青島港（集團）有限公司
輪胎式集裝箱門式起重機“油改電”技術推廣材料

——交通部節能減排專家工作組

    一、概況
    集裝箱運輸作為一種具有運輸效率高、經濟效益高、服務質量高等特點的運輸方式，發展迅速。2006年全國港口完成集裝箱吞吐量9361萬TEU，比上年增長23.8%。2007年我國港口集裝箱吞吐量將突破1億TEU，連續多年居世界第一地位。
    據統計，目前世界上在用的6500臺專業化集裝箱門式起重機中，輪胎式集裝箱門式起重機占90%以上。輪胎式集裝箱門式起重機，簡稱RTG（Rubber Tyred Gantry Crane），是集裝箱專業化碼頭堆場的主力設備，它具有可靈活轉場作業、工程投資少等特點，受到廣大港口碼頭的歡迎。但是，RTG由柴油發電機組驅動，經過熱能、機械能多種能量轉換才變成電能，能量轉換效率低，造成設備能耗大，用電成本高。當前柴油價格不斷升高， RTG柴油發電機組單位電量費用比電網供電高3倍，而且柴油機氣體排放、噪聲、廢油水泄漏，均對港口形成較大的污染。多年來，世界各國競相投入力量試圖改進RTG驅動技術，但長期以來成效不大，已成為一個世界性技術難題。
    青島港始建于1892年，是我國沿海主要港口，也是國家集裝箱9大干線港之一，2006年港口集裝箱吞吐量居全國第三。在“振超效率”影響下，青島港創出了無論多大的集裝箱船舶全部“10小時以內完船”的品牌，并創造了船時效率每小時473.78自然箱和單機最高效率82.4自然箱的世界紀錄。
    前灣港區是青島港集裝箱作業的主港區，現有7個大型專業化集裝箱泊位，岸邊集裝箱起重機26臺，輪胎式集裝箱門式起重機60臺，設計年吞吐量340萬TEU。據統計，前灣港區的RTG每年消耗柴油達7500噸以上，占公司全部油耗的71%，是公司的耗油大戶。此外，大量使用柴油驅動的集裝箱裝卸設備，由于發動機不完全燃燒而產生的濃濃黑煙以及重物起升時發動機發出的噪聲也嚴重污染了港區環境。
    為貫徹國家、交通部建設資源節約型、環境友好型社會的指示精神，促進集裝箱碼頭生產的節能減排，降低公司經營成本，青島港成立了輪胎式集裝箱門式起重機“油改電”項目攻關組，提出將RTG由柴油機驅動改為電驅動。電力驅動的RTG（簡稱ERTG），既具備軌道式設備環保、能耗低的優點，又可以保持輪胎式設備可靈活轉場的優點，并可以顯著節約能源、減少污染排放、改善工作環境、提高勞動效率、降低運營成本，是對傳統RTG驅動方式進行的一項重大技術創新，實現了該類型設備技術領域的一次革命。
    自2004年3月以來，項目組對RTG“油改電”相關技術進行了全面調研，對ERTG的電纜卷筒、高架滑觸線和剛性滑觸線供電方案進行了詳細論證，最終提出了集電小車柔性牽引的剛性滑觸線供電方案，突破了RTG采用柴油－發電機組作為動力的限制，實現了利用市電通過剛性滑觸線對輪胎式設備的移動供電。成果用于青島港前灣港區工程現場，并已形成規�；瘧�用。目前，公司已投入資金4000余萬元，完成了港區81個箱區的供電工程建設和全部60臺RTG的電動化改造。經過工程應用驗證，能耗下降30%以上，基本無廢氣排放，運行成本下降65%，噪聲下降50%以上。
    電力驅動的輪胎式集裝箱門式起重機節能減排效果明顯，具有良好的應用價值和廣闊的推廣前景。
 

    二、基本原理
    輪胎式集裝箱門式起重機在箱區作業時，定向往復移動作業的能耗占總能耗的90%以上。通過改變在箱區間的供電方式，將使用柴油改為使用電網電源，可以大幅度降低能耗成本，減少柴油消耗，減少污染。
    目前，RTG“油改電”技術有三種供電方式：電纜卷筒、高架滑觸線和剛性滑觸線。
    電纜卷筒供電方式是在門架一側設置電纜卷筒，電纜纏繞在電纜卷筒上，電纜的一端與RTG 的整機供電回路連接，另一端沿著碼頭地面的電纜槽，連接至相應的市電接線箱。RTG 行走時，電纜卷筒根據RTG 與市電接線箱的距離收放電纜。
    高架滑觸線供電方式是通過架設高空銅滑線來實現上電，RTG可以像公交電車那樣從頭頂上的高壓電線獲取電力能源。
    本項目組在RTG“油改電”過程中，以系統結構簡單、運行可靠、維護方便為技術目標，采用了剛性滑觸線供電技術方案，即應用特殊設計的集電車，托帶集電器隨RTG同步移動，實現輪胎式設備的移動供電。
    剛性滑觸線實現供電的ERTG基本原理為：在集裝箱堆場的箱區內，架設剛性滑觸線供電線路。當ERTG在箱區作業時，關閉柴油發電機組，所需動力由專門設計的集電裝置，將城市用電從滑觸線輸送到ERTG。ERTG沿滑觸線移動，實現對整個箱區的工作覆蓋。當ERTG需轉場到另一箱區作業時，則切斷電源與ERTG的聯系，改由柴油發電機組供電并實現轉場。轉到指定堆場后，柴油發電機組停止工作，工作動力重新切換為由市電供電。 

    圖1為剛性滑觸線供電的ERTG原理示意圖，圖2為系統基本構成圖，圖3為電源連接電氣圖。

    三、實施方案
    （一）工程概要
    青島港前灣港區三期工程位于青島前灣二期雜貨突堤西側，西臨鐮灣河，與青島市隔海相望，陸上距青島市公路里程約70km，水路距青島老港區約9km。建設規模為7個大型專業化集裝箱泊位，碼頭總長2400m，堆場縱深875m，現有岸邊集裝箱起重機26臺，輪胎式集裝箱門式起重機60臺，設計年吞吐量340萬TEU/a。
    本次RTG“油改電”工程主要為前沿區堆場，根據總平面布置共分9個區塊81條堆場，全部為重箱堆場，堆場堆存能力57500TEU，其中含6150TEU冷藏箱（見圖4：RTG油改電工程平面布置圖）。采用軌道式集電車滑觸供電技術實現RTG“油改電”開發的總體技術方案，共建設供電滑線72條，供電箱變18臺，完成全部60臺RTG“油改電”改造等，工程投資4000余萬元。
    （二）RTG改造內容
    1、構建軌道式集電車滑觸供電系統
    在箱區邊緣埋設滑觸線立柱（圖5），立柱高度2.6m。將剛性滑觸線通過懸吊架固定在滑觸線立柱上（圖6），懸吊架兩側安裝與滑觸線平行的集電車軌道，軌道上設有數臺集電車，通過集電車上的集電器、輸電電纜和快速插頭插座，將電力從滑觸線輸送到ERTG。
    滑觸線四根一組（三相四線）懸吊、固定在吊架上。每根滑觸線的截面積為700mm2，額定電流為1000A，其容量能滿足3臺ERTG同時作業的需求。

    2、集電車研制
    按照集電車技術要求，研制了移動式集電車。集電車主要包括車體、行走輪、備用輪、導向輪，以及防碰撞緩沖裝置、防翻轉墜落保護裝置。
    3、集電車柔性牽引臂 
根據集電車柔性牽引技術要求，以及考慮適應不同箱區牽引集電車和轉場時能夠收回的特殊性，在ERTG上安裝了可伸縮、折疊的牽引臂，見圖8。通過掛鉤，集電車可方便地與ERTG連接或分離。

    4、超聲波自動糾編及防碰撞安全保護裝置
    按照超聲波自動糾編與防碰撞自動停機設計要求，設置了超聲波測距裝置。超聲波測出的距離信號傳輸至電控系統，實現自動糾偏及超差自動停機保護。
    在集電車上設有可自動斷電電源箱及電源輸出電纜和插頭，在ERTG上安裝電源插座及電控箱，分別見圖9a、圖9b。
    5、ERTG轉場功能的實現
    根據轉場要求，只需拔下插頭、摘下掛鉤，啟動柴油發電機組或由轉場發電車提供動力，即可實現ERTG轉場。

    四、關鍵技術和創新點
    （一）關鍵技術
    1、供電技術方案研究
    目前ERTG有三種供電方式：電纜卷筒、高架滑觸線和剛性滑觸線。項目組經過充分調研、論證，應用剛性滑觸線實現了對ERTG的移動供電。
    剛性滑觸線供電方式對集電器與滑觸線之間的相對位置要求嚴格。集電器在沿滑觸線滑動過程中，其固定支架與滑觸線之間的橫向偏移不得超過±15mm，縱向偏移不得超過±20mm。經反復研究論證，借鑒軌道式機械行走平穩的特性，以集電車軌道等效替代起重機軌道，提出了以下技術方案：在集裝箱堆場的箱區邊緣架設滑觸線支撐架，在支撐架上架設滑觸線及安裝集電車軌道，集電車可沿軌道跟隨ERTG移動，滿足了剛性滑觸線使用的精度要求，突破了剛性滑觸線不能應用于輪胎式起重機械的應用限制，實現了對RTG的移動供電。圖11為T形立柱滑觸線及集電小車裝配圖。
    2、集電車技術開發
    為保證集電車的安全可靠運行，采取了以下技術措施：
    ① 為了集電車運行可靠，在集電車開發中，采用冗余設計技術，行走輪和導向輪均按8輪設計。
    ② 集電車正常運行時，行走輪4輪工作、4輪備用。當工作輪出現故障或磨損達到需更換程度時(5mm)，備用輪會自動投入運轉，保證集電車可靠運行。
    ③ 集電車正常運行時，兩側4只導向輪工作，4只備用。
    ④行走輪、導向輪均采用防水免維護設計，車輪側面涂有彩色條紋，以便于觀察車輪運轉情況。
    ⑤集電車采用防翻轉墜落設計，可在任何情況下防止集電車的側翻、墜落。
    集電車機械結構圖見圖12。

    3、集電車柔性牽引技術設計
    為適用ERTG跑偏、晃動的特性，ERTG與集電車之間采用柔性牽引，消除了兩者之間相對位置變化對集電小車的影響，保證了剛性滑觸線對ERTG的正常供電。
    為保證ERTG對集電車的平順、可靠牽引，牽引繩由橡膠繩和鋼絲繩組合而成。橡膠繩略短于鋼絲繩，利用橡膠繩的拉伸彈性，實現集電車的平順啟動。正常情況下橡膠繩牽引集電車運行，當橡膠繩發生斷裂時，鋼絲繩提供后備保護牽引。為減小牽引繩的偏角，牽引臂為自適用伸縮式，在ERTG行走偏移較大時，牽引臂自動伸縮以補償偏移角度。ERTG轉場時，牽引桿可縮回至牽引套內，同時牽引臂可以整體折疊到設備主體結構上，便于ERTG的轉場。
    4、基于超聲波測距技術的自動糾偏與防碰撞安全裝置開發
    開發過程中，在ERTG靠近滑觸線一側的兩端安裝了兩套超聲波測距裝置，一套負責自動糾偏，一套負責自動停機。超聲波測距裝置不間斷測量ERTG與集電車軌道之間的距離，并將距離信號輸入到PLC，以此控制大車兩側運行電機運行，實現了大車行走的自動糾編或自動停機，其精度可根據需要設定。目前根據現場使用情況設定自動糾偏的精度為100毫米，自動停機的精度為300毫米。
    5、安全保護技術
    為確保拔插電時操作人員安全，在集電車上設計安裝了電源接觸器箱，并在ERTG上增設電源控制箱（電壓24V）。操作人員進行插拔電作業時，先按電源控制箱上的斷電按鈕，切斷電源，保證操作人員在無電狀態下操作。一旦操作者誤操作，直接拔電源插頭，該插頭獨特設計的控制回路會自動斷電，保證操作者不會發生觸電事故。
    為防止司機誤操作沖出箱區，在箱區末端采用了約3米的無電段設計，可強制斷電，確保ERTG不會沖出箱區。
    6、ERTG轉場問題的技術方案
    為解決ERTG的轉場問題，項目組采取了以下技術方案：
    ① 集電車與ERTG之間采用插接方式。
    ② ERTG對集電車采用掛鉤式牽引。
    ERTG轉場時，只需拔下插頭、摘下掛鉤，啟動柴油發電機組或由轉場發電車提供動力，即可實施轉場。
    （二）創新點
    1、以剛性滑觸線和軌道式集電小車為主要構成的輪胎式集裝箱門式起重機“油改電”技術的系統集成，實現了剛性滑觸線對輪胎式設備的移動供電，突破了剛性滑觸線只能應用于軌道式設備的限制。
    2、首次提出并應用了集電小車柔性牽引技術，使剛性滑觸線能夠應用于RTG跑偏狀態并適應設備作業時搖擺、晃動的特性。
    3、首次將超聲波測距技術應用于RTG的自動糾編與防碰撞安全保護。采用超聲波測距裝置連續測量RTG與集電車軌道之間的距離，以此控制大車兩側運行電機運行，實現了大車行走的自動糾編或停機。
    4、國內首次在港口機械上使用了大功率、具有自動斷電功能的電力快速接頭，在保證安全的條件下實現了動力的快速切換。

    五、項目成效
    青島港輪胎式集裝箱門式起重機“油改電”技術改造項目，主要在節約能源、減少排放、改善環境、提高效率、降低成本等方面取得了顯著成效。
    （一）節約能源
    由于采用電力驅動方式替代傳統的柴油發電機組驅動方式，使RTG在作業中避免了因油—電轉換造成的能量損失，提高了能源的使用效率。
    根據統計數據，改造前RTG操作一個TEU的平均柴油消耗1.2升（折1.5千克標煤），改造后每操作一個TEU平均耗電2.5kwh（折1.0千克標煤），計算能源節約率達50%左右。
    改造后的RTG在候工時，不需要柴油發電機為待機、空調、照明、通訊等功能高速運轉進行發電，而由市電直接供給，這樣可以節約大量的能源。
    （二）減少排放
    目前，改造后的RTG，只有在轉場時啟動柴油發電機組，作業時是由市電驅動，使得柴油發電機組的日運行臺時大幅度下降，從而減少了發電機二氧化碳、二氧化硫等尾氣排放。按青島港RTG年消耗7500噸柴油計算，改造后每年可減少二氧化碳2.1萬噸、二氧化硫59噸的尾氣排放，提高了港區空氣質量。
    （三）改善環境
    電力驅動的設備較柴油發電機組驅動的設備，在運行時（特別是變負荷作業時）平穩很多，其噪音也至少降低50%。
    由于改造后的RTG在作業中噪音和振動較小，大大改善了司機和堆場人員的操作環境，提高了工作舒適度，使作業環境更加人性化。
    （四）提高效率
   電力驅動的設備與柴油發電機組驅動的設備相比，在啟動、關閉等環節上，操作程序有所簡化，不易產生誤操作，減輕了司機的勞動強度。在作業過程中，電動設備的操控在平穩度和靈敏度上均有提高，使得司機操作更加便捷和準確，有利于提高設備的作業效率。
    （五）降低成本
    1、由于節約了能源和改變了能源品種，使得青島港改造后的RTG單箱能源成本由6.74元降低到2.45元。
    2、由于柴油發電機組日運行臺時的減少，其保養間隔時間相應延長，從而節約了大量的潤滑油、濾清器等材料費用。
    3、由于電動設備運行平穩和電器元件可靠性較好，改造后2007年設備故障率下降了50%，設備平均利用率由69.3%提高到71.5%，同時降低了維修人員的勞動強度。
    4、由于RTG的用油量減少，為之加油次數相應減少，節約了輔助作業的能源成本和管理成本。
    改造前后的RTG節能減排指標對照表見下表：
 

表1  改造前后RTG節能減排指標對照表

    注：由于測試環境在冷箱區，降噪效果沒有實際體現

    截止2007年9月的統計數據，青島港ERTG共完成操作箱量261萬箱，節能1265.4噸標煤，節支1144.8萬元。
    我國沿海港口2006年完成集裝箱吞吐量8579萬TEU，按照ERTG應用的節能數據推算，隨著RTG“油改電”技術在沿海港口的推廣應用，可實現年節約能源3萬噸標煤，降低成本2億元，并可以有效改善環境。其推廣應用，對建設資源節約型、環境友好型港口企業，實踐科學發展觀，促進社會的和諧發展具有重要意義。