场桥“油改电”后续节能改造方案其效益

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随着我国“十二五”规划的推进以及近年来节能减排项目的推广应用,起重设备市电作业已成为发展趋势.场桥是港口码头重要的起重设备,其动力源由柴油改为市电成为港口业节能减排的方向之一.在大范围推广使用市电作业的同时,如何有效结合场桥与市电作业特点,制定场桥“油改电”后续节能改造方案以实现更优的节能效果成为业内新的研究方向.本文结合大连港场桥设备使用情况,介绍回馈电网、蓄能和设备待时等多个节能改造方案及其效益情况.

1.节能改造方案

1.1 回馈电网节能改造方案

回馈电网节能改造方案通过将起升电机制动时所产生的电能进行再利用来达到节能目的,其技术核心在于能量回馈及设备共享.从能量回馈方式来看,回馈电网目前有交流回馈电网和直流回馈电网等2种形式.

1.1.1 交流回馈电网方案

交流回馈电网需要在直流母线单元后端增加逆变装置,以取代原先的能耗制动单元,将电机制动所产生的直流电逆变为交流电回馈电网（见图1）；如果直流母线单元具备逆变功能,则不需要增加逆变装置.

该方案的优点：（1）技术成熟,电压、电流谐波较小,对电网污染较小；（2）可同时使用多台设备且不会产生过多谐振,不影响系统正常运行；（3）实用性较强,可用于恶劣工况和多雷等极端气候条件下的港口码头；（4）安装简便,系统安装调试仅需2～便可完成；（5）对原系统的正常运行影响较小；（6）具有较好的安全性和可靠性,发生故障时自动报警,回馈电网自动断开回路,原系统正常工作.

1.1.2 直流回馈电网方案

直流回馈电网直接供电场桥变频器,通过整流器为场桥辅助设备供电；由于采用直流供电,需在场地内增加整流柜,以便将交流电转换成供设备使用的直流电.该方案结构形式简单,由于减少逆变过程,其节能效果和投资回报率优于交流回馈电网方案；但是,由于直流电直接回馈电网,导致电网中会出现谐波、叠加电压等问题,这使场桥设备的抗干扰设计成为直流回馈电网应用解决方案的关键.随着制造工艺和技术的不断进步,直流回馈电网的谐波等问题已得到有效解决,这为直流回馈电网方案的推广应用扫清障碍.

1.2 蓄能节能改造方案

蓄能节能改造方案同样通过将起升电机制动时所产生的电能进行再利用来达到节能目的,其技术核心在于能量的储存和再利用,该方案适用于常规场桥和交流或直流供电电源场桥.目前市电场桥的蓄能方式主要有电池和超级电容蓄能.对于转场时需要使用柴油机组的“油改电”场桥,增加蓄电装置作为动力源,以实现其短距离转场功能.该方案取消市电与柴油机组之间的切换,实现转场供电的无缝连接；同时,由于断电频率降低以及启动发动机的工作流程减少,场桥转场时间大大缩短,从而使工作效率得到提升.如果直流供电场桥使用蓄能装置作为转场供电电源,不仅可以简化发电机组模式（直流母线单元不能省略）,节省场桥采购费用和发动机维护费用,而且其电池组有利于抑制谐波,益处良多.

1.2.1 超级电容蓄能方案

超级电容蓄能利用大功率电容蓄能元件,将起升电机制动时所产生的电能进行蓄能.该方案的优点：（1）充电速度快,充电～便可达到额定容量的95%以上；（2）功率密度高,相当于电池的5～ 10倍；（3）其生产、使用、储存及拆解过程均没有污染,是理想的绿色环保电源；（4）直接将电能储存于电场,无能量形式转换,响应速度快,效率高,循环寿命好.该方案的缺点在于能量储存周期较短.

1.2.2 电池蓄能方案

随着科学技术的不断进步,电池蓄能已成为蓄能节能的主要发展方向之一.与电容蓄能方案相比,电池蓄能方案的安全性较好,可靠性较高,放电时间较长,电能储存周期相对较长,但其价格较贵,电池组一致性不高导致其使用周期有限,且蓄能比例低于超级电容蓄能方案.电池蓄能状态和电池蓄能再利用状态分别见图2和图3.

铅酸电池储能的特点：安全性好,技术成熟,能量转换效率高,价格低廉,但由于电池的均一性较差,循环寿命较短.锂电池储能的特点：锂电池是一种高比能量、高比功率型超级电池,但其价格昂贵.镍氢电池储能的特点：目前主要技术问题是电池的均一性较差,由于镍氢电池的电压低,组成 电池系统需要500节电池串联,导致电池的可靠性较差,且电池组价格较贵.

随着锂电池技术的迅速发展,电池蓄电成为未来可行的场桥节能减排发展方向.锂电池价格、使用循环次数、充电时间等的不断改善使电池蓄电场桥的应用性越来越强.电池蓄电场桥的优势：不需要增加地面及设备配套设施,结构简单且安全性和可靠性较高,无电网干扰；由于其动力源为绿色能源,更适合场桥未来发展方向和要求.

1.3 市电设备待时节能改造方案

“油改电”场桥使用市电作业有效地降低了使用成本,但在作业过程中存在不少管理缺陷.从待时能耗方面来看,市电场桥在不作业时持续通电,空调、加热器、变压器等设备耗电必然导致电能空耗问题.以大连港市电场桥为例,其停机待时平均耗电量为6.5～9.0 kW h.针对该情况,对设备能耗进行系统性分析,将辅助变压器以下用电切断,以节省整机设备电耗,同时保持场桥驱动器等核心设备的正常预热功能.针对目前场桥送电后起升、大车、小车位置数据丢失造成需要重新对各机构进行同步操作的问题,对程序进行改造,将起升、大车、小车位置数据以及各机构位置有效点增加至寄存数据参数组,该参数组可确保数据在设备断电后的持续保持.以上改造不仅能避免场桥各机构在重新送电后不重复同步操作,而且能避免设备位置数据丢失后机构慢速工况的问题.通过以上改造,大连港市电场桥的停机待时平均电耗降低至2 kW h左右,全部24台市电场桥1年可节省的费用相当可观（见表1）.

2.节能改造方案效益分析

上述场桥“油改电”后续节能改造方案的应用效果较好,其经济效益如表2所示.

表2 场桥“油改电”后续节能改造方案投资回报情况

3.结束语

场桥“油改电”后续节能改造有效地减少了设备能耗,为码头进一步节约运营成本提供有效途径,不仅为创建绿色码头提供可行性方案,而且是创建低碳、和谐社会,实现“十二五”规划的有效方法,其推广应用前景十分光明.

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2013-01-24）