RTG变速柴油发电机组节能改造.docx

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RTG变速柴油发电机组节能改造1RTG动力系统及能耗情况轮胎式集装箱龙门起重机（RubberTyredGantryCrane，RTG）是集装箱码头堆场的主要集装箱装卸设备，因其转场灵活、调度便捷等优点而备受集装箱码头青睐。RTG的功率配备必须满足其最大负荷（过载）能力的功率需求，目前普遍使用的总质量为的RTG（最高堆6层集装箱，最大伸距达7层集装箱）需配置功率为左右的发电机组，其工作转速恒定在/min的额定转速。RTG柴油发电机组转速与发电频率之间的关系可表示为n=60f/P式中：n为柴油发电机转速；f为发电频率；P为柴油发电机的磁极对数。对于P=4的柴油发电机，只有当n=/min时，才能输出电压为380V，频率为50Hz的标准三相交流电源，且其转速不受负载大小的影响。RTG每小时工作8～10吊次，平均功率小于。在作业等候、空箱作业、大车行走和小车运行等低负荷情况下，RTG发电机组必须在额定转速下运行，以保持输出电压和频率的稳定，从而造成其有效功率低，富余能量因无法储存而需通过电阻消耗的能源浪费现象。RTG工作时的负载变化频繁，能量需求也随之变化：重载起升加速时，起升电机电流通常为额定电流的1.5倍，功率在200～之间；大车行走、小车运行等工况下的实际功率仅为左右；作业等候时的功率仅超过。RTG的工作特点导致其柴油发电机组存在以下问题：（1）装机容量大由于必须满足短时最高负荷功率需求，装机容量必须按最高需求功率设计，即通常比整机的静态功率大1倍，比实际作业平均功率大3倍。（2）能源效率低由于工作负荷轻重交变频繁，轻载时功率过剩，重载起升加速时发动机冒黑烟，废气污染严重。（3）能量回馈工作机构减速制动时，电机制动产生的大量能量必须通过能耗电阻进行实时消耗。（4）维护成本高大功率发电机组的维修养护成本较高。2RTG变速柴油发电机组节能系统的应用为推动港口业节能减排，码头公司与设备制造商、电控供应商等合作研发出形式多样的RTG节能技术，包括辅助柴油机、超级电容+分档调速、飞轮系统（旧机改造）、超级电容+分档调速、ECO-RTG系统、变速发电机组系统等。招商港务（深圳）有限公司根据码头年集装箱吞吐量（约35万TEU）和RTG拥有量（3台）等情况，结合其小规模内贸集装箱码头的特点，选用变速柴油发电机组（VariableSpeedDieselGenerator，VSDG）节能系统。该系统由功率为，转速为/min的卡特彼勒工程机械发动机、功率为的永磁发电机和大容量高倍率钛酸锂电池组成；利用动力电池缓冲，工作机构加速时电池协助供电，减速制动时实现能量回收；发动机功率可降至原有定速发动机额定功率的50%以下，能稳定控制加速、减速动作，节能近40%。2.1VSDG系统理论依据以44100柴油机为例，其额定功率左右，额定转速/min左右，将其用作功率相当柴油发电机组的发动机，其输出功率与转速和油耗的关系如下：（1）转出额定功率为60kW且转速为/min左右时油耗最低；（2）当负载降至额定负载的1/3（即发电机输出功率为）时：柴油机恒定在/min运转时，油耗/（kWh），即/h；柴油机转速降至/min时，油耗降至230g/（kWh），即/h。两者相比，输出功率同为，油耗相差/h（30%）。（3）在恒定转速下，负载率相差越大，油耗相差就越多。为确保输出电压和频率稳定，柴油发电机组必须在恒定转速下运行。当负载接近额定载荷时，柴油机工作较经济；当负载较轻时，柴油机工作的经济性降低，尤其是大功率柴油发电机组低负载工作时的机械效率和热效率都急剧下降。常规RTG装机功率为左右，最低负荷所需功率仅十几千瓦，不到额定功率的10%，然而其转速必须恒定在/min，能源效率极低。在功率不变的情况下，只要将柴油机转速控制在最大转矩状态下工作，调整转速使柴油机在较经济的范围内工作，便可达到低能耗、高效率目标。柴油发电机组有效功率、有效转矩和发动机转速之间的关系为式中：Pe为有效功率，kW；n为发动机转速，r/min；Me为有效扭矩，Nm。由此可见：同一台发电机组，在扭矩相等（即载荷固定）的情况下，柴油机转速与输出功率成正比；当负载发生变化时，通过调节柴油机的转速可以获得所需能量；当转速变化时，输出电压和频率发生改变，此时需要通过能量转换来稳定输出频率和电压。2.2VSDG系统结构传统柴油发电机采取柴油机与发电机结合的方式；变速柴油发电机系统除装配柴油机和发电机外，增加缓冲储能单元、能量管理单元、能量转换单元和辅助电源单元（见图1）。2.2.1柴油发动机RTG的VSDG节能系统使用工程机械用可调速柴油发动机，工作转速为800～/min，最大输出功率为205kW，控制系统根据用电负荷的需要自动调整发动机转速。2.2.2永磁同步发电机发动机的标称功率是在工厂内不带风扇情况下测试出的功率，在带风扇、发电机和油泵等负荷的情况下，发动机的输出功率会有所减小；因此，选择额定功率为的永磁同步发电机。当电池组出现故障不能工作时，完全靠柴油发电机组便可完成慢速提升及大车行走等功能，从而不影响码头作业。2.2.3能量管理单元能量管理单元通过检测负载所需的实际功率来控制发电功率，并根据柴油机的特性曲线，按所需功率控制柴油机转速经济运行；此外，能量管理控制单元还可监控能量转换过程的直流电压，控制柴油机启动、停止、安全运行及保护等逻辑功能。柴油机转速取决于检测到的实时功率，实时功率通过对电流、电压、负载变化的测量获取信号，并根据信号实时、动态地调节供油量，从而达到调速的目的。能量控制单元实现供油量与负载的全程匹配，按照最大功率设计的油门调节器使能量得到最佳控制。2.2.4能量转换器能量转换器的功能包括：（1）把任意频率和任意电压转换为恒定；（2）按柴油机特性控制发电功率，确保柴油机在突加载荷时不冒烟、不熄火；（3）保护柴油机不反转；（4）在柴油机启动时起驱动器的作用。2.2.5缓冲储能单元当负载较小时，为提高能源效率，系统控制发电机组低速运行；当负载突然增加时，柴油机会因加速缓慢而跟不上负载提升（扭矩增加）的速度而立即“死火”。动力电池储能单元能通过缓冲解决上述问题：当负载增加时，储能单元放电增加输出功率，以满足负载加大的需求，给柴油机提速和增加发电机输出功率留出足够缓冲时间。由于储能单元的关键作用在于为发电机组加速留出缓冲时间，因此也称为缓冲储能单元。在RTG负载起升时，缓冲储能单元协助放电和输出功率的全过程如图2所示。在VSDG系统中，储能单元的放电功率和容量决定着发电机组的功率配置。放电功率太小或容量过低均不能满足缓冲所需的时间要求，容量过大则会造成成本过高；因此，在VSDG系统设计过程中，必须通过精确计算来选配缓冲储能单元，以使之与发动机的功率精密匹配。当RTG起升机构下降或其他工作机构制动减速时，负载突然变轻，VSDG控制系统会实时减油降速，以确保发动机在经济转速运行。传统RTG各机构电机在反向制动（如起升机构下降或大车、小车减速）时在制动力矩作用下发电，产生的电能通过变频器转换为直流电能，这部分能量最终通过能耗电阻转变为热能直接消耗掉。根据测算，消耗在能耗电阻上的能量占总能量的40%左右，如果能将这部分能量回收利用，无疑能收到良好节能效果。在RTG减载下降时，缓冲储能单元通过电机制动力矩产生的能量充电的过程如图3所示。当RTG重载下降时，由于制动力矩产生的回馈能量瞬时电流较大，充电倍率低的电池无法回收全部能量，仍需通过能耗电阻消耗部分能量。缓冲储能装置采用锂离子电池，最大放电功率为。储能电池组配备主动式均衡系统，可以延长电池寿命；电池组电流通过直流变换器输出到直流母线，直流变换器不仅可以控制恒定直流母线的电压，而且可以控制电池充放电电流；电池组由204节电池串联，当其中一节或几节电池出现故障时，通过直流变换器输出的直流电压能保持不变，从而不会影响RTG的正常工作，但系统会报告电池故障，并指明故障电池的位置，以便于维修。2.2.6辅助电源单元经VSDG节能改造后，柴油机房供电至电气房的电源为直流电，直接接入电气房的直流母线上；在电气房内安装逆变电源以提供交流电源，供辅助交流系统工作，逆变电源的容量为。为保证液压站2台电机的启动，在电气房内增加2台变频器，直接从直流母线供电。辅助电源经过逆变后还要经滤波装置使之成为正弦波，以满足其他用电设备的需求。2.3VSDG系统操作特性VSDG系统实施自动化控制：在RTG候工时，VSDG系统柴油机可以自动处于休眠状态，由电池提供小负荷用电，实现不间断供电；在接到作业操作指令时，系统会自动唤醒柴油发动机；当发动机产生故障时，可利用电池能量低速进行安全方向操作，卸载后依靠电池能量将RTG移出作业场区；当控制或储能系统产生故障时，可手动切换到定速发电模式，低速进行安全方向操作，移动RTG至维修场。VSDG节能系统改造后，柴油机房操作功能、整机原有作业性能及司机原有操作习惯均保持不变。2.4VSDG系统改造方案及主要技术参数2.4.1VSDG系统改造方案按原动力房尺寸和接线口设计并新造动力房，安装VSDG系统，经实验室调试、测试其全部参数符合要求后，用新动力房替代旧动力房。现场改造内容如下：（1）分离旧.柴油机房的电线和管线；（2）吊下旧动力房；（3）吊装新动力房；（4）连接新柴油机房电线和管线；（5）在电气房内安装辅助电源装置；（6）调试系统；（7）测试功能；（8）投产试运行。2.4.2VSDG系统主要技术参数（1）整机性能输出电压为直流电630～；最大输出功率为；持续输出功率为；辅助电源电压为交流电；辅助电源功率为。（2）柴油发动机制造商为卡特彼勒公司；型号为C7；功率为205kW（2200r/min）；有电控单元。（3）发电机形式为永磁同步发电机；功率为；额定电压为365V；额定转速为1500r/min；额定电流为285A。（4）能量转换器额定功率为160kW；额定电压为380V；额定电流为300A；冷却方式为风冷。（5）电池组类型为锂离子电池组；额定电压为460V直流电；容量为13.8kWh；最大持续放电电流为600A；电池组寿命为8000次充放电；均衡方式为主动式；有管理系统。（6）双向直流变换器额定电流为400A；输入电压为直流电300～600V；输出电压为直流电500～750V；控制方式为充电、放电和自动。3VSDG系统效益分析RTGVSDG系统改造的成本效益如表1所示。由此可见：（1）若RTG平均每小时作业8～10吊次（取9吊次），按75%的利用率计算得出RTG的最大年作业吊次为5.9万吊次；如果业务量不饱和，码头公司可选择部分改造，充分发挥已改造RTG的效率，合理安排生产作业，提高利用率，以达到节省成本、缩短改造投资回报期的目的。（2）随着国家对动力电池行业支持力度的加大以及行业技术的发展，动力电池技术瓶颈将逐步得到解决，电池成本将持续下降。（3）拆除下来的旧发电机组可转让出售，以冲抵部分改造费用。（4）若能申请政府的节能技术补贴，将进一步降低改造成本。RTGVSDG系统改造的节能减排效益如表2所示。RTG进行VSDG系统改造后的节能减排效果明显，对于场地不规则、生产规模较小的集装箱码头具有较好的应用价值：（1）技术可行改造方案具备智能能源管理系统、能量变换系统、全程调速发动机和能量回收系统等四大核心技术，可靠性较高。（2）方案可行改造方案不改变原有操作方式，保持RTG灵活性；投资不大，节能效果显着；改造灵活，码头公司可根据业务需要选择全部或部分RTG设备进行改造。（3）经济可行改造投产后可立即获得收益，能在较短的时间内收回投资。（4）社会效益直接减少污染物排放40%以上，有利于创建资源节约型绿色港口。