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RTG起重机能耗分析
维姬·帕帕约安努，斯特凡诺·皮特罗桑蒂，威廉·霍尔德鲍姆，维克多·韦塞拉，雷纳·迈尔
雷丁大学，怀特奈特，雷丁，英国RG6 6AY
文章信息
文章历史:
2015年12月28日收到，2016年12月20日收到修订版
2017年2月20日接受，2017年2月22日在线提供
关键词:
RTG起重机 能量分析
摘要
本文的目的是研究和分析轮胎式龙门起重机的各种电机所使用的能量。为此，在费利克斯托港安装了一台橡胶轮胎龙门起重机(RTG)，并在八天的正常运行期间收集了数据。该数据已根据主动和怠速模式以及各种电机的能耗进行了分析。根据这一分析，可以确定平均大约一半的能耗是潜在可回收的。据估计，回收这部分能源每年可在费利克斯托港节省32600升燃料和8100吨二氧化碳。
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1.介绍
集装箱港口每天运送数千个集装箱需要消耗大量的能量。每一个被提升的集装箱都必须被降低，这种惯性能量可以被回收。在由电网供电的集装箱起重机中，回收的能量可以在同一台起重机上重复使用，放回电网或在港口的其他地方就地使用。在轮胎式龙门起重机(RTG)的情况下，能量通常不会被回收，而是被耗散在卸载电阻器中。当RTG是柴油驱动的，那么在一年的时间里，它将使用超过120，000升的柴油燃料。费利克斯托港表示，在大型港口，可能有多达100台RTG起重机消耗百万升柴油，导致数千公斤二氧化碳排放。这些能量可以在起重机上就地回收，用于提升下一个集装箱。为了给RTG起重机设计一个合适且高效的能量存储系统，有必要了解其在典型运行周期下的能量使用模式。
在过去的十年中，已经进行了研究，将各种储能系统(如超级电容器、电池和飞轮系统)安装到RTG起重机上。通过试验测试结果表明，在RTG起重机上安装储能系统可以降低燃油消耗，减小柴油机尺寸，提高发动机寿命。然而，分析能源使用的领域RTG起重机的不同电机尚未得到充分调查。
雷丁大学与费利克斯托港合作，从柴油起重机和最近的电动RTG起重机收集和分析数据。数据已从标准测试和运行中收集。该文件的贡献如下:
（1）从八天运行得出的数据来看，给出了起重机实际工作的时间（2）能量是如何在不同的发动机之间分配的(3)对起重机各种电机的能量分析已经执行(4)最终获得了总可回收能源的一系列百分比根据特定日期的工作量进行计算。
论文结构如下。首先，介绍了RTG起重机系统。然后，简要统计分析集装箱重量和集装箱升降机介绍。解释了数据收集和数据分析的方法。接下来，有关于时间和能量分布以及与起重机的各种电动机相关的能量的结果用图形和数字表示，包括损失和潜在可回收能量的估计。最后，在总结之前简要讨论了结果及其分析。
2.问题陈述
在大型港口，集装箱从牵引车转移到使用RTG起重机的集装箱排。在许多情况下，每台起重机都由驱动交流发电机的柴油发动机驱动。电力被整流，DC网络被用来将电力分配给驱动RTG起重机的升降机、小车和运动的所有电动机。当集装箱下降时，电动机发电，并向DC电网供电。在没有储能系统的情况下，多余的能量被释放到电阻组中。如果足够的能量储存在适当的位置，多余的能量可以被储存、回收并用于下一次提升。这可能会导致显著的能源节约，因为典型的RTG起重机每天移动数百个集装箱。从典型操作下的适当仪表化的RTG起重机获得的数据可用于确定现有电动机如何有效地使用能量，并研究提高起重机效率的选项。尽管码头运营商主要关注成本，但社会关注的是当地和全球的环境影响。由于集装箱港口是巨大的能源用户，减少二氧化碳排放对于限制气候变化尤为重要。
3.RTG起重机系统的描述
港口是集装箱从集装箱船转移到陆地运输基础设施(火车、卡车)的通道，反之亦然。集装箱被堆放在港口，等待被转移到船上或卡车上，负责堆放集装箱的机器是RTG起重机，它被设计成跨在集装箱堆上。这些起重机通常配备有四对轮子，允许它们在码头周围移动；这种类型的运动被称为“龙门运动”。
图1显示了在费利克斯托港使用的RTG起重机。从图2中的简图可以看出，起重机使用吊具安全地连接到集装箱上；吊具通过八根钢丝连接到起重机上，这些钢丝连接到一组滑轮和位于台车上的卷筒上，而台车通常位于驾驶室内。
小车沿垂直于集装箱长度的方向水平移动。这种类型的运动被称为“小车运动”；
吊具的向上和向下运动是通过连接到提升电机的主卷筒的旋转来实现的。这叫做“起升运动”；
图1。RTG起重机在费利克斯托港运行。
图2。RTG起重机的绘图及其沿三维方向的运动。
“龙门移动”被定义为使用四组橡胶轮使整个起重机沿着集装箱堆移动。
所有致动器都是电动马达，它们在功耗方面的排名按降序排列:小车马达、龙门马达和提升马达，后者占起重机总能耗的四分之一以上。驱动电机的电能由柴油发电机(柴油驱动的RTG起重机)或电网(RTG起重机)提供。
如图3所示，起重机、小车和门架电机连接到DCbus上，由初级能源通过整流器供电。当电机需要功率时(例如，当提升集装箱时)，DC总线电压降低，而当电机再生功率时(例如，当降低集装箱时)，该电压升高。再生能量馈入DC总线，允许其他电机使用部分回收的能量，而所有多余的能量随后被倾入制动电阻，当DC总线电压达到阈值时，制动电阻启动。大部分可回收的能量来自容器下降后损失的势能。
图3示出了起重机中的主要电气元件，包括:三相电源，其可以是柴油发电机组或与电网的连接；给DCbus供电的整流器；一个电动机和驱动器，代表一个或多个可以作为动力负载或动力源的电动机；释放多余能量(如果没有安装储能系统，则释放所有回收的能量)的泄放电阻，最后是飞轮储能系统(FESS)，这是一种储能技术，可添加到起重机上，并直接连接到DC总线。
图3。添加了能量存储系统的RTG起重机的主要电气元件图[20]。
4.方法
4.1 .数据收集
数据记录器用于从可编程逻辑控制器(PLC)收集数据，可编程逻辑控制器控制RTG起重机的运动。对费利克斯托港的一台起重机进行了八个典型工作日的监控，以收集关于起重机日常使用情况的信息。该数据包括进入DC线路的整流器的能量以及每个起重机电机的电流和电压。附加信息包括与扭转锁状态相关的数据，该数据指示吊具何时锁定和解锁。可以处理这些数据，以便确定流入和流出每个电机的能量。已经收集了8天的数据，以便包括高活动和低活动天数。尽管数据涵盖了8天的时间，但为了准确计算能源使用量和节能潜力，分析仅在起重机积极使用的日子进行。被监控的起重机是在费利克斯托港发现的最常见的RTG起重机模型。
4.2 .能量计算
分别将Er、Eh、Eg定义为整流器能量、提升能量和机架能量。每个电机消耗或产生的电能通过使用欧拉积分规则(1)对电功率随时间积分来计算。
(1)
其中，E是电能，P是电机消耗或产生的电能，h是采样间隔，t0是运行的初始时间，tf是运行的最终时间。由于电动机是三相的，电功率的表达式由下面的公式给出:
P= (2)
其中，是在电机终端测量的电压有效值，是进入电机的交流相电流有效值。
考虑到大部分能量在整流器、起重机和门架电机之间交换，剩余的能量消耗被集中到变量E1中。该值主要包括整流器和DCbus的损耗、电车能量以及不能分配给主电机的所有剩余能量。其计算如下:
(3)
其中Er是整流器能量，是消耗的提升能量，是消耗的机架能量。闲置能量定义为起重机处于闲置模式时消耗的能量。
4.3 .基于工作小时数的天数分类
根据表1中描述的运行小时数，收集的八个工作日的数据分为典型运行、低活动和极低活动天数。稍后将使用这种分类来讨论每个单独工作日组的结果。由于工作量的变化在收集的数据中有所体现，所以PoF的RTG起重机涵盖了所有工作日。
5.活动的统计分析
如第4.1节所述，数据是在操作过程中从起重机PLC收集的。在现有的信息中，还可以测量集装箱重量、两次提升之间的时间间隔、提升持续时间、能量需求和其他起重机活动参数。
5.1 .集装箱重量
测量负载重量并分析收集的数据，以提取确定起重机能耗所需的统计信息。图4显示了集装箱重量在4天内的分布集中在两个峰值附近，分别为10吨和27吨。这是由于集装箱中运输的货物类型:一些集装箱包含重而密的材料，另一些集装箱装载轻的货物或者是空的。表2显示了从测量重量中提取的统计值。
5.2 .提升间隔
另一个关键信息是提升之间的时间间隔。与起重机相关的动力系统的尺寸很大程度上取决于其间经过的时间
表1
天数分类
|
每天工作小时数 |
天数分类 |
|
10-12 6-7 1-2 |
典型操作 低活性 极低活性 |
图4。4天内收集的集装箱数量和测量重量的直方图。
高功率需求的情况。连同负载和提升持续时间的测量，这些信息可以帮助评估电力需求的特性。在可比的能量水平下，与持续的低功率负载相比，短期和频繁的高功率负载可能更难管理[19]。为此，已经测量了吊具锁定和随后的再锁定(表示集装箱正在移动)之间的间隔，结果显示在图5和表2中。很明显，大部分的提升发生在前一次之后不到一分钟，然后分布随着间隔的增加而减少。超过5分钟的间隔已经被丢弃，因为它们表明起重机已经闲置，而且与升降机移动的次数相比，它们的数量也很少。RTG起重机通常在几分钟后进入空闲模式(取决于型号和安装的节能设备)，因此分析仅限于短时间间隔，以便研究起重机的活动水平。此外，在评估起重机的能耗时，更长的时间间隔是不相关的，因为它们与起重机的活动无关(换班、港口物流相关的延迟)。
5.3 .集装箱提升的持续时间
起重机的主要能源必须在集装箱提升期间提供高功率，因为起重电机是起重机中额定功率最高的电机。重量高达52吨(集装箱加吊具)的起重持续时间高达65秒，峰值功率需求高达400千瓦。然后，估算典型提升的持续时间变得非常重要，这取决于集装箱需要达到的高度。小而繁忙的码头将把集装箱放在较高的货栈中，而活动较少的较大港口将倾向于较低的货栈；烟囱的高度将影响提升持续时间的分布。在
表2
集装箱重量、提升间隔时间和提升持续时间的统计信息。在4天内收集的数据。
|
集装箱重量 |
提升间隔 |
提升持续时间 |
|
|
最大值 最小值 平均值 中值 |
32.3t 1.2t 16.3t 15.3t |
298.5s 4.5s 83.0s 58.0s |
65.6s 1.0s 22.1s 21.0s |
图5。提升间隔时间的直方图，在4天内收集的数据。
费利克斯托港，测量的持续时间如图6所示，很明显这些值集中在20秒左右提升集装箱的速度取决于集装箱的重量，较轻的集装箱以每分钟52米的垂直速度提升，而满载(40吨)时，速度限制为每分钟26米(根据制造公司(ZPMC)起重机手册)；如图7所示，当提升较高质量的集装箱时，这导致提升持续时间的略微增加。
5.4 .能源需求和起重机活动
起重机的能耗与其活动水平相关，关系如下:
集装箱重量与提升集装箱所需的能量成正比。重量分布显示更大量的重容器将导致更高的能量消耗。
图6。4天内收集的提升数量和测量持续时间的直方图。
图7。升力持续时间的分布亮度随着指定质量的提升持续时间的增加而增加。
频繁的集装箱移动与起重机的高能量消耗有关，因为空闲时间更短。这是由于提升之间的间隔时间较短，所以如果该值较低，则能耗较高。
码头面积小、吨位高的港口通常具有集装箱堆高的特点，这导致提升持续时间长。通过测量提升的持续时间，可以比较同等吨位港口的能耗，知道提升电机所需的功率与平均提升持续时间成正比。升力持续时间的测量分布有助于预测能量消耗。
本节提供的统计值可用于解释端口之间或同一端口中不同时
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