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RTG起重机的能源使用分析
Vicky Papaioannou*, Stefano Pietrosanti, William Holderbaum, Victor M. Becerra,
Rayner Mayer
University of Reading, Whiteknights, Reading, RG6 6AY, UK
摘要：本文的目的是研究和分析轮胎式龙门起重机各电机的能量使用情况。因此，选择了一台费力克斯托港的轮胎式起重机（RTG起重机），并收集了其8天正常工作的数据。然后根据工作和空闲状态对各种电机的能源使用情况进行了分析。从分析中确定可以回收平均一半的能量消耗。据估计，回收这些能源可令费利克斯托港每年节约32,600 升燃料和8100吨二氧化碳。
关键词：能量分析，轮胎式龙门起重机
1.简介
集装箱港口消耗大量能量来运输许多集装箱。每个集装箱可以通过降低起升高度来回收惯性能量。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使用。在轮胎式起重机（RTG起重机）中，能量通常不会被回收，而是会在转储电阻中消耗掉。 当RTG采用柴油驱动时，一年通常消耗超过120,000升柴油[21]。根据费利克斯托港的情况，大型港口可能会有多达100台RTG起重机，这些起重机将消耗数百万升柴油，排放数千公斤的二氧化碳。 但是这种能量可以被起重机回收，用于提升下一个集装箱。 因此必须为RTG起重机设计合适和高效的储能系统，并了解其正常工作周期下的能量使用情况。
在过去的十年里，研究人员将各种储能系统[7]如超级电容器[4]，蓄电池[13]和飞轮系统应用到RTG起重机[5,8,9,12]的储能系统。实验测试的结果表明，安装RTG起重机能量存储系统可以降低燃料消耗，减小柴油机尺寸并延长发动机寿命[12]。 尽管如此，还没有对RTG起重机不同电机的能源使用情况的充分分析。
雷丁大学与费利克斯托港合作分析柴油驱动和电力驱动下RTG起重机测试和运行中收集的数据。此论文研究如下：
- 从这八天的数据计算起重机实际工作日的工作时间
- 不同电动机间的能量分配
- 进行起重机各种电机间的能量分析
- 最后，根据具体的工作量计算总可回收能量源的百分比范围
该论文的结构如下：首先描述了RTG起重机系统。然后，对集装箱重量和集装箱起重机进行简要的统计分析。解释数据收集和数据分析的方法。 接下来，以图形和数字显示关于时间的能量分布以及与起重机各种电机相关的能量的结果，包括估计损失和潜在的可回收能量。最后在结束之前简要讨论结果及其分析。
2. 问题陈述
RTG起重机使用吊具将大型港口集装箱转移到集装箱行。在多数情况下，每台起重机都由驱动交流发电机的柴油机提供动力。电力经过整流，用于分配电力给RTG起重机所有起升，小车和运行的驱动电动机。当集装箱下降时，电动机产生电力并将电力供应回直流网络。在没有能量存储系统的情况下，这些过量的能量被转储到电阻器组中。如果有适当的能量存储系统，这些多余的能量可以被存储，恢复和用于下一次起升[14]。由于一般的RTG起重机每天移动数百个集装箱，这种方式可以会节省大量能量。在正常工作情况下，使用仪器从RTG起重机获得的数据可用于确定现有电机的能量使用效率，并研究提高起重机效率的方案。对于大能耗的港口来说，此举有利于减少二氧化碳排放避免气候变化。既满足港口运营商的经济要求，又满足社会对环境的要求。
3. RTG起重机系统的描述
集装箱船将火车，汽车等陆地运输工具运载的集装箱通过航运港口运输出去，然而[1]。 在等待转运到船舶或货车的过程中，集装箱以堆垛的形式存放在堆垛中，负责堆垛集装箱的机器是RTG起重机，该起重机被设计为跨越堆垛。 这些起重机通常配有四对轮子，可以在终端附近移动; 这种类型的运动被称为“龙门运动”。
图1显示了费利克斯托港使用的RTG起重机。 从图2中的简图中可以看出，吊车使用吊具安全地抓取集装箱; 吊具通过位于小车上的一组滑轮和滚筒的八根钢丝绳连接到起重机，通常在操纵室位置附近。
- 小车在相对于集装箱长度的垂直方向上水平移动。 这种类型的运动被称为“小车运动”;
- 吊具通过连接到吊车马达的主滚筒的旋转来完成向上和向下运动。 这被称为“起升运动”;
- “龙门运动”被定义为整个起重机沿着集装箱堆使用四组车轮的运动。
所有的执行器都是电动马达，它们在能耗方面的排名依次为：小车马达，大车马达和起升马达，后者占起重机总能耗的四分之一以上[2,3,15]。 驱动电机的电能由柴油发电机（用柴油发电的RTG起重机）或电网（在e-RTG起重机中）提供[10,11,17]。
如图3所示，起升机构，小车和大车机构连接到直流母线上，直流母线主要能量通过整流器供电。当电机需要能量（例如提升集装箱）时，直流母线电压下降， 当电动机再生能量时（例如降低集装箱时）直流母线电压会增加。 再生能量输入直流母线，允许其他电机使用部分回收能量，剩余的能量则转储到制动电阻器中，当直流母线电压达到阈值时激活。 大部分可回收能源来自起升高度降低后集装箱损失的潜在能量。
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DC总线供电的整流器; 一个电动机和驱动器，代表一个或多个可作为动力负载或电源的电动机; 一个能够消耗多余能量的转储电阻（如果没有安装存储系统，回收所有能量），最后是一个飞轮储能系统（FESS），这是一个存储技术的例子，可以添加到起重机并直接连接到直流母线[9,18,20]。
4.方案
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，该控制器控制RTG起重机的运行。为了收集起重机的日常工作信息，监测了费利克斯托港一台起重机的八个正常工作日的数据。其中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。通过处理这些数据，确定流入和流出每个电机的能量，收集了包括高频活动日和低频活动日的8个工作日的数据。虽然数据涵盖了8天的时间段，但为了准确计算能量使用量和节能潜力，分析仅在起重机被高频使用的几天进行。监测的起重机模型是在费利克斯托港发现的最常见的RTG起重机。
4.2 能量计算
将分别定义为整流器能量，起升能量和龙门能量。每个电动机消耗或产生的电能通过欧拉积分规则（1）随时间对电功率进行积分来计算，
(1)
其中E是电能，P是电动机消耗或产生的电力，h是采样间隔，是操作的初始时间，是操作的最后时间。 由于电动机是三相的，电功率的表达式由下式给出[16]：
(2)
其中是电机端子处测得的电压的RMS值，IRMS是进入电机的AC相电流的RMS值。
考虑到大部分能量在整流器和起重机和龙门机床之间进行交换，其余的能源消耗已经集中到变量中。 该值主要包括整流器和直流母线的损耗，电车能量以及所有其他不能分配给主电机的能量。 它计算如下：
（3）
其中Er是整流器能量，是消耗的提升能量，是消耗的龙门能量。 空闲能量定义为起重机处于空闲模式时所消耗的能量。
4.3 根据每天的工作时数分类
根据表1所述的运行小时数，八个工作日内收集到的数据分为正常运行，低频活动和非常低频活动的日期。该分类稍后将用于讨论每个单独工作日组的结果。 在PoF中收集到的数据代表了所有工作日RTG起重机的情况。
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。 在获得的信息中，还可以测量集装箱重量，起升之间的时间间隔，起升的持续时间，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，4天以上集装箱重量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。
5.2 起升间隔
另一个关键信息是两次起升之间的时间间隔。取决于与起重机相连的电力系统在高功率需求情况之间经过的时间量。加上测量的负载和起升的持续时间，这些信息可以帮助评估电力需求的特性。在一定程度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，测量了吊具锁定时间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，大部分起升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，并且与起升移动次数相比，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，在评估起重机的能耗时，较长的时间间隔与之不相关，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）。
5.3 集装箱升降时间
由于起升电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。吊装52吨的集装箱（集装箱和吊具）65秒，峰值功率需求高达400 kW [6]。因此，估计正常起升的持续时间变得非常重要，其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，而较大的空闲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。
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，当提升质量较高的集装箱时，这会导致升力持续时间稍微增加。
- 由于闲置时间较短，起重机的高能耗与集装箱频繁移动有关。 这是由于起升间隔时间很短，所以如果此值较低，则能耗较高。
- 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。 通过测量起升持续时间，可以比较相同吨位港口的能耗，因为了解起升电机所需的功率与平均升降时间成正比。 测得的起升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，港口的主要能耗因素将是每单位时间移动的集装箱数量，即起升的间隔。
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，控制总开关关闭，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，控制总开关打开。 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。
如图8a所示，费利克斯托港口的RTG起重机平均大约50％的时间内工作，而在等待卡车的起重机处于空转模式时，约有30％的时间处于工作状态。 在空闲期间，整流器关闭以降低待机能耗; 因此通过整流器的能量与活动模式下的起重机相关联，剩余时间起重机保持关闭。
在整流器的输入端测量的能量之后将分布在起升机构和机架之间，而剩余的能量为损耗，机架消耗的能量和空闲模式下的能量。 图8b表明，在正常工作日里，空闲的能量和损失中起升马达消耗了大约60％的能量，大车马达消耗了30％的能量，小车消耗了7％的能量。
7.结果
在本节中，将介绍有关起重机各种电机产生和消耗的能量的结果。
7.1 整流器能量
通过整流器的能量由积分在整流器输入端测量的电功率（方程（1））来计算。 图9表明，对于正常的运行日1,2,3,4，起重机处于活动状态，运行时间为10.3至12.7 h，整流器能量范围为711.2至822.7 kWh。 对于低频活动日4,5，起重机处于活动状态，工作时间为6.7至7.3小时，整流器能量从439.9至499.2千瓦时不等。 最后，7，8的活动时数很少（星期天和银行假期），因为起重机仅工作了1.4——2.1h，整流器能量测量值在112.8——160.8 kWh范围内。
7.2 起升能量
电动机端子处的交流电压不可测量，因此计算起升能量在起升和下降期间消耗的起升电压必须根据电机转速计算。从终端操作员获得的信息表明电机的交流电压取决于提升速度（它已通过测量）。在起升的情况下，随着速度从0％增加到50％额定速度，电压从0 V线性增加到415 V，然后它保持大致恒定在415V。
速度在额定速度的50％和100％之间。使用公式来计算升力能量（1）。提高能源是指能源消耗总量上升（同时提升为正值），同时减少能量降低集装箱的能量（且提升速度为负值）。在图10中，总提升能量范围从413.4到517.5 kWh，同时降低整个升降机的能量。正常是每天357.5到457.2 kWh。这些数字表明
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