势能回收在门座起重机上的应用

薛永杰 尹崇志

摘要：根据文献资料，回顾各港口起重机械所采用的再生能量的处理方法，分析各种方法应用的优缺点，并根据文献指出各种方法的能效利用率，在此基础上，根据日照港门座起重机起升机构的能量回收策略，青岛港门座起重机采用能源管理器+超级电容的能量回收方法，并按照国家标准测试方法测试其能效值，青岛港门座起重机节能装置的能效标称值达到108.39%。

关键词：门座起重机;能量管理器;超级电容

中图分类号：TH213.4                文献标识码：A

众所周知，我国是GDP增量大国，也是能源消耗大国，自“十一五”以来，我国非常重视单位GDP能耗问题。2006～2016年，我国GDP单位能耗累计下降了37.7%，即便如此，我国的整体能源利用效率依然偏低，2016年我国GDP单位能耗是世界平均水平的1.6倍，为发达国家的2～4倍。[1]2019年我国港口吞吐量接近140亿吨，这些货物需要港口起重机械转进转出码头，在起重机能源利用方面，欧盟等国在通用起重机上设有节能系统或装置，而我国港口起重机械，由于缺乏有效节能系统或装置，能源消耗自然要高出几倍，在国家大力提倡绿色低碳的今天，加强起重机械的势能回收对实现港口起重机械节能减排具有重要意义。

门座起重机械是一种循环、间歇运动的机械，是用来垂直升降物品或兼作物品的水平移动，以满足物品的装卸、转载和安装等作业要求的机械。起升机构是门座起重机械的重要机构，起重机在作业时，起升机构在每一个工作循环下降、减速过程中，电动机在位能负载牵引下，由于超频运行使电动机处于再生发电状态，会产生相当一部分再生电能，这部分再生电能如果得到合理利用，会极大地节约能源，目前整个青岛港有100多台门座起重机，仅董家口矿石码头就有23臺，因此，研究回收利用电能再生意义重大。

1 目前起重机械再生能量常用的处理方法

1.1 采用能量直接消耗的方法

这种方法主要用于变频调速的交流发动机系统以及直流调速系统。这些控制系统的回路中没有设计回馈供电网的电路，图1为变频调速系统，系统将电动机超频运行所产生的能量消耗在制动单元电阻上，称为电阻制动。而直流调速系统在下降过程中，电动机的定子线圈通直流电流，电动机电枢绕组形成恒定磁场，在起吊物的带动下绕组切割定子静止磁场而产生制动转矩，这两种回路均通过消耗下降势能所产生的电能来产生制动。从目前宁波港口QD100/50-22.1 A6桥式起重机的现场测试来看，对于变频调速起升机构的能源利用效率仅为60.92%。[2]

1.2 采用绕线式电动机转子串电阻调速的回馈回路

如图2所示，绕线式异步电动机的转子串入控制电阻，可以使电动机的转差率发生变化，转子中串入的电阻越大，电动机的转速就越低。在重载下降的时候，电动机处于发电状态，再生电流直接回馈电网，根据目前资料来看，在QD100/50-22.1 A6桥式起重机的能源利用效率达到101.74%。这种方法也应用在青岛港煤系统的堆取料机俯仰机构中。但是，尽管此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上，且属有级调速，机械特性较软，调速范围小，冲击电流大，造成接触器触头烧损、滑环炭刷磨损等问题，电器的使用寿命缩短。

1.3 采用双直流电动机、超级电容节能装置

图3是日照港在门机起升机构所采用的能量回收模式[3]，起升、闭合绳的驱动分别由2台55 kW一主一副同步直流电动机串联组成。控制柜增加了1组超级电容。货物下降时，主电动机不工作，副电动机处于发电状态，其电能储存在超级电容内，同时起制动作用;起吊货物上升时，主、副电动机同时工作。主电动机使用电网电能，副电动机使用超级电容的电能，以减少能耗。根据资料测定，其比未改造设备节能74.64%。

1.4 采用变频调速控制系统、直流控制系统自带能量回馈回路

青岛港32吨带斗门机、20万吨级卸船机均自带回馈回路，货物下降所产生电能经过逆变后直接回供电网络。从目前的资料来看，能量回馈装置分为IGBT型和晶闸管型，安川656DC5、西门子AFE均采用IGBT型能量回馈装置，特点是节能效果好，但价格昂贵;晶闸管型体积小，价格便宜，但功率因数低。两种回馈回路对电网有高次谐波影响，并且由于电能计量是单向收费的，经济效果不明显，也未发现文献记录相关应用的监测数据。

2 青岛港门座起重机起升机构的节能方案

青岛港40吨门座起重机采用安川变频器，如图1所示，重载下降时电动机所发出的电能通过制动电阻释放，该能量没有被利用起来，如果采用1.4中所提到的逆变回路，将能量反馈回电网，从目前的实践来看，有谐波的污染，甚至造成对其他设备的干扰，并且对于用户来讲，电能回馈电网可能造成节能而不经济。1.3中所提到的日照港超级电容方案具有可借鉴之处，可将超级电容置于变频器的直流母线之间，如图4所示，虚线部分为在原有变频器回路基础上拟新增的能量管理器和超级电容回路，能量管理器的作用是检测直流母线电压，以此决定直流母线和超级电容组之间的能量流动方向，并以此对超级电容进行有序充、放电，由于电能不回馈外电网而存于超级电容中，因此也就不会对外电网造成谐波污染。采用超级电容，改造空间需求小，改造的难度相对较低，所以采用超级电容较为合理。图5为电动机电能的流向图，当货物下降时，电动机处于发电状态，能量管理器将回收的能量储存在超级电容中;当货物上升时，能量管理器则将储存在超级电容中的能量与外电网联合供给电动机，减少了外电网的能量供应，从而达到节能目的。

2.1 能耗测试方案

改造后的能耗测试采用《起重机械用电力驱动起升机构能效测试方法》（GB/T 30222—2013）[4]，国标对供给能、有效能标称值、能效标称值等概念进行界定，同时对测试的条件、方法进行界定。

有效能标称值指起升机构按规定的测试方法要求完成一个测试周期时，提供的有效能量;供给能指起升机构按规定的测试方法要求完成一个测试周期时，实际消耗的电能;能效标称值指起升机构按规定的测试方法要求完成一个测试周期时，有效能标称值与供给能的比值。

2.2 有效能标称值的计算

按照标准中5.2.2条测试周期的规定：位置调整和吊具、载荷的装卸阶段能耗不计入测试周期。青岛港40吨门机运行的工况：抓斗自重15 t，重载起重38 t，抓斗工作有效高度15 m。有效能标称值计算公式：

经计算，有效能Eqs=6 262 800 J

2.3 供给能的测试

采用标准中电度表法，通过数字式电能测量仪器（装置）测量供给能，并按式（2）进行计算。

式中：

EG —供给能[焦耳（J）];

n—一个测试周期内包含的测试阶段数;

Di—一个测试周期内第i个阶段数字式电能表（仪）测量值[千瓦时（kW·h）]，为负值时，测试对象向电网反馈能量。

通过三次测试，测得数值如表1所示。

2.4 能效标称值的计算及效果

能效标称值ηqs按式（3）计算：

经计算得表2所示数据。

3 结语

通过以上数据可以看出，安装节能装置的能效标称值达到108.39%，比未安装节能装置的能效值高出48.17%，说明节能效果显著。根据现有數据统计，单台门机年耗电量为370 000kW·h，安装节能装置后每年可节约电量129 500～142 500kW·h，按照现行平均电价每千瓦时1.19元计算，每年可节约电费15.41万～16.96万元，单台门机改造费用75万元，因此，投资回收期约为5年。

（责任编辑：侯辛锋）

参考文献：

[1]刘然，王旭明，岳高，等.“十三五”能源消耗总量和强度“双控”机制研究[J].能源与环境，2017（6）：2-4，7.

[2]曹光敏，张志坚，丁高耀，等.桥式起重机能效对比测试与分析[J].起重运输机械，2013（8）：114-118，119.

[3]王佳佳，杨玉刚，田鑫，等.门座式起重机势能回收再利用自循环节能技术及其应用[J].工程机械与维修，2016（6）：58-59.

[4]起重机械用电力驱动起升机构能效测试方法：GB/T30222—2013[S].北京：中国标准出版社出版，2014.