TW201620813A - 輪胎式龍門起重機(rtg)雙動力節能系統 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種輪胎式龍門起重機（RTG）雙動力節能系統，由控制器、電池組、發電機組等組成。改變傳統RTG以單一發電機組供電或由“發電機組+電池組”疊加供電模式，本系統電池組和發電機組均可獨立支援RTG作業，形成雙動力系統，提高設備可靠性。RTG以電池組為主動力源，輸出功率與需求功率高度匹配，減少無功損耗，提高能源效率；電池組電量高時，關閉發電機組由電池組供電；電池組電量低時啟動發電機組給RTG直接供電，富餘能量給電池組充電。發電機組一旦投入工作，便在最佳經濟油耗區運轉，達到最高燃油效率。電池組充電功率大於RTG最大回饋能量功率，實現回饋能量全回收。系統應用於RTG改造時，不需要更換RTG原有發電機組。

Description

輪胎式龍門起重機(RTG)雙動力節能系統

本發明涉及一種碼頭設備動力系統，屬於新能源應用領域，主要應用於輪胎式龍門起重機（Rubber Tyre Gantry，以下簡稱RTG）。

伴隨著世界經濟的發展，工業生產及交通運輸等對石油的依賴程度越來越高，隨之而來的溫室效應、生態惡化等環境問題日益突出，如何保持經濟與環境和諧發展成為全球關注的焦點。碼頭的常規輪胎式龍門起重機（RTG）採用單一發電機組為動力，燃油效率不足30%。主要原因如下：

a) 裝機容量大：由於必須滿足RTG短時最高負荷需求，發電機組功率必須按RTG最高需求設計，比RTG實際作業平均功率約大8倍；

b) 燃油效率低：發電機組在最佳經濟油耗區運轉時，其能源效率是最佳的，輪胎式龍門起重機（RTG）工作時，為了確保控制系統及工作機構的正常供電，發電機組的輸出功率必須高於RTG的動力需求，發電機組要不間斷地在額定轉速下運行，因為RTG不同工況的功率需求不同，發電機組需要即時調整輸出功率使之與RTG的功率需求匹配，大部分時間都偏離最佳經濟油耗區運轉，能源效率低下。如圖2柴油機萬有特性曲線圖A區，發動機在1200-1300轉/分鐘的轉速下輸出功率為240kW左右時油耗率最低，186g/kWh—稱之為“最佳經濟油耗區”。當系統功率需求降至40kW以下時，耗油率高達426g/kWh（圖2的B區），是最佳經濟油耗的2.3倍；RTG重載起升加速時，發動機燃料燃燒不良，經常冒黑煙，污染嚴重；

c) 無制動能量回收功能：RTG的起升機構下降、小車運行和大車行走機構減速制動時，因無儲能裝置，導致回饋的能量無法存儲，必須通過能耗電阻即時消耗掉。

針對RTG上述缺陷，本發明公開了一種輪胎式龍門起重機（RTG）的雙動力節能系統，旨在實現動力輸出功率與需求功率高度匹配，從而提高RTG的能源利用效率，降低RTG的整體能耗，節能減排。

本發明改變傳統RTG以單一發電機組供電或以“發電機組+電池組”功率疊加式供電方式，採用發電機組和電池組雙動力源，兩個動力源均可獨立滿足RTG的正常作業功率需求。

電池組電量在設定範圍時，RTG作業以電池組為動力源，實現動力源輸出功率與RTG功率需求全程高度匹配；當電池組電量不足時啟動發電機組提供動力。發電機組一旦投入運行，便控制在最佳經濟油耗區運行，令發電機組以最高效率運行；發電機組給RTG直接供電時，富餘能量給電池組充電，當電池組電量達到設定高位值時，關閉發電機組。

電池組充電功率大於RTG最大回饋能量功率，實現回饋能量全回收。

該系統詳細說明如下：

a) 發電機組和電池組均可獨立支持RTG作業，形成RTG的“雙動力”電源，當電池組故障時，可切換為發電機組模式作業，提高RTG的可靠性；

b) 發電機組間歇性運行，當電池組電量達到系統設定高位值時關閉發動機，RTG動力完全由電池組提供；當電池組電量降至設定低位值時，啟動發電機組，直接為RTG提供動力的同時富餘能量為電池組充電。發電機組一旦投入運行，便始終運行在最佳經濟油耗區，確保以最高效率運行；

c) RTG起升機構下降、小車運行和大車行走等機構制動減速時的回饋能量回收至電池組並實現循環利用。

本發明的目的可通過以下技術方案來實現：

在不改變RTG原有設備性能參數和結構的前提下，增加一組電池動力電源系統，系統主要由電池組、逆變電源、24V直流電源以及系統控制器等組成。

逆變電源輸入端與直流母線並聯，輸出端經過輔助變壓器給RTG的照明、空調等輔助用電設備供電；24V直流電源輸入端與直流母線並聯，輸出端為RTG控制系統提供直流電源。

逆變電源輸入端與直流母線並聯，輸出端經過輔助變壓器給RTG的照明、空調等輔助用電設備供電；24V直流電源輸入端與直流母線並聯，輸出端為RTG控制系統提供直流電源。

本發明對舊RTG設備進行節能改造時，不需更換RTG原動力系統、不需要改動原設備任何參數和結構，僅需增加一組動力電池電源及控制系統，即可完成節能改造；對新製造的RTG設備，通過精確計算配置發電機組與電池組參數，節能效果更佳。

下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細闡述。

如圖1所示，本發明是一種工作時以電池組為主電源的RTG雙動力節能系統，整套系統主要包含：系統控制器1、電池組及管理系統2、發電機組3、單向DC/AC逆變電源4、單向DC/DC直流電源5和輔助變壓器6等組成， RTG與本系統關聯的用電設備主要包括：起升機構變頻器7、小車運行機構變頻器8和大車行走機構變頻器9以及輔助用電設備和控制電源等。

其中所述各部件連接方式及主要功能如下：

電池組2與RTG的直流母線連接，為工作機構提供動力、輔助電源和直流控制電源以及回收能量； 逆變電源4的輸入端與直流母線並聯，輸出端連接輔助變壓器6，輔助變壓器6輸出AC380V/220V50Hz三相四線電源，給RTG的照明、空調等輔助用電設備使用；24V直流電源的輸入端與直流母線並聯，輸出端為提供RTG控制電源；發電機組3分二路輸出，其中一路連接到RTG起升機構變頻器7的交流輸入端，經整流後與直流母線連接，為RTG工作機構供電或給電池組充電；另一路連接到輔助變壓器6輸入端，發電機組投入正常工作時，直接為輔助機構供電。

本系統的能量管理控制及工作原理詳細說明如下：

根據電池的電量-電壓特性設定電池組2的電壓工作範圍(或通過DC/DC)使之與變頻器的電壓工作範圍匹配，確保RTG整機控制系統的穩定。

系統控制器1監控動力電池組2的電壓、電量等狀態；並控制發電機組3啟動、怠速、全速或熄火。

當電池組2電量在設定工作範圍內時，整機功率需求由電池組2通過直流母線提供；當電池組2的電量降至設定低位值時，啟動發電機組3；發電機組3投入正常運轉後，給RTG所有用電設備供電，富餘能量給電池組2充電；隨著電池組2的電量增加電壓逐步升高，當電池組2的電壓升至設定高位值時，系統控制器1控制發電機組3怠速運轉一段時間後熄火，關閉發電機組3。

發電機組3輸出功率控制：如圖2柴油機萬有特性曲線圖，柴油機轉速在1500轉/分鐘時輸出為200～300kW之間時燃油效率最佳，系統控制器1控制發電機組3的輸出功率在200kW～300kW。當電池組2電量較低啟動時，由於電池組2的電壓較低，充電電流較大，充電功率會大於發電機組3的額定輸出功率，此時系統控制器1通過控制，限制電池組2的最大充電電流，確保充電功率與RTG正常工作的功率需求之和不大於發電機組3的額定功率—即控制發電機組3的輸出功率小於300kW；隨著電池組2的電壓不斷升高，充電電流逐步減小，當充電功率與RTG系統功率需求之和偏離發電機組3的經濟油耗時—即低於200kW時，關閉發電機組3。發電機組3一旦投入工作，便始終在經濟油耗區運行，燃油效率最高。

能量回收與控制：RTG每個工作循環均有一定比例的回饋能量，當回饋能量產生時，母線電壓升高，回饋能量優先給逆變電源4和24V直流電源5供電，富餘能量回收至電池組2；所回收的能量在RTG下一工作循環時使用；由於每次充放電均存在一定損耗，理論上所回收的能量可無限循環回收再利用直至接近“0”但永不歸“0”，實現能量循環回收利用。

綜上所述，本發明針對輪胎式龍門起重機的工作特性，提出了一種RTG雙動力節能系統，採用一套電池組作為主動力電源，電池組可滿足RTG在一段時間內的全電作業，實現動力源輸出功率與設備功率需求全程完全匹配，提高能源效率；實現RTG制動能量回收並循環利用；發電機組一旦工作便控制在最佳能效下輸出功率，能源效率最高；實現發動機不超載、不冒黑煙；縮短發電機組執行時間、延長維護保養週期。

本發明輪胎式龍門起重機雙動力節能系統具備以下特點：

(1) 發電機組3和電池組2功率均可滿足RTG的最大功率需求，可獨立支援RTG正常工作，提高設備可靠性；RTG作業時以電池組2為主動力電源，電池組2的輸出功率與RTG功率需求全程完全匹配，提高能源效率；

(2) 發電機組3間歇性工作，機組一旦投入工作，便控制在經濟油耗區運轉，燃油效率高，並確保發動機不超載、不冒黑煙；縮短發動機執行時間，延長維護保養週期。

(3) 實現RTG回饋能量的全回收並循環利用。

(4) 本系統應用於舊RTG改造時，可不更換原發電機動力系統和不改變原設備的性能參數及結構，降低改造成本；應用於於新造RTG設備時，通過精確計算配置的發電機組和電池組參數，節能率更高。

以上所述的本發明實施方式，並不構成對本發明保護範圍的限定。任何在本發明的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的權利要求保護範圍之內。

1‧‧‧系統控制器
2‧‧‧電池組及管理系統
3‧‧‧發電機組
4‧‧‧逆變電源
5‧‧‧直流電源
6‧‧‧輔助變壓器
7‧‧‧起升機構變頻器
8‧‧‧小車運行機構變頻器
9‧‧‧大車行走機構變頻器

圖1，本發明雙動力系統原理圖；及 圖2，柴油萬有特性曲線圖。

1‧‧‧系統控制器

2‧‧‧電池組及管理系統

3‧‧‧發電機組

4‧‧‧逆變電源

5‧‧‧直流電源

6‧‧‧輔助變壓器

7‧‧‧起升機構變頻器

8‧‧‧小車運行機構變頻器

9‧‧‧大車行走機構變頻器

Claims (4)

1. 一種輪胎式龍門起重機（RTG）雙動力節能系統，其特徵在於：包括系統控制器、電池組及管理系統、發電機組、單向DC/AC逆變電源、單向DC/DC直流電源和輔助變壓器， RTG與本系統關聯的用電設備主要包括：起升機構變頻器、小車運行機構變頻器和大車行走機構變頻器以及輔助用電設備和控制電源； 其中各功率模組連接方式與主要功能如下： 電池組：與RTG工作機構變頻驅動器的直流母線並聯，為工作機構提供動力以及輔助電源、24V直流電源供電；另外，當工作機構有逆變能量回饋時，通過直流母線給逆變電源供電或回收至電池組； 逆變電源：輸入端與直流母線並聯，將直流電逆變轉換成交流電輸出，輸出端連接輔助變壓器，輔助變壓器輸出AC380V/220V50Hz三相四線電源，給RTG的照明、空調等輔助用電設備使用； 24V直流電源：輸入端與直流母線聯接，輸出端為RTG控制電源供電； 發電機組：二路輸出，其中一路連接到RTG起升機構變頻器7的交流輸入端，經整流後與直流母線並聯，為RTG工作機構、逆變電源、24V直流電源供電或給電池組充電；另一路連接到輔助變壓器輸入端，發電機組投入正常工作時，直接為輔助機構供電； 發電機組和電池組均可獨立支持RTG正常作業，RTG以電池組為主動力源，輸出功率與需求功率高度匹配；發電機組間歇性工作，發電機組一旦投入運轉便控制在經濟油耗區工作，發電機組要麼在經濟油耗區工作，要麼怠速或熄火停機，節能減排的同時提高RTG動力可靠性。
2. 如申請專利範圍第1項所述的輪胎式龍門起重機（RTG）雙動力節能系統，其中，本系統的電池組電壓工作範圍與RTG變頻驅動器電壓工作範圍完全匹配，電池組可以不加設DC/DC直接與RTG工作機構的變頻驅動器直流母線並聯。
3. 如申請專利範圍第1項所述的輪胎式龍門起重機（RTG）雙動力節能系統，其中，系統應用於RTG改造時，不需要更換RTG原有發電機組。
4. 如申請專利範圍第1項所述的輪胎式龍門起重機（RTG）雙動力節能系統，其中，電池組充電功率大於RTG最大回饋能量功率，實現RTG回饋能量全回收。