1 研究背景

改革開放以來, 我國經(jīng)濟(jì)取得了世界矚目的成就, 但資源消耗量卻大大高于世界平均水平。據(jù)統(tǒng)計(jì), 我國電力、鋼鐵、有色、石化、建材、化工、輕工、紡織 8 個(gè)行業(yè)主要產(chǎn)品單位能耗比******高 40%, 我國消耗每噸能源實(shí)現(xiàn)的GDP 僅為世界平均水平的 30%。

為此, 國家在“十一五”規(guī)劃綱要中明確提出“必須加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式。要把節(jié)約資源作為基本國策, 發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì), 保護(hù)生態(tài)環(huán)境,加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會, 促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口、資源、環(huán)境相協(xié)調(diào)。推進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)和社會信息化, 切實(shí)走新型工業(yè)化道路, 堅(jiān)持節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展, 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展?！?交通部也提出“加快建設(shè)**型交通行業(yè),走資源節(jié)約型、環(huán)境友好型交通行業(yè)發(fā)展之路”,要求貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀, 適應(yīng)新形勢、新要求,著力增強(qiáng)**能力, 促進(jìn)交通行業(yè)更好更快發(fā)展。港口是為國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展提供公益服務(wù)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè), 經(jīng)濟(jì)的快速增長為我國港口發(fā)展帶來了難得的機(jī)遇。隨著港口機(jī)械化、自動化程度不斷提高, 港口基本裝備和貨物吞吐量及衍生產(chǎn)業(yè)迅猛增長, 能源消耗也年年攀高。

上港集團(tuán)是我國*大的港口集團(tuán)之一, 截至2007 年 底 上 港 集 團(tuán) 擁 有 萬 噸 級 以 上 碼 頭 泊 位80 個(gè), 其中集裝箱泊位 35 個(gè), 完成貨物吞吐量3.53億 t, 占上海港總吞吐量的 63%, 完成集裝箱吞吐量 2 615 萬 TEU, 名列世界**。同時(shí), 上港集團(tuán)也面臨著巨大的能耗壓力。為此, 上港集團(tuán)積極響應(yīng)國家“建設(shè)節(jié)約型企業(yè)” 的倡議, 組織開展了一系列節(jié)能降耗技術(shù)的研究工作, 并加以推廣應(yīng)用, 以促進(jìn)企業(yè)持續(xù)又好又快發(fā)展, 提高上海港作為國際樞紐大港的核心競爭力。

2 上海港能耗結(jié)構(gòu)

上海港擁有上港集團(tuán)公用碼頭和企業(yè)專用碼頭兩部分, 以公用碼頭為主體。2007 年上港集團(tuán)能源消耗總量 384 857 t 標(biāo)準(zhǔn)煤, 同比增長 3.84%, 主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)[1]:

1) 按業(yè)務(wù)板塊分, 能耗從大到小依次為物流板塊、集裝箱板塊、散雜貨板塊、服務(wù)板塊, 分別為43%, 33%, 11%和 9%, 其他板塊僅占 4% ( 圖 1) 。

2) 按消耗能源類別分, 以柴油和電力為主,2007 年柴油消耗 140 561 t, 電消耗 24 709 kWh,同比增長 6.6%和 6.7%。

3) 從耗能主體看, 主要為集裝箱橋吊、件雜門機(jī)以及場地照明等電耗和集裝箱輪胎吊、集卡等油耗, 其中集裝箱輪胎吊的柴油消耗約占集團(tuán)、柴油總量的 1/4。

3 上海港節(jié)能降耗技術(shù)研究

基于對能耗結(jié)構(gòu)分析, 重點(diǎn)圍繞以下方面展開對節(jié)能降耗技術(shù)的攻關(guān)研究。

3.1 RTG 油改電[1]

集裝箱輪胎吊 ( 簡稱 RTG) 依賴其自身配置的柴油發(fā)電機(jī)組提供電源進(jìn)行工作。隨著國際原油市場的動蕩及燃油價(jià)格的不斷上揚(yáng), 輪胎吊的運(yùn)行成本不斷攀升, 給各碼頭公司帶來沉重的負(fù)擔(dān)。同時(shí), 輪胎吊排放廢氣黑煙和柴油機(jī)的巨大噪音也與環(huán)保要求有一定差距。RTG 油改電原理是在保留原有柴油發(fā)電機(jī)組的情況下增加一套市電供電裝置, 當(dāng) RTG 在堆場起吊貨物時(shí)采用市電供電方式, 當(dāng) RTG 轉(zhuǎn)場時(shí), 采用原有柴油機(jī)供電方式。根據(jù)港區(qū)堆場的特點(diǎn), 實(shí)踐中試驗(yàn)了兩種改造方法:

1) 磁滯連軸器電纜卷筒方案。在 RTG 一側(cè)增加電纜卷盤, 電纜纏繞在電纜卷盤上, 電纜的一端與 RTG 的整機(jī)供電回路連接, 另一端沿著設(shè)于所述電纜卷盤下方的龍門架鞍梁處的電纜導(dǎo)向裝置后進(jìn)入地面的電纜槽, 并沿著電纜槽引伸連接至電纜槽端部的一市電接線箱; RTG 行走時(shí),電纜卷盤根據(jù) RTG 與市電接線箱的距離收放電纜( 圖 2) 。

改造內(nèi)容分堆場和 RTG 兩部分: 即在港區(qū)堆場上增加變壓器、電纜溝、導(dǎo)纜體、電纜固定體、電纜夾和供電箱等組件; 在 RTG 本機(jī)上增加電纜卷筒及平臺、變頻器控制箱、導(dǎo)纜架及固定支架、電源切換箱等。

2) 高架滑觸線方案。本方案采用大跨距高架鐵塔架空滑線, 吊車集電器采用支撐辮子和滑導(dǎo)受電的形式, 由自立鐵塔 ( 端塔和中塔) 、承重索、懸掛固定架及滑觸線組成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)體系。鐵塔*上端為避雷索, 中間為承重索, *下端為滑觸線, 滑觸線上每 10 m 安裝 1 個(gè)吊線器, 以保證滑觸線基本水平; 在滑觸線端部設(shè)配重橫擔(dān),防止滑觸線在室外溫度隨季節(jié)變化而導(dǎo)致的熱脹冷縮作用下發(fā)生下垂度的變化; 同時(shí)設(shè)有防搖橫擔(dān), 以便在大風(fēng)情況下盡量減少滑觸線的擺動幅度 ( 圖 3) 。供電設(shè)施布置在中間位置, 供電電壓為 460 V/AC。

3.2 混合動力 RTG[2]

混合動力 RTG 就是將常規(guī) RTG 起重機(jī)下放物體釋放的能量收集起來, 轉(zhuǎn)化為電力, 采用超級電容進(jìn)行存儲, 然后在需要時(shí)重新提供給起重機(jī),以降低現(xiàn)有柴油機(jī)發(fā)電機(jī)機(jī)組容量。這種 RTG 不僅節(jié)能環(huán)保, 而且可以保持常規(guī) RTG 操作靈活的優(yōu)勢。其技術(shù)核心是在原有柴油發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上,讓輪胎吊加裝 1 臺智能電氣控制裝置, 時(shí)刻“監(jiān)視”輪胎吊的工作情況。

混合動力 RTG 改造主要是動力系統(tǒng)的改造,由小功率柴油發(fā)電機(jī)組、超級電容和 DC/DC 控制器組成, 超級電容和 DC/DC 控制器為關(guān)鍵設(shè)備。

這些設(shè)備由先進(jìn)的 PLC 可編程序控制器控制, 配有超速保護(hù)和超負(fù)荷保護(hù)裝置大車還配備只有手動糾偏功能等的各類安全保護(hù)裝置, 以確保起重機(jī)安全、可靠的使用 ( 圖 4) 。目前在冠東公司推廣使用 30 臺。

3.3 門機(jī)變頻改造[3]

目前, 上港集團(tuán)還有近 50 臺常規(guī)門機(jī)仍在使用。對常規(guī)門機(jī)進(jìn)行變頻改造, 是上港集團(tuán)節(jié)能降耗又一技術(shù)措施, 其基本節(jié)能原理如下。

1) 常規(guī)控制常用繞線電機(jī), 繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻將一部分電能轉(zhuǎn)換成熱能; 變頻控制采用變頻鼠籠電機(jī), 不存在轉(zhuǎn)子串電阻耗能問題。

2) 常規(guī)控制為獲得低速常用能耗制動、渦流制動、單相制動、反接制動、自激動力制動; 采用變頻控制后低速運(yùn)行基本不消耗上述幾種制動過程所需的無用有功電能。

3) 常規(guī)控制系統(tǒng)平均功率因數(shù)小, 在 0.6～0.8之間; 而變頻器控制系統(tǒng)功率因數(shù)大于 0.85。功率因數(shù)的提高可減少無功損耗, 在不加電容補(bǔ)償柜的情況下, 提高了供配電系統(tǒng)帶負(fù)載的能力。

4) 帶能量回饋的整流逆變控制系統(tǒng)不用制動單元和制動電阻, 減少了器件數(shù)量, 提高了可靠性, 節(jié)省了空間, 還能將位能負(fù)載下降時(shí)的能量和停車時(shí)的能量回饋到電網(wǎng)。但其成本高, 投資回報(bào)周期長。

5) 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用變頻控制后可以回避有些司機(jī)常習(xí)慣打反車這一**操作, 減少了因打反車時(shí)為克服這一運(yùn)動慣性而造成起動電流過大所導(dǎo)致的電能的額外消耗。

6) 對于電壓不穩(wěn)的供配電系統(tǒng), 常規(guī)控制在電壓較低時(shí), 起動電流大, 起動時(shí)間長, 線路壓降大; 在電壓較高時(shí), 空載和輕載運(yùn)行電流大,因此常規(guī)控制的有功損耗大。使用變頻控制時(shí)由于變頻器的 IGBT 工作在開關(guān)狀態(tài), 變頻器本身對電壓的波動適應(yīng)范圍寬, 正常工作受影響較小,有功和無功損耗大大減少。

7) 變頻電機(jī)不存在轉(zhuǎn)子外接線問題, 變頻器本身保護(hù)功能強(qiáng), 一旦檢測到所控電機(jī)回路有對地漏電、匝間短路、三相輸出不平衡時(shí), 變頻器立即保護(hù)停機(jī), 并且報(bào)故障原因, 這不僅消除了安全隱患, 而且不會造成不必要的電能損耗。

3.4 高桿節(jié)能燈[4]

目前, 國內(nèi)集裝箱碼頭作業(yè)箱區(qū)普遍采用高桿燈集中照明方式, 電力負(fù)荷特性決定其照明設(shè)備長期處在電壓偏高的狀態(tài)下運(yùn)行, 電能消耗大,并且減損電器器件的使用壽命。

高桿節(jié)能燈原理為: 安裝節(jié)能裝置對照明供電系統(tǒng)電壓進(jìn)行優(yōu)化處理, 通過電壓采樣系統(tǒng)進(jìn)行智能分析, 動態(tài)調(diào)整電壓、濾波、補(bǔ)償, 三管齊下,在不影響照明設(shè)備正常使用和照明效果的前提下,自動選擇輸出一個(gè)*優(yōu)的照明功率, 減少由于電壓過高和電網(wǎng)中的高次諧波所產(chǎn)生的熱能, 達(dá)到既節(jié)約電能又延長用電設(shè)備使用壽命的雙重功效。

4 節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用及效果

結(jié)合港區(qū)生產(chǎn)對研究開發(fā)的節(jié)能降耗新技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)和推廣, 經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn), 效果明顯。

4.1 RTG 油改電[1]

RTG 油改電高架滑觸線方案和磁滯連軸器電纜卷筒方案節(jié)能效果相近。在外二期和外四期分別試驗(yàn)比較顯示: 采用高架滑觸線供電方案, 可供多臺 RTG 同時(shí)使用, 設(shè)備的運(yùn)營和維護(hù)成本較低, 鐵塔和鋼索壽命都在 20 年以上; 人員操作幾乎沒有變化, 基本不需要額外的培訓(xùn)和管理成本;而且改造施工基本不影響堆場日常作業(yè)。為此,確定對外高橋港區(qū) RTG 分步實(shí)施高架滑觸線供電改造。目前, 外二期 1 條作業(yè)線已改造完成并投入使用, 另有 10 條作業(yè)線正在實(shí)施之中, 其中外二期 5 條、外四期 4 條、外五期 1 條, 每條作業(yè)線可供 8 臺輪胎吊使用。根據(jù)改造后實(shí)際運(yùn)行記錄, 對應(yīng)用效果進(jìn)行了測算比較, 見表 1。

上海盛東集裝箱碼頭有限公司 ( 洋山一期)對#160RTG 進(jìn)行了混合動力改造并于 2006 年 11月20 日投入運(yùn)行, 目前運(yùn)行正常。與普通輪胎吊比較, 耗油情況如表 2 示?？梢钥闯? 混合動力輪胎吊與其他輪胎吊相比, 節(jié)能率在 36%以上。

4.3 門機(jī)變頻改造[3]

上港集團(tuán)門機(jī)變頻改造首先是在**路碼頭試驗(yàn)取得經(jīng)驗(yàn)后推廣至龍吳等港區(qū)。2007 年以來,集團(tuán)投資 920 萬元, 對 14 臺門機(jī)的電控系統(tǒng)進(jìn)行改造, 優(yōu)化設(shè)計(jì)變頻控制系統(tǒng), 采用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的無級和無觸點(diǎn)控制, 使門機(jī)平穩(wěn)啟動、制動, 從而減輕了各個(gè)機(jī)構(gòu)在機(jī)械起、制動時(shí)對門機(jī)機(jī)械部分造成的沖擊, 延長了門機(jī)機(jī)械部分的壽命, 使門機(jī)的單耗下降 20%左右。

2008 年, 對集團(tuán)下屬公司具備條件的 18 臺門機(jī)安排改造, 這樣集團(tuán)**完成門機(jī)變頻改造任務(wù)。

4.4 高桿節(jié)能燈

2006 年, 振動分公司對港區(qū)堆場高桿燈節(jié)能裝置進(jìn)行實(shí)際效果測試, 測試數(shù)據(jù)表明: 使用節(jié)能裝置后, 功率因素接近“1”, 電網(wǎng)損耗下降,提高了電網(wǎng)利用率; 同時(shí), 輸入每個(gè)燈的電壓控制在 200 V×( 1±2%) , 工作電流明顯減少, 發(fā)光達(dá)到規(guī)定照度, 節(jié)能明顯。

在 24 座高桿燈推廣應(yīng)用后, 我們對節(jié)能裝置抽樣 3 臺進(jìn)行連續(xù) 3 天以上數(shù)據(jù)采集和綜合節(jié)能率分析, 證明可以達(dá)到 20%以上節(jié)能率的預(yù)期目標(biāo)。目前, 集團(tuán)計(jì)劃在外四、外五、洋山等有條件的集裝箱港區(qū)推廣使用。

5 結(jié)語

節(jié)能降耗是港口持續(xù)發(fā)展的有效手段, 是港口文明與進(jìn)步的重要標(biāo)志, 是提高港口國際競爭力的重要保障。上港集團(tuán)經(jīng)過幾年來在節(jié)能降耗技術(shù)方面的研究、試驗(yàn)和積累, 取得了一些效果和成績, 目前正將這些技術(shù)在港區(qū)**推廣。我們將通過項(xiàng)目的應(yīng)用繼續(xù)展開完善、優(yōu)化的工作,不斷結(jié)合實(shí)際尋找突破點(diǎn), 虛心向兄弟港學(xué)習(xí),借鑒好經(jīng)驗(yàn)、好方法, 真正把節(jié)能降耗工作做細(xì)做實(shí), 以創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。