轮胎式集装箱门式起重机“油改电”技术应用研究与实践

  集装箱运输作为一种具有运输效率高、 经济效益高、 服务质量高等特点的运输方式， 发展迅速。 轮胎式集装箱门式起重机（简称“RTG”）是集装箱码头堆场装卸的主要设备， 具有可灵活转场作业、堆场利用率高、工程投资少等特点，因而被广泛采用。 目前世界上在用的 7 500 多台专业化集装箱门式起重机中，RTG 占到 90%以上。

但是，由于 RTG 由柴油发电机组驱动，工作模式多为间歇式，空耗时间长，且经过热能、机械能多种能量转换才变成电能，能量转换效率低，设备能耗大，费用成本相对较高。 而且柴油机工作造成气体排放、噪声、废油水泄漏，均对港口形成较大的污染。 这既不符合国家建设资源节约型、环境友好型社会的要求， 同时也增加了企业运营维护的成本。 特别是随着当前国际能源供应日趋紧张，柴油价格不断升高，采用廉价、清洁的市电驱动的轮胎式集装箱门式起重机（简称“ERTG”）便提到议事日程上来，国内青岛港、上海港、深圳盐田国际、蛇口招商港务、苏州现代货箱等均已成功对部分 RTG 进行了“油改电”改造，以降低 RTG 装卸、作业能耗成本。

一、 RTG 油改电技术方案

RTG 油改电 的 工 作 原 理： 保留内燃机驱动RTG 原有各项功能的条件下， 作业时能源供给方式由柴油发电机组改为市电供给，以驱动 RTG 上的各交流变频电动机；将原内燃机驱动 RTG 的机载大功率柴油发电机组（约 700kVA）减少至小功率柴油机组（约 80kW），其柴油发电机组主要提供ERTG转场时的驱动，或在转场作业和电网故障时进行应急操作。

1． ERTG 供电方案

根据供电方式的不同，ERTG 可 分 为 电 缆 转盘、安全滑触线、高空架线 3 种方案。

（1） 电缆转盘方案

电缆卷盘方案由电缆卷盘、 控制系统、 导缆架、供电电缆、电缆插头、地面接线箱等各部件组成。

当 ERTG 沿堆场跑道行走时， 由电缆卷盘的控制系统根据 ERTG 行走时供电电缆上的张力，通过变频控制来调节电缆卷盘的收放速度， 使之与 ERTG 的行走速度相匹配， 以保证供电电缆的安全。 电缆端部通过快速插头与地面接线箱连接获得市电。

当 ERTG 需进行转场操作时， 首先应关闭地面接线箱内的安全开关，切断 ERTG 与市电连接，然后再拔下与市电连接的插头， 这样才能保证电缆插头的插拔操作均在无电的情况下安全完成。

随后 ERTG 的供电模式转换至机载柴油机供电，同时可使用微动功能将卷盘电缆人工回收到位，即可同普通 RTG 一样进行正常的转场操作。

（2） 安全滑触线方案（也称低架滑触线）

ERTG 安全滑触线方案由滑触线馈电装 置、集电小车柔性牵引联接装置、 供电电缆快速连接装置、 安全警报预警检测装置以及转场用小型柴油发电机共同组成。

滑触线馈电装置内设输电导轨， 依靠滑动接触方式，向 ERTG 提供电能输电装置。 滑接输电导线或导管的供电端与城市电网相接， 通过与输电导轨滑动接触的集电刷可以将电网电流引入有轨导向集电小车， *后通过有轨导向集电小车电缆与 ERTG 配电柜电源输入端的接通将电网电源引入 ERTG，集电小车沿轨道与 ERTG 移动，实现移动供电。

当 ERTG 需转场到另一箱区作业时， 应首先拔下快速插头切断集电小车电缆与 RTG 的联系，然后将集电小车柔性牵引联接装置与 ERTG 分离，同时将转换开关转入自备电源档，将 ERTG 的动力供给由电网转换为自备小功率柴油机组供电，实现 ERTG 转场操作，转场到位后，关闭自备柴油机组， 插上快速插头可将动力重新切换为滑触线供电， 集电小车柔性牵引联接装置也应与ERTG 再次连接上。

（3） 高空架线方案

ERTG 高空架线方案由滑触线馈电系统 、ERTG 取电装置、安全警报预警检测装置以及 80～100KW 转场用小型柴油发电机共同组成。 滑触线架设高度一般高于 32m （比 ERTG 的*高点高约2.5m）。

滑触线馈电系统由塔架、铜滑线、铜滑线张紧装置、吊架、拉索、张紧装置、防雷线等共同组成。铜滑线的供电端与城市电网相接， 向 ERTG 提供满足工作要求的电源。ERTG 向铜滑线的取电由受电装置完成， 目前高架滑触线 ERTG 受电装置有两个方案可供选择， 一是采用类似于城市电车的“取电杆”，二是采用类似于城市轻轨的“受电弓”。

当 ERTG 需横向转场到另一箱区作业时，应首先停车、切断机上电源，然后将 ERTG 的受电装置与铜滑线脱离联系， 再将转换开关转入自备电源档， 将 ERTG 的动力供给由电网转换为自备小功率柴油机组供电，实现 ERTG 转场操作，转场到位后，关闭自备柴油机组，*后将 RTG 的受电装置重新与铜滑线相接， 切换电源使 ERTG 动力重新切换为铜滑线供电。

2. ERTG 3 种上机供电方案比较分析

高空架线、低架滑触线、电缆卷盘 3 种上机供电方式各有优劣，其比较详见附表。

通过比较分析，3 种上机供电方案都有其各自的特点， 比较而言， 电缆卷盘方案具有技术成熟、操作简单、运行风险小、可靠性高、后期维护保养简单等优点，是目前正在推广的一种形式。

二、 电缆卷盘“油改电”技术应用

1． 改造工程内容

根据太仓港二期工程“油改电”基本思路：将RTG 改为电力驱动的 ERTG， 利用市电通过电缆卷盘对移动设备供电，同时堆场箱位和 RTG 作业布置形式等维持原状。

场地的改造仅在局部区域增加专用变电所和设置 ERTG 电源插座， 即在两条集装箱堆箱区之间设置 1 个电源插座， 该插座可同时提供 4 台ERTG 电源，保证了每条堆场可以实现 2 台 ERTG作业。

改造工程重点包括 3 部分内容， 分别为供电工程、设备改造工程、场地改造工程。

（1） 供电工程

供电系统的改造，是改造工程的难点和重点，其总费用约占总投资的 40%， 主要包括在场地敷设供 ERTG 作 业 的 电 缆、 插 座 箱， 建 造 专 用 的

ERTG 电源变电所。

港 区 内 新 建 3 座 10kV 专 用 变 电 所(＃5、＃6、＃7ERTG 变电所),改造 1 座 10kV 变电所（＃3 变电所），增加供电容量，为堆场内 ERTG 供电。 新建箱式变电站 1 座，设置在 RTG 维修场地边绿化场地中。 考虑供电距离的要求， 变电所供电距离和范围，不能超过 300m。

堆场两端 ERTG 跑道的非行车道侧设 1 个双联插座箱，满足 2 台 ERTG 同时作业的要求，堆场中间的 ERTG 跑道的非行车道侧设 1 个四联插座箱，共满足 4 台 ERTG 同时作业的要求。 每路插座箱由专用 ERTG 变电所分别提供 690V 电源。

（2） 设备改造工程

设备改造工程包括以下 4 部分内容：改进原振华港机（ZPMC）设计的卷盘控制系统，采用和原主控制系统相同的富士电控系统，提高整个控制系统的兼容性，降低维修和备件成本；卷盘控制系统与主控制系统采用光纤通讯， 减少了控制电缆敷设施工量，降低故障率。

增加收放缆保护功能，完善控制程序，设置了限位保护功能，在电缆收到位后自动断电，保护电缆和导向架。 对卷盘运行参数进行优化，使电缆收放平稳。

因 PLC、变频器、电控屏、仪表等设备很精密，对工作环境中温度、湿度等要求很高，考虑在卷盘平台上设立独立空调电气控制房， 放置控制系统和电源切换装置，保证了设备良好的使用环境，延长电控设备的使用寿命，减少故障率。

（3） 场地改造工程

根据港区 ERTG 作业方式， 电源插座分别布置在纵二路和纵四路两侧，纵二路、纵四路开设电缆槽，埋管敷设动力电缆，两侧布置电源插座箱。根据供电工程改造方案， 港区内需新增 3 座专用变电所。

2． 关键技术及**

（1） 供电电压选取

RTG“油改电”改工程中，改变了以往 460V 的常规电压等级，采用供电电压为 690V，电压的升高导致电缆规格的减少，减少改造投资，同时因为ERTG 随机电缆规格的减少， 可以相应增加了电缆的长度， 保证了设备作业的范围； 通过计算分析，得出电缆长度不应该超过 300 米，以保证电压降＜5%的要求。

（2） 动态的无功补偿系统

在变电所低压母线上采取集中补偿的办法，投切开关为可控硅（晶闸管）模块，快速的投切在20ms 以内，无需电容器放电等待时间即可重复响应，采用任意编码方式，要求投切精度<5%；实现了在*小电流投切， *大状态满足并且保证平衡补偿和不平衡补偿一体； 可以达到功率因数 0.90及以上，可达 4 组滤波通道进行治理，谐波治理达到国家要求规范。

（3） 码头插座箱

研制了适合码头快速插拔的插座箱， 生产出了****套 690V 电源插座、插头，插座的插孔采用双螺旋涨紧技术，已经申请了国家**；单联插座箱、 双联插座箱、 四联插座箱均得到了国家3C 认证，其中四联插座箱为国内外首台，该系列插座箱同时具备机械、电气连锁，增加插座箱散热系统，设置了安全警示指示灯。

（4） 电缆卷盘房平台抖动问题处理

针对电缆卷盘房平台抖动问题， 利 用 富 士PLC 指令模块， 将 ERTG 大车对电缆卷盘不必要的瞬时加减速变化率进行过滤， 有效屏蔽电缆力矩在短时间内突加或突减的变化， 达到平滑力矩曲线的目的，较好地改善了电缆卷盘房的抖动，解决了平台的共振问题，也保护了电缆，降低了电缆卷盘部位的故障发生率， 提高了整机安全性和作业效率。

（5） 灵活的转向系统

采用灵活的轴承系统，保证了电缆设备在 180°范围内自由运行，利用设备的 PLC 控制系统，安全实现了设备通过插座箱而非人工的转向功能。

三、 RTG 油改电技术成效

1． 有效节约能源

改造后的 ERTG 与 RTG 相比，单位标箱能耗指标显著降低，根据太仓港“油改电”工程测算，改造 前 RTG 每 标 箱 耗 油 量 为 2.1L （折 合 标 准 煤2.63KG），而 ERTG 每标箱耗电量为 3.1KWH（折合标准煤 1.25KG），标准煤节能率达 52.5%，大大节约了有限的****能源。

2. 减少污染排放

ERTG 仅在设备转场时用柴油发电机组，其余时间都使用市电，减少了废气排放，减少了环境污染。 经测算，按照每年 100 万标箱的作业能力，每标箱耗油 2.1L 计算，CO、HC、 NOx、PM 等污染物排放量减少约 90%，二氧化碳排放量减少约 57%。

3. 降低运营成本

仍以太仓港二期工程为例， 按每公升柴油为 4.87 元（2008年平均单价），则 RTG 每标箱成本为 11.201 元/TEU；按每度电0.748 元计算， 则改造后的 ERTG 每标箱成本为 2.32 元/TEU；改 造 后， 每标箱实际成本节约 7.91 元， 成本下降幅度达 到77%。 如按每年 100 万标箱吞吐量计算，全年共可节省运营成本 791 万元。

4. 改善操作环境

市电电网较柴油发电机组更稳定，电压波动小，运行故障较低，使得 ERTG 操作性得到提高。 改造后的 RTG 在作业中噪音和振动较小，大大改善了操作和堆场人员的工作环境，提高了工作舒适度，使作业环境更加人性化。

5. 提高作业效率

市电驱动的设备与柴油发电机组驱动的设备相比， 在启动、关闭等环节上，操作程序更加简化，不易产生误操作，减轻了操作人员的劳动强度。 同时，在作业过程中，电动设备的操控在平稳度和灵敏度上均有提高，使得操作更便捷、准确，有利于提高设备的作业效率。