本文針對港口集裝箱碼頭大量使用的RTG,，分析了適用的節能降耗技術，節能型RTG和電動RTG具有各自的優缺點。節能型RTG在節能降耗的前提下，充分保留了RTG機動靈活的優點；電動RTG則更著眼于節能降耗，運營成本低，環保效果好，但是轉場不便，而且要增加碼頭的電力基礎設施投資。因此，這就需要碼頭用戶和RTG制造商共同探討，根據各個集裝箱碼頭不同的使用環境和特點，提出適用的可行節能降耗方案。

    1．引言
    輪胎式集裝箱門式起重機（RTG）是世界各大集裝箱專業化碼頭堆場的主力設備，它具有碼頭基礎的投資成本低、機動靈活可轉場作業、便于分期分批購置等優點，一直受到廣大集裝箱作業碼頭的歡迎，在用數量占場橋總數量的85％左右。但是，傳統RTG由柴油發電機組驅動，能量轉換效率低、能耗大、成本高。同時 RTG在作業時排放的廢氣黑煙和柴油機運轉時產生的巨大噪音以及柴油存放與使用中的環境污染也與日益嚴格的環保要求有一定距離。伴隨著近年來經濟高速增長引起的以石油為代表的化石能源的日益短缺，油價不斷刷新歷史記錄，持續快速上漲，給各大擁有大量RTG的集裝箱碼頭的營運成本帶來了巨大的壓力。
    中國政府在“十一五”規劃中明確提出節能降耗和防污減排的目標，具有非常重要的戰略意義。近年來，世界各大港口機械制造商和配套商都投入了研發力量試圖改進傳統RTG的傳動技術。傳統RTG的節能降耗技術主要分為節能型RTG和電動RTG兩個研發方向。節能型RTG主要是采取提高柴油發電機組的能源利用效率和把RTG在下方重物和運行機構制動時產生的再生回饋能量儲存起來加以利用等技術措施，通過提高整機能源利用率實現節能降耗。電動RTG就是“油改電” 運行，RTG的工作所需電力不再使用柴油發電機組，而是取自碼頭堆場提供的廉價市電；同時，由于采用市電驅動，RTG工作時的再生反饋能量也可采用成熟的能量回饋技術，整機的能源利用率很高。下面，就這兩種已經進入實際工程應用的RTG節能降耗技術作以詳細探討。

    2．節能型RTG的技術分析
    節能型RTG采用的主要技術有：
    （1）提高柴油發電機組的能源利用效率。
    在普通RTG中，柴油機只有怠速與全速兩擋的工作速度：怠速用于待機工況；全速用于工作工況。由于RTG的系統載荷是變化的、非線性的，因此在載荷較輕時，柴油機一發電機組效率較低，造成能量浪費。柴油機特性決定了其在不同需求功率下有不同的經濟油耗，如果能通過某種方式找出這條在不同功率下的經濟油耗與轉速曲線，并對此進行控制，將可以大大提高柴油機一發電機組的效率，取得很好的節能效果。
    目前，實用的工程技術是以西門子公司的ECO節能技術為代表的發動機速度調節方式。此技術的關鍵是根據RTG不同工況對功率需求的不同，改變柴油機的轉速，調整輸出功率，實現的動態功率管理，從而實現節省油耗降低成本，提高整機能源利用率。
    （2）把RTG在下方重物和運行機構制動時產生的再生回饋能量儲存起來加以利用。
    RTG的再生能量主要指的是起升機構下降過程、大車和小車機構減速過程中產生的再生能量，這部分能量占有整個運行循環的30％以上。由于再生能量無法回饋，普通RTG的做法是直接通過能耗電阻以發熱的形式白白消耗掉。對這部分能量進行再利用，不僅可以節能，而且可以彌補起升機構吊重載上升過程及各機構突然加速時的突加功率需求，從而使發動機可以基本工作在非過載狀態，容易熄火的現象將基本不存在，這將有效地提高發動機的使用壽命并達到良好的環保效果。解決這個問題的關鍵是要有一套儲能和回饋裝置，能夠快速吸收再生能量，并在系統需要時能立即投入使用。
    目前，實用的工程技術是以超級電容和飛輪儲能系統為代表的能量存儲與回饋方式。利用超級電容的能量存儲與回饋方式的典型代表是振華港機的綠色RTG，利用飛輪儲能系統的能量存儲與回饋方式的代表是VYCON公司的飛輪節能系統。
    超級電容的原理并非新技術，常見的超級電容大多是雙電層結構，同電解電容器相比，這種超級電容能量密度和功率密度都非常高。同傳統的電容器和二次電池相比，超級電容儲存電荷的能力比普通電容器高，并具有充放電速度快、效率高、對環境無污染、循環壽命長、使用溫度范圍寬、安全性高等特點。隨著社會經濟的發展，人們對于綠色能源和生態環境越來越關注，超級電容器作為一種新型的儲能器件,因為其*的*性，越來越受到人們的重視。在zui近幾年中，超級電容器已經開始進入很多應用領域，如消費電子、工業和交通運輸業等領域。
    當然，上述兩類技術不是孤立的，可以結合起來使用，節能降耗的效果會更加明顯。下面就市場上出現的幾種新型節能型RTG作以簡要介紹。

    2．1 Siemens的經濟節能型RTG（ECO－RTG）
    ECO－RTG與普通型RTGzui大的不同在于它的柴油發電機組。它運用的驅動技術，在達到普通型RTG操作效率的基礎上，zui大限度地降低柴油機油耗。 Siemens針對RTG的控制要求，研發了節能機型RTG（ECO－RTG），相對于普通RTG，它有幾個關鍵技術特點：① 增速齒輪箱；② 水冷高速同步永磁發電機；③ 水冷式變頻器及其配套電氣元器件；④ DICO發動機控制裝置。其原理體現了系統功率和能量需求的綜合管理，它基于成熟的已市場化的汽車行業成功應用的混合動力電氣驅動技術。ECO —RTG通過所有元件準確的動態功率管理、發動機待機控制，發動機的輸出功率由電動機消耗功率直接控制，且控制系統無延遲，從而使發動機總是處于*運行區域或怠速狀態。
    普通RTG啟動柴油機后，就始終保持在全速運轉的狀態下，即使不進行吊箱作業也要浪費一部分能量，而ECO－RTG采用兩臺單機容量180KW的新型發電機，在柴油機怠速的情況下，就能滿足RTG輔助功能的用電需求。當RTG進行吊箱作業時，控制系統根據實際的負荷大小調整并優化發動機的轉速，使其工作在運轉速度范圍內，具體如下：操作主令手柄將給定的速度傳遞給PLC，PLC根據速度和負載情況，將需要的電流、功率等信息傳遞給柴油機控制PLC，柴油機控制PLC相應地提高柴油機轉速，從而提高發電機輸出功率以滿足機構動作的需要。當一個機構動作結束后，柴油機馬上由高速狀態切換到怠速狀態，響應時間不會超過2秒鐘。ECO－RTG的節能關鍵在于能夠根據負載的大小，調整柴油機轉速，在滿足RTG功率需求的同時，zui大程度地減少能源浪費。
    根據西門子公司發布的測試結果（數據來源：馬士基西班牙Algeciras]，在系統無超級電容的情況下，對比油料消耗測量值，可節約柴油 48%~50%；在系統加裝超級電容的情況下，對比油料消耗測量值，可節約柴油69%~70%。國內的廈門嵩嶼集裝箱碼頭已有新型ECO-RTG在 2007年投入實際使用，從現場反映的情況看，節能環保效果明顯。
    從實際應用看，如對普通的RTG進行技術改造，需要從發電機組至控制元器件整套更新，整機改造范圍大，費用高。此項技術主要應用于港口機械制造商研發的新產品。
    2．2 TM GE—RTG
    TM GE（東芝、三菱、通用電氣），針對RTG的節能控制要求，研發了*的節能電控系統Fuel Efficient-RTG。該系統既可應用于新采購的RTG，也可用于舊RTG的電控系統改造，適用范圍廣。它的主要設計理念是通過合理地改變柴油發動機的轉速，達到經濟提供電源的目的。該系統關鍵的技術特點如下：① 可變速發動機；② 變流器；③ 逆變器；④ 超級電容和DC／DC變換器。
    該系統中增加了逆變器、變流器，同時也改變了原來發動機的恒速要求。整套系統的設計僅對直流母線進行了處理，對于直流母線以下的電機控制均沒有任何變化。因此，它保持了原RTG的控制模式，使原有的優良特性得到繼承。
    可變速發動機對于可變速柴油發動機的調速控制是TM GE—RTG系統的精髓。當RTG載荷需求功率較小時，可通過使發動機工作在額定速度以下，達到降低柴油的消耗、噪音和維護成本的目的。TM GE—RTG系統根據速度和電流測量值，計算出實際需要的轉矩，再經過柴油機轉矩與轉速的轉換，確定柴油機的噴油量。由于負載電流的變化非常迅速，突加突降負載給發動機的轉速變化提出很高的要求。實踐證明，采用電噴的可變速發動機完夠滿足要求。
    DC—DC變換器是變頻器直流母線和超級電容之間的電能轉換裝置。當RTG的起升機構下降、大車和小車機構減速時，電動機會向直流母線上回饋電能。直流母線電壓升高到一定限值時，DC—DC變換器可以將電能注入到超級電容。當母線電壓下降，系統中需要電能補給時，超級電容中的能量能適時的進行補充；能量不足時，可以由可調速發電機調整轉速，進一步注入能量。在重物下降結束后，超級電容會積聚充足的能量。同時，如果長時間待機，由于發動機同樣有多余的能量輸出，也可以由DC—DC變換器注入到超級電容。
    Fuel Efficient RTG理想狀態的節能效率可以達到30％左右。TM GE還提供了使用超級電容的可選項方案，如果能將RTG的再生回饋能量有效地利用起來，將會更加提高整機的節能效率 。
    2．3 Yaskawa的H—RTG
    Yaskawa針對RTG的節能控制要求，研發了混合動力RTG控制技術。它的主要控制理念是：通過合理地降低柴油機一發電機組容量以及采用超級電容作為混合動力，使用DC/DC控制器，達到節省燃油和降低消耗的目的。其關鍵的技術特點是超級電容和DC/DC控制器變換技術。
    （1）儲能電容
    它的作用主要是存儲再生能量及在RTG各運行機構處于電動狀態時提供所需電能，以減少柴油機一發電機組的載荷。系統采用公用直流母線排的形式，超級電容通過DC—DC變換器接到直流母線上。如果RTG處于怠速等候的工況下，發動機同樣有多余的能量輸出，其電能也直接向超級電容充電。
    （2）DC—DC變換器
    它是連接公用直流母線與超級電容的橋梁，通過2組IGBT單元構成可逆斬波回路，實現超級電容的充放電，完成能量的變換與傳輸。
    根據Yaskawa發布的測試數據，在香港一臺起重能力40T、堆6過1高度的RTG上的對比測試，原RTG裝備Cummins507KW發動機，而新型 H—RTG只用裝備Cummins231KW發動機就可滿足使用（超級電容為610V，40.1F，7.5MJ），平均1個作業循環能可節約柴油 42％。
    2．4 ZPM C的綠色RTG
    ZPMC的綠色RTG是針對RTG頻繁、快速起動制動和位能、動能時而交變的特點，充分發揮超級電容的超大容量儲能、快速充放電、充放電物理過程無化學反應、不污染環境、長使用壽命的特性，將超級電容并入起重機的柴油發電機回路，組成新型供電系統的更新換代的起重機。通過對柴油發電機組和超級電容的容量進行匹配優化，及ZPMC的充放電電路和監控電路，使RTG能有效的重復利用再生能量，成功地實現了環保型即所謂綠色RTG，取得良好效果。
    該系統能夠快速儲存起重機負載——集裝箱下降時的能量，又能在負載起升時快速向負載釋放所儲能量，補充柴油機供電，使柴油機工作平穩、壽命延長，節能30%以上、經濟性能提高20%，消除黑煙、林格曼黑度由二級變成零級，降低噪音4分貝以上。

    2．5 VYCON公司的飛輪節能系統
    VYCON飛輪節能系統的工作原理是，將RTG產生的再生能量儲存在VYCON 的真空飛輪裝置內，當系統有高能量需求時，將這部分能量回饋給系統。它在高負載循環條件下具有很好的節能效果。能量以旋轉動能的方式儲存，能量的儲存和釋放均通過電動機和發電機的高轉動慣量轉子的轉動實現。
    該節能系統的優點有：
    （1）使用壽命長，可與RTG整機同壽命。
    （2）新舊RTG都可用，用于新設備時，發電機組容量將會大大降低，節能效果更加明顯。
    （3）碼頭操作越繁忙，節能效果越明顯。它特別適用于一些大型的、有長遠投資的碼頭。
    （4）能與其他能量儲存系統結合使用，甚至還能與發動機速度調節系統結合使用。
    （5）保護環境：氮氧化物減排25，顆粒減排66％，碳氫化合物總量減排23％。此結果得到美國加利福尼亞空氣資源委員會驗證。
    飛輪技術早在美國的航天工程已有成熟應用，當時是作為UPS后備電源考慮的。隨著能源供應的緊缺，減排環保理念的加強，飛輪儲能作為節能減排的*技術在各行業得到推廣應用。2006年5月美國洛杉磯長榮碼頭的RTG采用飛輪技術，國內的廈門嵩嶼集裝箱碼頭也有采用VYCON飛輪節能系統的新型RTG 在2007年投入實際使用。

    3．電動RTG的技術分析
    RTG的節能降耗除了在RTG的發動機－發電機組和再生回饋能量兩個方向采用節能降耗技術外，還可以吸取RMG的優勢，即采用廉價、清潔的市電驅動，這就是我們俗稱的“油改電”。由于采用市電驅動，RTG工作時的反饋能量也可采用成熟的能量回饋技術，整機的能源利用率很高，而且沒有任何污染。使用市電的 RTG在保持了常規RTG原有各項功能的情況下，將RTG作業的能源供應方式由原來的大功率柴油發電機組供電改為通過由市電電網供電，僅配小功率柴油發電機組提供RTG轉場行走所需電能，既保持了RTG可以轉場的靈活機動，又節能環保，單位標箱能耗成本可降低約70%。不過，RTG“油改電”工程要增加碼頭的電力基礎投資，并需要在基建投資時系統考慮整個碼頭的電力供應問題。
    RTG“油改電”的關鍵問題是供電方式的選擇，包括電壓等級及電力上機方式的選擇。
    3．1 電壓等級的選擇
    為繼續保留RTG可轉場作業的優點，電動RTG方案中的RTG在轉場時需與原場區的供電設施脫離，從安全、便于操作及不影響生產的角度考慮，應優先采用低壓供電。
    目前國內大部分RTG的柴油發電機輸出電壓為460V，電機驅動電壓為420～440V?，F國內應用電動RTG的港口，供電電壓等級有1000V、 690V及460V 3種。如果對原有RTG進行“油改電”改造，則應該優選460V供電方式，這種方式雖然供電電纜的壓降稍大，但是由于省去電源電壓變換的大容量電力變壓器，而且所用的電氣元件為標準規格，采購和實施方便，改造的成本低，易于實現。
    3．2電力上機方式的選擇
    目前，在國內集裝箱碼頭的RTG“油改電”技術主要有3種供電方式。
    3．2．1剛性滑觸線供電
    其基本原理是，在集裝箱堆場的箱區內架設剛性滑觸線供電線路。當電動RTG在箱區作業時，關閉柴油發電機組，所需動力由專門設計的集電裝置將市電從滑觸線輸送到RTG。RTG沿滑觸線移動，實現對整個箱區的工作覆蓋。當RTG需轉場到另一箱區作業時，則切斷市電電源與RTG的，改由柴油發電機組供電。轉到堆場后，柴油發電機組停止工作，重新切換為由市電供電。
       剛性滑觸線供電方式對集電器與滑觸線之間的相對位置要求嚴格，因此，要實現RTG的剛性滑觸線安全可靠供電，就要解決以下技術難點。
    （1） 剛性滑觸線和軌道式集電小車的系統集成安裝技術。
    （2） 集電小車的柔性牽引技術。為適應RTG跑偏、晃動的特點，RTG與集電小車之間應采用柔性牽引，消除兩者之間相對位置變化對集電小車的影響，保證剛性滑觸線對RTG的可靠供電。
    （3） 基于超聲波測距技術的自動糾偏與防碰撞安全裝置。
    （4） 采用大功率有自動斷電保護功能的電力快速接頭，實現電力快速、安全切換。
    采用剛性滑觸線供電方式進行“油改電”改造，工程量小，投資少，結構簡單。但是，這種供電方式的RTG 轉場不方便，目前需要大功率電力快速接頭，并配套小型柴油發電機組作為輔助動力實現轉場。
    3．2．2高架滑觸線供電
    其基本原理是，通過架設高空銅滑線來實現市電電源向RTG供電，RTG可以像公交電車那樣從頭頂上的高架滑觸線獲取電力。該方案主要由布置在兩排集裝箱堆場間的架線鐵塔、架高滑觸線、機上滑線導電器、地面配電箱等組成。架高滑觸線采用雙溝銅滑線，通過吊線器掛在承重索上保持水平，機上滑線導電器類似無軌單車的導電弓，同時集電器左右各有一定的擺動自由度，保證RTG在跑偏的狀況下也能夠可靠的供電。
高架滑觸線供電方式的RTG，轉場相對容易，保持了RTG的機動靈活性，但是工程投資相對較大，堆場上空網線較多，并需要考慮滑觸線的防雷、防冰凍（嚴寒地區）問題。
    3．2．3電纜卷筒供電
    電纜卷盤供電型RTG由電纜卷盤、控制系統、導纜架、供電電纜、電纜插頭、地面接線箱等各部件組成。當RTG沿堆場跑道行走時，由電纜卷盤的控制系統根據 RTG行走時供電電纜上的張力，通過變頻控制來調節電纜卷盤的收放速度，使之與RTG的行走速度相匹配，可zui大程度的保證供電電纜的安全。供電電纜經導纜架后，可被準確引導進入地面電纜溝；或者在電纜卷筒行程的正下方，鋪設拖纜槽和安裝導向裝置。電纜端部通過快速插頭與地面接線箱連接獲得市電，地面接線箱內設置有安全開關，保證所有電纜插頭的插拔操作均在無電的情況下安全完成。
    RTG進行轉場操作時，首先關閉地面接線箱內的安全開關，切斷與市電連接，拔下與市電連接的快速插頭（插頭的插拔操作均處于無電的情況）。RTG轉換至柴油發電模式，地面操作站將卷盤電纜人工回收到位，即可同普通RTG一樣進行正常的轉場操作。至新場地后再將快速插頭插上本場地接線箱獲得市電，RTG重新轉換至市電模式運行。
    電纜卷筒供電方式，技術成熟，投資省，操作簡單，但其轉場時供電電纜需要轉換供電接線箱。
    RTG“油改電”，在目前石油價格高昂的背景下，具有很大的成本優勢，而且具有很好的環保效果。它具有以下優點：
    （1）節省設備運行成本。
    根據初步的統計數據，目前每TEU的能耗情況為：常規碼頭RTG（堆5過6，起重量40噸）需消耗2～2.2L柴油，使用市電的RTG需消耗2~3度電能。在現有市場油價、電價情況下其單位標箱能耗成本下降約70％，使用市電的RTG具有*的成本優勢。
    （2）可轉場，有較強機動性。
    （3）實現綠色RTG，無柴油機尾氣污染和噪音。
    電動RTG在作業過程中柴油發電機組處于關閉狀態，沒有柴油機組尾氣排放和發出的噪音，也沒有柴油機對RTG整機結構造成的振動，RTG司機的操作環境得到*改善。同時，市電電網較柴油發電機組更穩定，使得RTG操作性得到提高。
    （4）可靠性高，維護工作量小。
    電動RTG在技術上可以使用較小功率的柴油發電機組代替常規RTG上使用的大功率柴油發電機組，而且由于使用頻率大幅降低，僅在轉場時使用，使得柴油機的大修間隔大大延長，RTG可靠性更高且可節省大量維護成本。
    （5）增加電能回饋系統可進一步節能
    電動RTG若增加電能反饋系統，吊重下降位能可通過逆變單元反饋電網，達總耗電量的20％以上，進一步節省能耗 。
 
（來源：中國工程機械銀網）