橡胶龙门式（RTG）起重机的混合外文翻译资料

 2022-03-15 20:52:45

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橡胶龙门式（RTG）起重机的混合

M. Antonelli, M. Ceraolo, U. Desideri, G. Lutzemberger*, L. Sani

摘要

在全球范围内，人们开始关注海运和海港活动的污染排放问题，其最大的问题之一就是港口的能源消耗和污染物排放问题。港口起重机，尤其是配备了柴油发动机和电驱动装置的RTG，通过消耗电阻负载中的电力对下降的集装箱进行制动。这意味着消耗能量来起吊负载时，电容器可以充电。因此，存在一种可能性，超级电容器或锂电池在升降过程中充电，回收电力。本文是基于意大利港口运行的RTG起重机的实验测量数据进行撰写的。在评估实际功率和能量流量之后，选择了利用率适当的存储系统当动力，并且选择适当尺寸的组件用来提高整体系统效率。为了分析不同变量带来的影响，并优化能源管理策略，使用了Modelica语言仿真模型，也能方便对比不同解决方案的成本效益。

绪论

全球范围内，人们开始关注海运和海港活动的污染排放问题。国际海事组织在1973年通过了MARPOL。自那以后，有六个附件被列入，最新的附件规定了船舶污染物硫和氮氧化物的排放值。欧盟和美国以及其他国家地区，自2015年起实施了严格的船舶污染物硫排放量限值0.1％。从2016年开始，北欧还规定了新船的氮氧化物的排放量限值。加上船舶的相关规定，港口为了实现更清洁和更智能的目标正在组织起来共同努力。最有效的办法之一是冷熨，能够在船舶停泊期间阻止其污染物的排放。其他解决办法是减少港口起重机和其他物流活动的能源消耗和排放。柴油发动机是海上移动起重机的动力源，该动力源保证了移动性和服务性，是最简单灵活的方式。目前正在改造使用的电动机与船边那些行走受轨道限制的起重机的电机功率相仿。在最好的情况下，它们能够在降低电容时，把电动机当做发电机与电网进行电力交换，进行电力回收。RTG将集装箱从船上卸下堆积到平台上，再装载到卡车上。这些起重机仍用柴油机提供动力，这些柴油机被用作电动机的发电机。配备柴油发动机和电驱动的RTG消耗电力来制动下降工作。这意味着在制动负载下降时能量被消耗给电容充电。Kuilboer 首先提到这个问题，他介绍了西门子开发的RTG驱动系统的新概念。三年后，在TU Delft发表了一篇关于RTG起重机的能源管理的科学论文。其中能源和燃料的计算数据来自于英国的费利克斯托港，西门子概念的测试案例在[1]中也被提及。文献[2]提出的等效消耗最小化策略（ECMS）用来确定电动机和超级电容器的性能设定点，从而将燃料消耗降到最低。西门子将ECMS用于RTG起重机的ECO-RTG驱动装置，并由Mulder进一步研究[3]，他预测十年内每年可节省超过55,000美元，超过配备了该系统的起重机的投资回报。其他研究已经验证[4-6]基于西门子控制策略的混合驱动方法的好处，但在所有情况下，没有技术的完美应用，只是有更准确和完整的模拟 ，以及控制策略和经济效益。Flynn等人研究了在RTG中使用飞轮和内燃机的小型化，预计节油将达到35％。武汉中国空军雷达学院的一个研究小组[9-11]研究了一种带有超级电容器的RTG起重机，用于存储提出DC / DC双向转换器的能量。这项研究也是基于概念模拟，无论是起重机还是混合动力驱动操作，并没有提供实验数据。Acciaro和Wilmsmeier [12]也提到缺乏真正的应用，他们要求在海事和港口部门达成一致的能源消耗量指标，并强调指出港口经营者对能源消耗和运营效率缺乏认知。事实上，几年前，Yang和Chang [13]提出RTG起重机的电气化作为降低港口能耗的措施。[14,15]也要求海港运营的可持续和高效性。虽然这些文件比[1]晚10年出版，但是这些文件都没有提到降低RTG起重机能耗的西门子ECO-RTG系统。这说明RTG起重机没有真正的混合动力系统在运行。这在第二个理学硕士论文得到了证实，同样在代尔夫特理工大学[16]，于2016年发布，钛酸锂电池的混合系统被提出使用。这项研究主要集中在经济性方面，并提出了一些关于柴油机模拟改进的建议。文献[17]中描述了对装备有超级电容器系统的电动RTG起重机的研究，其中电池取代内燃机。值得注意的是，能源存储系统的不同变体可以在文献中找到，例如超级电容器，锂电池或飞轮。此外，关于此主题已提及的活动中均没有可用的实验数据。事实上，本文从上述文献开始，目标不同，但方法是新颖的，这项研究是基于在意大利莱格霍恩港运行的RTG起重机的测量。起重机将集装箱移到岸上，并将它们放在卡车上运往最终目的地。内燃机驱动用作橡胶轮胎和起重机的发电机。其超大尺寸以便在峰值功率需求时提供电力。制动功率也是电动的，但会消耗在电控板顶部的电阻负载上。

图1. RTG起重机的传统动力系统

从这些实验测量开始，活动的目的是对能量存储系统的利用，恢复消散的少部分能量。实际上，已经选择了存储系统的动力组成架构，并且定义了一种适当的能源管理策略，提高整个系统的效率。不同规格的小型内燃机和不同的储存系统技术也在考虑范围内，便于比较不同方案的优缺点。在这方面，已经在Modelica语言[18]中创建了一个仿真模型，分析检查配置的性能。最后，还介绍了不同变体的成本效益分析。

传统的RTG起重机

2.1. 传统的动力总成

传统的RTG起重机通常用于港口运输工作，将集装箱搬运到40吨左右。 图1显示了正在分析的RTG起重机的传统动力系统。

传统的动力传动系统由与发电机耦合的柴油发动机组成。在龙门和小车的运动中，该发电机向提升和搬运操作提供电力。在这种配置中，电源管理模块（PMM）只需操作员将控制请求传送到电驱动器，将ICE速度强加在恒定值。事实上，当集装箱被抬起时，ICE向起重机电力驱动器提供能量。另一方面，当容器下降时，势能转化为电能。尽管如此，由于没有一个存储系统，势能不能被存储并浪费在某些电阻器上。最后，如图1所示，RTG起重机的一些交流和直流辅助负载存在。可见，交流负载位于发电机（EG）的输出端口。因此，为了以正确的频率（50Hz）馈送它们，主转换器必须以强加的固定速度旋转。

2.2. 实验测试

实验测试是与里窝那航运港合作进行的，旨在分析容器典型工作操作期间的能量流动。特别是，一台RTG起重机配备了一些数据传感器，以获取电能流量。测量点（A，B，C）如图1所示，绿色（A，B，C）。在A中测量的能量流量表示由交流发电机产生的与ICE耦合的电能。这是在AC辅助负载吸附之前产生的全部电能。然后，B表示AC辅助负载吸附之后在AC总线处可用的能量流。最后，测量了起重机电力驱动管理的电能。在起重作业期间作为电动机工作时消耗电能，在下降期间作为发电机工作时产生电能。结果显示在表1中，其中还指示了上升和下降的数量。

如显而易见的，下降操作期间回收的能量与交流发电机产生的能量之间的比例通常在34％至45％之间的范围内。

事实上，如果储存起来，那么能量在储存期间，一样可以在提升容器时被重新使用，因此减少了耦合到ICE的交流发电机产生的能量。

能量流的分析也用于确定工作操作中的典型占空比。分别对升降阶段进行分析，确定功率要求，工作循环次数和持续时间。图2显示了关于提升的占空比分析结果。

如所见，提升操作中的工作循环的主要集中在250kW和15s内。 值得注意的是，大部分考虑的工作循环都包括在这个范围内。在下降操作的分类循环中采用了相同的方法，如图3所示。另外，它们中的大部分包含在相同的范围内，即在250kW和15s内。

混合动力推进系统设计

传统系统的混合可以通过简单地连接到DC总线来实现一个存储系统。其目的是在升降阶段回收起重机电驱动产生的能量。以下段落展示了混合动力总成架构的初步设计，拟议的能源管理策略和组件初步尺寸。

3.1. 混合动力总成架构

由于传统的动力系统已经以发电机和直流母线为特征，因此更容易转换的是实现串联混合结构，如图4所示，并作为参考。 如见到的那样，所需的电力首先被转换成电力，并且两个电源之间的能量之和以电节点中的电量来表示。

图2.工作循环和提升操作的组合分析

图3.工作循环的组合分析，降低操作

可充电能量存储系统（RESS）的存在允许在作为发电机工作时恢复由电驱动器产生的电能，并有助于减小主转换器的尺寸。值得注意的是，交流负载通过引入直流/交流转换器直接连接到直流母线上。尽管额外元件的存在可能导致成本和体积占用方面的不利，但直流母线直接馈入交流负载允许以可变速度控制初级变换器，从而为实施的能源管理策略提供灵活性。能源管理策略在电源管理模块内部实施。

3.2. 能源管理策略

电源管理模块根据操作人员的要求和其他信号确定，必须由初级转换器（PC）供电的部分和由可充电储能系统（RESS）供电的部分组成。作者在其他案例研究中已经描述了确定两种来源之间有用权力份额的目的，[19,20]中有更多的细节。这里只是提醒一下：

被确定为尽可能接近地回应操作员的命令。 这是工作责任的直接后果，其中起重机，手推车和龙门作业必须包括在内。

由AC和DC辅助负载给出。

由PMM根据一些优化确定规则。

由差值自动确定。

还必须注意的是，有用功率PU（t）可以想象为由平均值和波动构成。实际上，可以控制系统，例如由RESS提供的纹波r（t），并且不构成初级转换器的一部分。因此，初级转换器只能提供平均功率，工作在固定点或缓慢变化点。RESS管理所需有用功率的纹波分量r（t），并增加一些额外的平均功率，以避免正常工作条件下的SOC偏差。上述战略也需要考虑未来的系统负荷[21]。

图4. RTG起重机的串联混合架构

在确定之后，使用内部算法来选择对应于最小燃料消耗的ICE旋转速度的最优值。另外，当平均负载功率下降到低效率区域时，也可以实现初级转换器的开/关策略以关闭ICE。[22]中描述了有关实施ON / OFF策略的更多细节。

3.3. 仿真模型

模拟活动已通过Modelica语言执行，Modelica语言是专门为复杂工程系统的建模和仿真开发的开源环境[18]。

根据[19,20]中已经使用的建模方法，图4所示的系统已经建模，并且所有子系统都用所需的精度表示。根据图4，主要子系统已经在这里简要介绍描述：

初级转换器，由内燃机组成（ICE），发电机（EG）和电力转换器（EPC）。ICE模型使用了BSFC地图，即燃料消耗量地图。该模型可以模拟发动机扭矩和燃油流量，取决于节气门位置和发动机转速。它包含惯性负载和启动逻辑，当ON / OFF策略是考虑[23]。关于电子元件，很多情况下这种动态考虑分析比电动态要慢得多。在这些情况下，唯一需要考虑的状态变量可以是那些与旋转部件的机械惯性有关的变量。该休息可以被建模为代数，即包含地图经营区域和效率[23]。

可充电储能系统（RESS）由...组成电化学锂电池或超级电容器。该模型已经通过由一个电子网络组成的电子网络进行处理电动势，内阻和n个RC块。选择n的取值由复杂度和精度[24]。

关于辅助负载（AUX），搬运和起重电力驱动（ED），他们在模型中没有被代表。该相应的加载请求已被直接强加于直流节点，从测量的电力知识配置文件。

确定子系统的大小

4.1. 内燃机

内部燃烧的大小是通过分析观察台架所遵循的工作负载循环来进行的。第一次观察，如果评估原始ICE的平均功率，我们可以发现这个值明显低于标称值。如果发动机提供的总能量除以总时间，则值为13kW 可以达到18千瓦。最后，如果参考时间缩短到发动机有效运行的时间，从而忽略了龙门关闭的时间段，则可能会遇到较高但仍然非常低的值。显然，图4所示的混合架构的使用可以大大减少ICE的大小。为此，基于上述值，考虑了不同的替代发电机组，其安装功率范围从28kW到320kW（表2中从1到9的情况）。也考虑到保持414kW原始ICE的可能性（表2中的情况10）。

对于燃料消耗的第一次评估，做出以下假设：

最初的ICE（即414千瓦）在固定转速下使用图3中描绘的传统动力总成体系结构（参见图3）2.1节）。从计算平均功率和工作循环负载时记录燃料的消耗量。这已经习惯了计算参考油耗，并与之比较那些从混合变体中获得的。

混合动力车型中尺寸减小的ICE已被用于同意所述的能源管理策略，即以固定或缓慢变化的功率工作，并且旋转速度是选择最大限度地减少燃料消耗，也包括ON / OFF策略的存在。在这方面，参考BSFC地图然后被缩小以代表不同尺寸的代表，具体的燃料消耗与所示的相同表2

RESS被建模为通用能量存储，具有一个充电/放电效率，恒定为0.85。

如图5所示，可变负载主要由RESS来满足，而ICE在稍微变化的功率下工作，当其能够在其最大效率区域工作或关闭时。当ICE被接通时停电后，功率的上升沿由实际SOC和参考SOC之间的差值决定。显然，必须在规定的窗口范围内选择该参考值，以便在升降机下降期间进行能量回收，并在爬升作业期间释放能量。

如图5所示，顶部和底部对ICE尺寸的选择，明显影响发动机的循环负荷形状。根据实施的能源管理策略，较小的尺寸意味着ICE本身基本不变的利用率，以及RESS的放电，如图6所示。降低负荷的再生制动提出的案例研究已经被全部考虑。

柴油发电机组的选择对燃料消耗有显著影响; 但是趋势（图7）显示了发动机尺寸和消耗存在依赖关系。实际上，较小的发动机在设计点运行了很长时间，但是较大的发动机在绝对值上具有更好的BSFC性能。该趋势并不严格单调，因为结果取决于每个发动机的燃料经济性特征。结果如图7所示，除了考虑能源管理战略的ICE缩小规模外，还包括下降负荷再生。

图5. 47 kW（顶部），165 kW（底部）

还必须说明的是，再生自身影响图7中所示的节省燃料的百分比约20％。

在升降机下降过

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