充电电流。
3）RTG 最大回馈能量和超级电容容量计算RTG 最大回馈能量（也即可回收满载重力势能）

式中：W 为回馈能量，H 为最大起升高度。
超级电容储存的能量

式中：E 为可储存到超级电容中的能量。
电容的储存能量

式中：C 为超级电容的需求容量，U1 为超级电容的上限电压值，U2 为超级电容的下线电压值。
则超级电容容量

4）超级电容组选型
在起重机超级电容选配时，结合相关计算数据，选取了合适型号的超级电容，在确定单体超级电容后，根据工作电压和电荷量，结合港口RTG 的工作电压实际变化范围，以及计算得出的超级电容需求容量，按照相关的组合安装原则，综合考虑来设计出超级电容组需要配置的单体电容数量与组合安装方案。选配超级电容时，应选择高容量、低内阻、充放电效率高；漏电流小、衰减小、寿命长；对过流、过压、过温、短路都有控制的安全可靠的超级电容。

5 小结
在港口RTG 上加装超级电容能量回馈系统后，可以有效降低柴油发电机组的燃油消耗。应用测试，混合动力RTG 比传统RTG 发动机容量降低约40%，节能效果可以达到35% 以上，根据实际情况，节能效果在不同的港口和不同的设备上将会略有差异。“超级电容”RTG 的运用，为受场地基础和市电供电条件限制而无法使用RMG、电动RTG，以及无法对现有RTG 实施“油改电”节能改造的港口企业提供可选方案。

参考文献
[1] 刘晋川，张玉波. 绿色港口建设中的港口装备技术发展[J]. 起重运输机械，2016（2）:8-11.

[2] 张华. 港口RTG 调速柴油发电机组的新节能技术[J]. 中国水运，2010（9）:37，38.
[3] 贾志平，王峥. 轻型轮胎式集装箱门式起重机的应用[J].起重运输机械，2017（11）:160-162.
[4] 金毅.“超级电容系统”轮胎吊（HYBRID RTG）在洋山深水港区三期工程的运用[J]. 港口科技，2013（6）:1-5.
[5] 高卫华. 集装箱起重机能源回收再生技术的研究[D]. 天津大学，2011:11-15.