浅谈ERTG 的节能配置与设计优化

泉州太平洋集装箱码头有限公司 谢明聪

1 前言

为了适应节能环保对港口发展日益提高的要求，许多集装箱码头企业纷纷开展RTG“油改电”技术改造，以减少能源消耗和降低环境污染,同时各个码头结合自己的实际情况或RTG“油改电”方式直接采购市电供电的ERTG，以避免二次改造。

作为起重机械的RTG，决定了它在工作期间存在着大量的势能，势能是一种对环境无任何污染的绿色能源，据保守估算，质量为430 吨的重物每下降1m，即可向电网回馈电能1kW·h。1 台RTG（堆五过六）按1 年10 万个自然箱的操作量，平均箱重约为25～30 吨，平均每个箱下降9 米，则可供转化发电量的势能达5 万kW·h 以上。

据不完全统计，目前进行的RTG“油改电”和新购的ERTG 基本上是采取能源替代的技术方案，即采取市电代替柴油机发电机组供电，因此，对于RTG 油改电或新购ERTG的配置选择、设计上如何进一步应用节能技术、节能产品和优化设计，使得ERTG 在今后的使用中具有较高的环保性和经济性，值得深入探讨。下面结合我司RTG“油改电”和新购6 台ERTG 实践谈一些个人看法。

2 目前所使用RTG或ERTG使用或设计中存在的一些不足及优化改进

2.1 RTG 或ERTG 配置IGBT 整流/回馈单元用于回收工作中存在的机械能

传统的RTG 采用柴油机发电机组进行供电，大部分采用公共直流母线下的多逆变器驱动方式,系统采用一个二极管不可控整流的整流单元，统一为起升机构、小车机构和大车机构等多个逆变器提供直流电源。由于投资成本的原因，大部分完成油改电技术改造的RTG 还是使用原来的二极管不可控整流的整流单元，该种整流单元存在以下缺点：

（1）无法将由势能或动能转换成电能回馈到电网，电能浪费大。当各个机构处于再生制动状态时，由势能或动能转换产生的电能只能回馈到直流侧的电容，不能通过二极管整流电路回馈到发电机组，多余的电能只能通过外接电阻转变成热能消耗掉，以免电容充电过多造成电压过高而损坏设备或因为逆功而损坏柴油机发电机组。

（2）直流母线电压波动范围大，经现场检测，额定电压为690VDC 的直流母排电压在起升机构重载下降时，瞬间可以达到1000V,将大大降低变频器直流侧电容的寿命。

（3）对电网的谐波污染大，造成变压器、线缆等电力设备的损耗加大，且干扰一些PLC、电源、CMS 和监控装置等电子设备的正常工作。

2.1.2 配置IGBT 整流/回馈单元用于回收机械能，进一步提高能源利用效率

使用市电的ERTG 的整流单元可以采用IGBT 整流回馈单元，实现直流整流和回馈电网功能，完成电流的双向流动，即从电源→直流母排→电动机，或逆向从电动机→直流母排→电源的双向流动，完成动能或势能与电能的相互转换。当各个机构处于再生制动状态时，由势能或动能转换生成未被利用多余的电能可以通过整流回馈单元回馈到电网供其他设备利用，避免通过外接电阻转变成热能而浪费掉。

整流回馈单元回收的能量主要是起重机起升机构下降时的势能，根据我司配备整流/回馈单元的6 台ERTG 作业能耗的统计情况，平均每操作一个自然箱的单箱能耗约为1.95kW·h，回收电能约为0.6 kW·h, 回收总耗能30%以上，设备利用回收的能耗约为0.13 kW·h，回收利用率达20%以上。按照每台ERTG 一年作业10 万自然箱,势能回收发电量可达6 万kW·h 以上,减少排放二氧化碳约60 吨,同时设备利用回收的能耗达1.2 万kW·h,随着我司完成 “油改电”的RTG投入使用数量的增加，回收利用率将进一步提高。

整流回馈单元还具有以下几个优点：采用IGBT 整流的整流回馈单元的功率因数达到0.98 以上；对电网的电压和电流的谐波畸变率降低到5%以下；能够稳定公共直流母线电压，根据测量，额定电压为690V 的直流母排电压波动约为-15V～+20V,而常规柴油机动力RTG 的直流母排电压峰值最高可达到900～1000V。整流回馈单元有利于电控系统安全使用和提高设备的可靠性。

有道是“学习是人类进步的阶梯”，是提高素质的基本途径，是干部成长规律的客观要求。要想有所作为，必须始终保持一种勤奋学习的状态，把学习当作一种追求、一种境界、一种生命趣味，树立终身学习、时时学习、事事学习的观念。当下，不论是经济发展全球化，还是信息网络技术的日新月异，都充分表明生存环境的变化在不断加大加快，生存和发展需要我们不断加强学习、终身学习，正如陈毅元帅在《赣南游击词》中说的那样“勤学习、落伍实堪悲”。

2.2 优化设计，减少设备自重

为了适应不断提高的装卸效率，以满足大型船舶在港时间不断缩短的要求，同时考虑到我司作为以内贸集装箱为主要业务的集装箱码头，重箱重量平均达到28～30 吨以上，因此要求ERTG 或RTG 的工作级别、载荷状态、各个运行速度参数等均有相应的提高，由此带来的钢结构部件和各个运行传动机构尺寸不断加大，从而导致设备自身重量不断增加，所以必须采用优化设计、可靠性设计等新的设计理论和方法进行轻量化设计，采用新的结构形式、新的传动方式和新工艺等，兼顾降低设备的后期运营成本，在减少自重的同时提高起重机的可靠性和使用寿命。

2.2.1 小车驱动机构采用分别驱动代替集中驱动

在满足小车机构正常运行的条件下，ERTG 小车驱动采用独立的三合一独立后轮驱动代替传统的集中驱动机构，即“一台电机+盘式制动器+减速箱+万向传动长轴同步驱动左右车轮”的驱动方式。三合一独立驱动相对集中驱动结构省去中间传动轴，同时相应减少集中驱动相匹配的走道、检修平台和电机底座，进一步减低机构重量，总计减轻约1.5 吨重量，降低设备的运行能耗。

2.2.2 采用吊具电子减摇系统代替机械式减摇系统

机械式防摇系统主要是通过在小车架下二层平台安装防摇装置，包括减摇钢丝绳、卷筒和力矩限制器传动链及带单向轴承的卷筒和制动器，通过机械手段消耗摆动能量以实现最终消除吊具摇摆的目的。

电子减摇装置则是在小车架下安装一组激光、红外发射器或检测探头等作为发射装置，同时安装一个接收装置，在吊具上架安装反射器，系统通过检测吊具摆动的角度和角速度自动控制小车的运行方向和运行速度，使得吊具的摆动角度控制在一定范围内，从而达到减摇的目的。

由于机械式吊具减摇在小车架下方增加一层减摇平台，在保证同样起升高度的情况下和兼顾机械减摇系统的维护方便，必须要增加RTG 的立柱高度，加上减摇系统本身的重量，整机的重量将增加约6 吨。相对于机械减摇系统而言，电子减摇装置的重量可以忽略不计。

除了以上两个方面的优化设计，同时还对梯子、平台和栏杆进行优化设计，取消不必要的平台和走道，在满足安全兼顾方便维护的前提下进一步合理减重，整台ERTG 的整机重量比原设计减少15 吨以上，降低了相关轴承、轮胎等零部件的使用载荷，提高零部件使用寿命，减低设备运行的能耗。

2.3 合理设计起升机构, 优化钢丝绳缠绕方式，提高起升钢丝绳的使用寿命

我司6 台ERTG 起升机构原设计方案为单起升卷筒，卷筒轴线平行大梁长度方向，起升钢丝绳缠绕方式如图1 所示，该方案存在的主要缺点是：有两根起升钢丝绳运动部分需要多经过两个中间换向滑轮，使得钢丝绳出现反向弯曲和侧向90°弯曲，大大减少起升钢丝绳的寿命。

经研究并结合公司RTG 多年的实际使用情况，新购的6台ERTG 的起升机构采用双卷筒方式，卷筒轴线垂直大梁长度方向，卷筒轴线处于小车中心位置，起升钢丝绳的缠绕方式如图2 所示，起升钢丝绳无需多经过中间换向滑轮，减少了钢丝绳的反向弯曲和侧向弯曲，大大提高钢丝绳的使用寿命。据兄弟码头公司和我司统计情况表明，每台RTG 每月的操作量大约为8000～10000 个自然箱，对比国内某知名品牌的同规格型号同直径钢丝绳，图1 缠绕方式的起升钢丝绳使用寿命只有5 个月左右，图2 缠绕方式的起升钢丝绳使用寿命达到10 个月。另外，在设计上使得起升钢丝绳与垂直方向具有一定的夹角，起升钢丝绳对吊具产生一定的水平分力，对吊具起到一定的减摇效果。

图1 起升缠绕示意（Ⅰ）

图2 起升缠绕示意（Ⅱ）

3 适当配置辅助半自动化和安全设施，降低司机劳动强度，提高设备运行的安全性和作业效率

为满足高效快速的装卸要求，现有的RTG 和ERTG 大车运行速度均达到90～130m/min, 与RMG等轨道设备相比，ERTG 和RTG 无固定大车运行轨道，轮胎在水泥跑道上的活动范围较大，同时由于各个驱动轮轮压大小、磨损程度不一，导致各个驱动轮的线速度不同，大车运行时极易跑偏。因此，在大车行驶时司机必须对照跑道基准线不断进行手动纠偏，结果司机极易产生疲劳并且容易引起误操作，从而导致事故发生率的成倍增加。

我司集装箱堆场相邻箱区跑道中心距仅有4000mm, ERTG 电缆卷盘系统最外侧部件到轮胎中心线距离达1650mm, 随着大车轮胎朝着大型化方向发展，大车机构内侧与堆场箱位间距越显紧凑。在“背靠背”的堆场堆垛作业模式下，在正常运行时相邻两台ERTG 会车时的净间距只有700mm,一旦ERTG 跑偏较大时，将会引起两车碰撞、撞箱或者大车车轮碾压电缆等事故，造成重大的经济损失。

基于以上原因分析，必须实现ERTG 大车行走的自动纠偏，以确保设备的运行安全和提高作业效率。现有的RTG 自动纠偏技术方案主要有以下几种：

3.1 GPS 差分放大纠偏法

该方案由一个安装港区堆场内固定位置的GPS 差分基准站和若干个安装在ERTG 上的GPS 差分移动站组成。该技术方案的主要缺点就是投资大、技术要求高。

GPS 差分基准站主要由GPS 接收器、基站监控器、电台、UPS 以及电台天线和GPS 天线组成，GPS 差分基准站负责生成并播发差分改正数，它提供的差分改正数是堆场内所有RTG 定位精度能够达到厘米级的基础，从而在堆场内建立起一套RTG 运行的“虚拟轨道”。基准站差分信号要能覆盖整个堆场作业区。

GPS 差分移动站主要由GPS 接收器、GPS 控制器、电台、UPS 以及电台天线和GPS 天线组成。GPS 控制器负责接收GPS 设备输出的定位数据，对其进行解析、同步，计算RTG的偏离基准线的±Δ 数值，并与PLC 系统数据交互，实现RTG行走的自动纠偏功能，从而降低了司机的工作强度，实现RTG 大车直线行走的精确定位，其定位精度可达±15mm。

3.2 地面划线和图像识别纠偏方案

在RTG 的运行跑道上划定基准线，用摄像设备摄入图像，将识别后的图像作为纠偏依据进行纠偏，该方案的主要缺点是在雨雪天气无法正常工作。

3.3 地面埋设检测元件纠偏方案

在RTG 的运行跑道附近地面埋设金属等检测元件，通过感应检测体时产生的磁通量变化等方式来进行纠偏，该方案的主要缺点就是受地面物体干扰大。

3.4 红外线或光电测距纠偏方案

该方案对反射体要求较高，并且需要很强反射光才能工作，容易受外界光源干扰，难以正确反映设备的实际位置。

通过对现有各种大车纠偏技术方案优缺点的分析，结合我司ERTG 采用电缆卷盘上机供电方案的实际情况，采用GPS 差分放大纠偏技术方案，采用该方案具有以下优点：

①自动纠偏功能可以全堆场覆盖，不受天气影响，能连续实时地全天候工作。

②定位精度高，采用差分技术定位可以达到厘米级，定位精度小于1.5cm。

③纠偏精度高：正常行驶纠偏偏差小于±50mm,启动停止时小于±100mm。

④结合PLC 设置，当偏差大于100mm 时，自动减半大车速度，偏差大于200mm 时大车机构自动停车，有效保护大车的行驶安全，防止由于纠偏误差过大导致RTG 与集装箱或相邻RTG 相撞，同时保留操作司机进行人工干预采用手动纠偏功能。

⑤该方案还可以进行进一步功能扩展：利用GPS 提供的定位和遥控输送信息技术实现堆场精确的箱位管理，提高堆场内摆放箱位信息的正确性；对RTG 进行辅助定位和RTG防撞；配备了GPS 以后,将有利于实现起升、小车和大车的半自动操作功能,为更高自动化创造条件。

4 结束语

可以预见，在未来十年或不久的将来，我国的港口装卸设备将要面临一场自动化乃至智能化的升级改造或更新换代的革命，对设计使用寿命均在20 年以上的大型港机设备而言，在设备定制、设计制造、原有设备改造等的实践过程中，不应片面追求设备投资的低成本，应当充分考虑投产后的使用成本和设备的使用能效，以安全、实用、可靠、经济、先进的原则，合理选择配置具有高效节能的机构或部件，进一步优化设计合理减重，使得设备从设计制造和后续技术改造上满足安全可靠、经济实用、技术先进又节能高效的要求。

[1] 洪辉,蒋旻. GPS 技术在轮胎式龙门吊自动纠偏中的应用[J]. 集装箱化, 2013(2): 22-26.

[2] 李光平, 周铁梁.起重机械节能应用技术的探讨[J]. 水利电力机械, 2007 (10): 50-52.