岸边集装箱起重机能耗等级试验研究*

孙建锐

交通运输部水运科学研究院



岸边集装箱起重机能耗等级试验研究*

孙建锐

交通运输部水运科学研究院

以岸边集装箱起重机为研究对象，分析了现代集装箱码头岸边集装箱起重机设备系统类别，确定以起重量和起升高度为起重机分类基础数据。根据交通运输行业对重点能耗产品的定义，以及岸边集装箱起重机使用特点，给出了岸边集装箱起重机能耗等级分级原则和分级指标。确定了能耗等级分级的试验方法并进行现场能耗试验，通过对多个样本起重机进行能耗测试，并依据能效限值制定原则，提出了岸边集装箱起重机能耗分级限值。

岸边集装箱起重机； 设备分类； 能耗等级； 能效限值； 分级指标

1　前言

装卸机械作业过程中的耗能与污染问题已经日益为广大港口所重视，港口管理者正在通过实施装卸机械配置、升级装卸机械驱动能源等节能措施，努力实现港口装卸机械的节能减排升级改造。目前，集装箱码头节能减排升级改造研究所取得的成绩主要体现在堆场集装箱起重机“油改电”、基于投入成本和起运量因素的装卸设备优化配置、港区设备合理保有量研究、集装箱码头节能减排评价等方面[1-2]，所获得的统计数据主要体现在整个港口节能总量等经济数据上， 对实际消耗能源最直接的设备——港口装卸机械的能源利用合理程度的界定缺乏相关定义。

本文以岸边集装箱起重机为对象，对集装箱码头装卸设备能耗等级分级进行了研究，给出了岸边集装箱起重机能耗等级分级原则和分级指标，确定了能耗等级分级的试验方法并进行现场能耗试验，提出了岸边集装箱起重机能耗分级限值。

2　岸边集装箱起重机设备分类

岸边集装箱起重机能耗等级分级，首先应当解决岸边集装箱起重机分类问题。港口实际应用的岸边集装箱起重机种类繁多，大多为非标设计，起重量、跨距、起升高度、前伸距、后伸距等参数不同，起重机结构型式存在很大差距。表1为对国内外主要起重机生产企业、集装箱码头调研结果，以此作为岸边集装箱起重机设备分类依据。

为便于对起重机进行能耗等级分级，应当确定起重机分类坐标。从表1中可以看出，岸边集装箱起重机除起重量外，前伸距和起升高度为2个主要分类参数，前伸距与起升高度均能够反应起重机规格大小。通过前期研究成果和对现场测试数据整理，发现对于不同类型的集装箱起重机，起升机构能耗在所有能耗中占据着绝对大的能耗比重，因此起重机分类基础数据选择为起重量和起升高度。

表1　岸边集装箱起重机设备类型调研及统计表

3　能耗等级分级及限值

3.1能效限值设定方法

根据本工程依托项目，本文采用3个等级对起重机能耗等级进行分类，即先进级(1级)、平均级(2级)、限定级(3级)。其中1级最高，3级最低。

对于起重机不同等级能耗限值的取值，目前国内外尚无可循依据。根据交通运输行业对重点能耗产品的定义，以及岸边集装箱起重机使用特点，本文对能效限值设定方法如下：

(1)1级能效临界值取国内市场上高能效产品的20%；

(2)2级能效临界值取介于1级与3级能效之间的产品；

(3)3级能效临界值取国内市场上最低能效产品的15%。

3.2能耗等级分级指标

岸边集装箱起重机大多非标设计，类型众多，必须制定统一的能耗计量指标，使同一类别内起重机能耗值具有对比性。在化工、船舶、家电等行业，能源利用效率已经与设备节能密切相关，提高能源利用效率被认为是降低对石化燃料依赖性、增强能源供给安全性、提高工业竞争力的一种有效途径。能源利用效率定义为实际产出与实际投入的比值[3]。因此，岸边集装箱起重机能耗等级分级指标可以定义为岸边集装箱起重机作业额定起重量的耗电量，即单位操作循环耗电能。

测试期内完成单位操作循环所消耗电能，按式(1)计算：

(1)

式中，ez为能源单耗，kWh/t；Ez为完成规定测试动作能源消耗量，kWh；Tb为测试过程起吊的重量，t。

3.2能耗测试方法

本文基于试验方法，对多个样本起重机进行能耗测试，并依据能效限值制定原则，制定起重机能耗等级限值。

3.2.1测试工况

理论上，起重机作业在1个作业循环下的耗能等于1个作业循环内起吊运输货物所做的功，即耗能主要影响因素为起重量和吊具带载行驶位移。由于各集装箱码头水深条件、经济实力等不同，进行码头设计时，靠泊船舶能力存在很大差距，直接造成岸边集装箱起重机起升高度、外伸距、跨距等参数差别巨大。在进行岸边集装箱起重机耗能比较时，为使得测试数据具有可对比性，有必要建立统一的尺度。另外，岸边集装箱起重机耗能的执行单元为各运行机构，具体为起升、小车运行、大车运行3大机构。为对各机构能耗进行对比，选定在进行能耗比较时，各机构运行距离相同。

目前，国内起重机设计方法仍主要以安全系数法为主，由于设计者经验水平的差距，“大马拉小车”在起重机设计中仍然非常普遍，因此，不可避免的会产生巨大能耗浪费。“大马拉小车”现象也被认为是起重机产生巨大能源浪费的最直接因素。因此，本文规定，起重机能效对比时，起重机吊载重量设定为额定起重量。

机构速度对能耗影响巨大，而不同设备个体，运行速度设计值往往差距巨大，在进行起重机能效比较时，有必要建立统一的速度尺度。本文选定在起重机个体耗能尽量小的工况下进行比较。相关研究成果表明，起重机能耗在最接近额定速度时能耗最小[4]。因此将进行能效对比的起重机设定为在额定运行速度下进行作业的耗能。

根据以上论述，结合对岸边集装箱起重机类型参数调研结果，设定岸边集装箱起重机能耗测试的工况为额定起重量，起升高度20.0 m，小车行走距离20.0 m，大车行走距离30.0 m，机构运行速度为额定运行速度。测试工况如图1所示。

图1　岸边集装箱起重机测试工况示意图

图中各点位置说明如下：

A-高度距离地面20 m；

B-高度与A点相同，距离A点20 m后伸距位置；

C-B点正下方地面位置；

D-A点正下方地面位置。

3.2.2测试方法

测试方法制定尽量模拟岸边集装箱起重机作业工况，具体说明如下：

(1)吊具空载，小车的初始位置置A点，记录电能测量表读数。

(2)起动小车，吊具空载以额定速度向后伸距方向运行距离20 m，到达B点→空载下降至C点，锁定指定起重量的集装箱→以额定速度起升至B点→小车往前伸距方向运行20 m到达A点→吊具下降15 m到达D点→卸下集装箱→吊具空载上升至A点。

(3)吊具空载下降到达D点，锁定集装箱，带载上升15 m到达C点→小车往后伸距方向运行指定距离20 m，到达B点→吊具下降15 m到达C点，将集装箱卸在地面上→空载上升至B点→小车空载往前伸距方向运行指定距离20 m，到达A点。

(4)重复步骤(2)、(3)4次。

(5)以上测试时起升与小车应不可联动操作，起升运行均按额定速度进行。

(6)完成以上测试后大车以一个方向运行30 m返回到原点，并等待计时至1 h。

(7)1 h内完成5次循环计10个循环作业箱数。

(8)测试计时结束，记录电能测量表的读数。

在1 h内未完成(1)-(7)的规定步骤，本次测试无效，需重新测试。

3.2.3测试结果

本文依托项目针对岸边集装箱起重机能耗情况进行了大量的现场测试，表2为选取测试样本中60 t以上岸边集装箱起重机设备的能耗情况汇总。

3.2.4岸边集装箱起重机能耗限值

根据对岸边集装箱起重机规格型式调研统计结果，以及现场测试数据，制定集装箱分类能耗限值如表3所示。

4　结语

通过试验研究可以发现，在规定的相同动作工况下，起升高度相同，随着起重机起重量不断加大，起重机起吊单位重量的货载耗能越大；起重量相同时，起重机的设计起升高度越大，起重机起吊单位重量的货载耗能越大，即起重机规格越大，起重机起吊单位重量的货载耗能越大。另外， 本文制定的起重机分类能耗限值，可以作为起重机生产准入证明参考，即单位能耗值大于3级能耗限值的新起重机，建议限制其投入生产，或强制其进行能效改造。

表2　岸边集装箱起重机设备的能耗测试结果

表3　不同能耗等级的能源消耗数值　 单位：kWh/t

注：限于样本数量，本文制定的起重机能耗限值仍存在修订空间。

[1]郑斐城. 港口件杂货装卸设备配置优化系统的研究[D]. 武汉,武汉理工大学,2009.

[2]刘学淑. 港口装卸机械合理拥有量研究[J].现代商贸工业，2012(14):54-55.

[3]张亮, 王铁骊, 刘文君. 中国汽车工业能源利用效率的实证研究[J]. 宏观经济,2013(2):80-81.

[4]丁敏, 罗建平, 张德文. 轨道式集装箱门式起重机能耗试验研究[J]. 港口装卸, 2014(1):8-10.

Experimental Study on Energy Consumption Level for Quayside Container Crane

Sun Jianrui

Waterborne Transport Research Institute,Ministry of Transport, CHINA

The classification of the modern quayside container crane is clarified by the basic data of hoisting capacity and lifting altitude. According to the definition of important energy consumption product in the transportation industry and the operation characteristics of the quayside container crane, the classification principle and classification energy indicators are provided. The grading test method of energy consumption level is formulated. Through the combination of energy consumption experiments of crane samples in the test field, according to the rules of enery consumption limits, the classification energy consumption limit values of quayside container crane are put forward.

quayside container crane; equipment classification; energy consumption level; energy limit value; classification indexes

2015-11-20

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.020

孙建锐: 100088, 北京市海淀区西土城路8号

*国家交通运输部节能减排能力建设项目：港口生产能效和二氧化碳排放强度等级及评定方法研究(2014-JNJP-010-039)