Analysis of energy usage for RTG cranes
Abstract
The purpose of this paper is to study and analyse the energy that is used by the various motors of a crane of the Rubber Tyred Gantry type. For this reason a single Rubber Tyred Gantry (RTG) crane has been instrumented at port of Felixstowe and data has been collected during normal operation for eight days. This data has been analysed in terms of active and idle modes and also in terms of energy usage by the various motors. From this analysis it is possible to determine that on average about half of the energy consumed is potentially recoverable. It is also estimated that the recovery of this proportion of energy could lead to savings of 32,600 L of fuel and 8100 tonnes of CO2per year at Port of Felixstowe.
Keywords
Energy analysis
RTG crane
1. Introduction
Container ports use a large amount of energy in moving thousands of containers a day. Each container that is lifted has to be lowered and this inertial energy can be recovered. In container cranes powered by electricity from the grid this recovered energy can be reused on the same crane, put back into the grid or used locally elsewhere in the port. In the case of the Rubber Tyred Gantry (RTG) cranes the energy is generally not recovered but is dissipated in dump resistors. When the RTG is diesel powered then it will typically use in excess of 120,000 L of diesel fuel over the period of one year [21]. In large ports there may be up to 100 RTG cranes which would consume million litres of diesel fuel resulting in thousands kg ofCO2 emissions according to Port of Felixstowe. This amount of energy could be recovered locally on the crane in order to be used to raise the next container. In order to design a suitable and efficient energy storage system for an RTG crane, it is necessary to understand its energy usage patterns under typical operating cycles.
During the last decade research has been carried out in the direction of fitting various energy storage systems [7] such as super capacitors [4], batteries [13] and flywheel systems to RTG cranes [5, 8 9, 12]. Results show through experimental testing that the fitting of energy storage systems on RTG cranes can reduce fuel consumption, diesel engine size and increase engine life [12]. Nevertheless, the area of analysing the energy usage by the different motors of an RTG crane has not been adequately investigated.
The University of Reading has collaborated with the Port of Felixstowe to collect and analyse data from both diesel and more recently electrically operated RTG cranes. Data has been collected from both standard tests and in service operation. The paper#39;s contributions are the following:
bull;From the data derived from eight days of operation an overview is given of what part of the day the crane is actually working;
bull;How the energy is distributed between the different motors;
bull;An energy analysis concerning the various motors of the crane has been carried out;
bull;Finally a range of percentages of the total recoverable energy has been calculated depending on the workload of the specific day.
The paper#39;s structure is as follows. Firstly, the RTG crane system is described. Then, a brief statistical analysis of the container weights and the container lifts is presented. The methodologies of data collection and data analysis are explained. Next, there is graphical and numerical presentation of the results regarding the time and energy distribution and the energy related to the various motors of the crane including the estimation of the losses and the potential recoverable energy. Finally the results and their analysis are briefly discussed before concluding.
2. Problem statement
In large ports containers are transferred from tractor units to container rows using RTG cranes. In many cases each crane is powered by a diesel engine driving an alternator. Electricity is rectified and the DC network is used to distribute power to all the electric motors which drive the lift, trolley and motion of the RTG cranes. When containers are lowered the electric motors generate electricity and supply power back to the DC network. In the absence of an energy storage system this excess of energy is dumped into resistor banks. If suitable energy storage was in place this excess energy could be stored, recovered and used for the next lift [14]. This could lead to significant energy savings since typically RTG cranes move hundreds of containers a day. The data obtained from a suitably instrumented RTG crane under typical operation can be used to determine how efficiently energy is used by the existing motors, and to study the options for improving the efficiency of the crane. Whereas the terminal operator is primarily concerned about cost, society concerns relate to environmental impact, both locally and globally. The reduction in CO2 emissions is of particular importance in limiting climate change as container ports are large energy users.
3. Description of the RTG cran
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RTG起重机能量利用
摘要：
本文研究和分析了橡胶轮胎龙门式起重机各种电机所需的能量。由于这个原因，一个单一的橡胶轮胎龙门(RTG)起重机有 在费利克斯托港进行了仪器测试，并在正常运行期间收集了8天的数据。我们分析了这些数据的活动模式和空闲模式，以及能量。 靠各种马达。从这一分析可以确定，平均约一半的能源消耗是可回收的。据估计，这一项目的恢复 在费利克斯托港，每年能源比例可节省32600升燃料和8100吨二氧化碳。
关键字：[生态]能量分析 RTG起重机
1. 介绍
集装箱港口每天要消耗大量的能量来搬运数千个集装箱。每一个被提升的容器都必须被降低，这个惯性能量可以被回收。集装箱起重机 通过电网供电，回收的能量可以在同一台起重机上重复使用，也可以放回电网中，或者在港口的其他地方使用。在橡胶轮胎龙门的情况下 能量一般不会被回收，而是在转储电阻中被消耗掉。当rtg是柴油动力时，它通常在一年内使用超过120000升的柴油。 r[21]。根据费利克斯托港的说法，大型港口可能有多达100台RTG起重机，这将消耗数百万升柴油，导致数千公斤二氧化碳排放。这一数量的Ene 可以在起重机上局部恢复RAGY，以便用于提升下一个容器。为了设计适合RTG起重机的、高效的储能系统，有必要对RTG起重机进行设计。 在典型的运行周期中，提高其能量使用模式。
在过去的十年中，在各种储能系统[7]方面进行了研究，如超级电容器[4]、电池[13]和飞轮系统等，以适应RTG起重机[5]。 8、9、12]。试验结果表明，在RTG起重机上安装储能系统，可以降低油耗，降低柴油机体积，提高发动机寿命[12]。尽管如此 对RTG起重机不同电机的能量利用情况的分析还没有得到充分的研究。雷丁大学与费利克斯托港合作，收集和分析柴油和最近电动RTG起重机的数据。数据已从bot收集 标准测试和服务操作。该文件的贡献如下：
bull;从8天的操作数据中，可以概括地了解起重机实际工作的时间；
bull;能量如何在不同的电机之间分配；
bull;对起重机的各种电机进行了能量分析；
bull;最后，根据特定一天的工作量计算了可回收能源总量的百分比范围。
论文的结构如下。首先介绍了RTG起重机系统。然后，对集装箱重量和集装箱升降机进行了简要的统计分析。的方法 对数据采集和数据分析进行了说明。接下来，对时间和能量分布以及与各种mot相关的能量的结果进行了图形化和数值表示。 起重机的ORS，包括损失的估计和潜在的可回收能源。最后，在总结之前对结果进行了简要的讨论和分析。
2.问题陈述
在大型港口，集装箱从拖拉机单元转移到集装箱行，使用RTG起重机。在许多情况下，每台起重机都由一台柴油发动机驱动，驱动一台发电机。电整流 利用直流网络将电力分配给所有驱动RTG起重机举升、小车和运动的电动机。当容器被放下时，电动机产生电。 把电源送回直流网络。在没有储能系统的情况下，多余的能量会被倾倒到电阻库中。如果有适当的储能装置，则过剩的能量c OUD应储存、回收并用于下一次升降机[14]。这可能会大大节省能源，因为RTG起重机通常每天移动数百个集装箱。从适当的 典型工况下的仪表式RTG起重机可用于确定现有电机的能量利用效率，并研究提高起重机效率的方案。惠尔 终端运营商主要关注的是成本，社会关注的是当地和全球的环境影响。二氧化碳排放量的减少在l中尤为重要。 将气候变化模拟为集装箱港口是能源的大用户。
3.RTG起重机系统的描述
海运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）的门户，反之亦然[ 1 ]。容器存储在堆栈I中 n端口等待被转移到一个船或卡车和机器，在集装箱收费RTG起重机，其目的是跨栈。这些起重机AR e通常配备四对轮子，使它们能够绕终端移动；这种类型的运动被称为“龙门运动”。
图1显示了在使用RTG起重机在费利克斯托港。从图2中的简化图中可以看出起重机使用吊具将其安全地连接到集装箱；吊具连接到 起重机由8根电线连接到一组滑轮和一个位于手推车内的滚筒上，操作舱通常位于那里。
bull;手推车相对于容器长度水平向垂直方向移动。这种运动被称为“电车运动”；
bull;吊具的上下运动是通过主滚筒与提升电机的旋转来完成的。这就是所谓的“提升机运动”；
bull;“龙门运动”是指整个起重机使用四组橡胶轮沿集装箱堆垛的运动。
1.在费利克斯托港作业的RTG起重机。
2。RTG起重机的绘制及其在三维上的运动。
所有的执行器都是电动机，它们的功耗排序依次为：无轨电车电动机、龙门电动机和提升机电动机，后者属于后者。 r起重机总能耗的四分之一以上[2，3，15]。驱动马达的电能由柴油发电机(柴油驱动的RTG起重机)或e提供。 电子格栅(e-RTG起重机)[10，11，17]。提升机，无轨电车和龙门电机连接到直流母线，这是通过整流一次能源供电，如图所示。3.。直流母线电压随电机的需要而降低。 d功率(例如，在提升容器时)，以及当电动机再生功率时(例如当降低容器时)。再生的能量被送入直流母线，使其他电机可以使用。 部分回收的能量，而所有剩余的能量，然后倾倒到制动电阻，激活时，直流母线电压达到一个阈值。大部分可回收能源来自 容器降低后所损失的势能。
3.添加储能系统的RTG起重机主要电气元件图
3显示起重机的主要电气元件，包括：三相电源，既可以是柴油发电机组，也可以连接到电网；整流装置，给直流母线供电；el。 电马达和驱动器，它代表一个或多个可以作为电力负载或电源的电动机；一个能消耗多余能量的转储电阻器(如果没有存储系统，则所有回收的能量)。 最后是飞轮储能系统(FESS)，这是存储技术的一个例子，可以添加到起重机上并直接连接到DC总线[9，18，20]
4. 方法
4.1数据采集
数据记录器用于从可编程逻辑控制器（PLC）收集数据，该控制器控制RTG起重机的运动。为了收集起重机的日常生活信息，监测了费利克斯托港的一台起重机的八个典型工作日。这些数据包括进入直流链路整流器的能量以及每台起重机电机的电流和电压。附加信息包括涉及撒布机锁定和解锁时显示的扭锁状态的数据。可以处理这些数据，以确定流入和流出每个电机的能量。已经收集了八天的数据，以包括高活动日和低活动日。尽管数据涵盖了8天的时间段，但为了准确计算能源使用量和节能潜力，仅在起重机被积极使用的日子进行分析。监测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根据工作时数分类天数
根据表1所述的运行小时数，八个工作日内收集的数据分为典型运行，低活动和非常低的活动日期。该分类稍后将用于讨论每个单独工作日组的结果。 由于收集到的数据中表示了大量工作量，因此PoF中的RTG起重机涵盖了所有工作日的情况。
表1.天的分类。
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每天的工作时数 |
每日分类 |
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10-12 |
正常工作 |
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6-7 |
活动不足 |
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1-2 |
活动非常低 |
5.活动的统计分析
如第4.1节所述，运行期间从起重机PLC收集了数据。 在可获得的信息中，还可以测量集装箱重量，升降机之间的时间间隔，升降机的持续时间，能量需求和其他起重机活动参数。
5.1容器重量
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，集装箱重量4天以上的分布集中在两个峰值附近，分别为10和27吨。 这是由于货物在集装箱内运输的类型：一些集装箱包含重且致密的材料，另一些集装箱则装载轻质货物或空载。 表2显示了从测量权重中提取的统计值。
- 。用直方图对集装箱数量进行测量重量，数据收集时间为4天。
集装箱重量 间隔电梯 持续时间
最大值 32.3吨 298.5秒 65.6秒
最小值 1.2吨 4.5秒 1.0秒
平均值 16.3吨 83.0秒 22.1秒
中值 15.3吨 58.0秒 21.0秒
5.2电梯间隔
另一个关键信息是升降机之间的时间间隔。与起重机相关的电力系统的大小高度取决于在高功率需求情况之间经过的时间量。加上负载的测量和电梯的持续时间，这些信息可以帮助评估电力需求的特性。在可比较的能量水平上，与连续的低功率负载相比，短而频繁的高功率负载可能难以管理[19]。为此，测量了吊具锁与随后的重新锁定之间的间隔（表明集装箱正在移动），结果如图5和表2所示。很明显，大部分电梯出现的次数少于之前一分钟后，随着间隔增加，分布随之减少。超过5分钟的间隔已经被丢弃，因为它们表明起重机已经空转，并且与起重机移动的次数相比，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（取决于安装的型号和节能设备），因此分析仅限于短时间间隔以研究起重机的活动水平。此外，当评估起重机的能耗时，较长的时间间隔不相关，因为它们与起重机的活动无关（变化的班次，与港口物流有关的延误）。
- 电梯间隔的持续时间的直方图，在4天内收集的数据。
5.3集装箱升降时间
由于起重机是起重机中额定功率最高的电机，起重机的主要能源必须在集装箱吊运期间提供高功率。 高达52吨的集装箱（集装箱和吊具）吊装达65秒，峰值功率需求高达400 kW [6]。 然后，估计典型升降机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。 小型和繁忙的码头将集装箱放置在较高的堆垛中，而较小的活动较大的港口则倾向于较低的堆垛; 堆的高度将影响升力持续时间分布。 在费利克斯托港，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。
6.具有测量持续时间的电梯数量的直方图，在4天内收集的数据。
集装箱提升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，而在满载（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，当提升质量较高的容器时，这会导致升力持续时间稍微增加。
- 电梯持续时间的分配 亮度随着指定质量的升力持续时间的数量而增加
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，具有以下关系：
bull;容器重量与提升容器所需的能量成正比。重量分布显示较大数量的重型容器会导致较高的能耗。
bull;由于闲置时间较短，集装箱频繁移动与起重机的高能耗有关。这是由于电梯间隔很短，所以如果此值较低，则能耗较高。
bull;码头面积小，吨位高的港口通常具有高集装箱堆垛的特点，这就导致了高起吊持续时间。通过测量升降机的持续时间，可以比较相同吨位港口的能耗，因为了解升降机电机所需的功率与平均升降时间成正比。测得的电梯持续时间分布可以帮助预测能源消耗。
本节介绍的统计值可用于解释港口之间或同一港口不同时间段之间的能源消耗差异。稍后将证明，典型港口的主要因素将是每单位时间移动的集装箱数量，即升降机之间的间隔。
6. RTG起重机的时间和能量分配
RTG起重机有三种工作模式：工作，空转和关闭。当起重机正在工作时，它正在积极执行诸如升降集装箱的任务。当起重机启动但不执行任何任务时，空闲模式是“等待”模式。最后，当起重机关闭时，控制使能开关关闭，电动机关闭，起重机不执行任何任务。起重机在等待卡车时或在起重机操作员休息时可以处于空转模式。电动机速度和开关状态如表3所示。当起重机正在工作时，起重机，小车和龙门电机的速度不为零，控制使能开关打开。在起重机关闭的情况下，电动机的速度为零，开关关闭，直流母线电压低于570V。最后，当起重机处于空转模式时，电动机的速度为零，但开关打开。
表3.起重机模式及其说明。
工作 闲置 已关闭
提升机，小车和龙门架速度 6 = 0 0 0
控制开关 开 开 关
直流母线电压
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