节能型门座起重机起升机构的能耗分析与能效检测

孙振宁 邱俊霖 梁 浩

中交第四航务工程勘察设计院有限公司

1 引言

门座起重机(以下简称门机)作为一种常见的重型装卸设备，在港口、内河码头以及修造船厂等重要场所应用普遍。其重量大，能耗比较高。目前门机的节能改造，多针对其起升机构，采用超级电容或蓄电池等储能元件将货物下降过程中产生的势能回收储存，并用于货物的再提升，从而达到节能降耗的效果[1-2]。为测试该种节能装置的实际使用效果，选取国内某矿石码头一台MQ4040抓斗门机为测试对象，依据我国交通行业标准《港口电动式起重机能源利用效率检测方法》(JT/T314-2009)，制定出适用于节能型门机的能效检测方案，并对其能效进行对比分析。

2 能效概述及能耗分析

2.1 能效概述

能效即能源利用效率，表示在能源利用过程中，发挥有效作用的能量与实际工作过程消耗的能量之比[3]。发挥有效作用的这部分能量称为有效能，实际消耗的能量称为供给能。能效值计算见式(1)。

η=E有效/E供给×100%

(1)

对门机而言，起升机构的有效能是指起重机按工艺要求完成物体位移时理论上消耗的能量[4]。有效能可以通过理论计算而得出，而供给能则需要通过检测获得。

2.2 起升机构能耗分析

起升机构一个完整作业循环，可划分为起升阶段和下降阶段。

起升阶段，电机需外电网供给电能，通过电机驱动传动系统，带动货物上升。该过程能量依次经过动能、机械能，最后转化为货物的势能，该部分能量视为起升机构的有效能。起升过程能量流向见图1。

图1 起升过程能量流向

下降阶段跟起升阶段能量流向相反，该过程不需要从外电网汲取电能，势能作为带动货物下降的驱动能，经过传动系统，带动起升电机反向运转，产生回馈电能。对于普通门机而言，这部分回馈电能一部分通过制动电阻以热能的形式消耗，另一部分则通过制动器以摩擦损耗的形式消耗；而对于安装有节能装置的节能型门座起重机而言，则可将这部分能量回收，用于再提升操作。下降过程能量流向见图2。

图2 下降过程能量流向

起升机构完成1个测试循环，一般需要检测重载工况、空载工况和单独开闭斗3种工况，除开闭斗工况外，重载和空载工况均包括起升和下降两个阶段。3种不同工况的有效能为重载或空载起升阶段和抓斗闭合阶段所产生的势能。

重载提升阶段，负载(包括抓斗和货物)起升至规定测试起升高度，该过程增加的势能为：

E1=9 800(m+m1)h

(2)

式中，m为货物质量，t；m1为抓斗质量，t；h为测试起升高度，m。

空载提升阶段，负载(仅包括抓斗)起升至规定测试高度，该过程增加的势能为：

E2=9 800m1h

(3)

抓斗闭合阶段，抓斗与货物重心高度会有一定提升，所产生的势能为：

E3=9 800(m+m1)(h1-h2)

(4)

式中，h1为抓斗打开状态时斗尖距上承梁的垂直间距，m；h2为抓斗闭合后斗尖距上承梁的垂直间距，m。

起升机构在1个测试循环中，总有效能可按式(5)计算。

Eqs=E1+E2+E3=9 800(m+m1)(h+h1-h2)+9 800m1h

(5)

3 能效检测方案

3.1 测试要求及样机概况

依据我国交通行业标准JT/T314-2009《港口电动式起重机能源利用效率检测方法》，检测时风速应小于3 m/s，整机倾斜度不大于2.5%，测试载荷质量与规定值偏差不大于±5%；同时测试期间，机上辅助设备(空调、电梯等)应停止运转，各种测量仪器在合格期内且能正常使用。

本次检测，测试样机为国内某矿石码头1台节能型门机，额定起重量40 t，幅度40 m，节能装置为超级电容型，起升机构详细参数见表1。

表1 MQ4040起升机构参数表

3.2 检测仪器

考虑到门机采用三相交流电路，为方便、准确地采集能耗数据，选用Fluke手持式三相功率计搭配钳形电流表来获取功率、电压电流和谐波等数据；同时用秒表、卷尺记录工作时间和测试起升高度等数据，现场检测仪器详情见表2。

表2 测量仪器汇总表

3.3 检测项目

在满足上述基本检测条件后，针对起升机构依次开展速度检测和供给能检测。速度检测的目的是检测节能装置对起升机构工作性能的影响，通过节能型门机与普通门机的起升速度对比，检验节能装置的使用是否会对起升机构的运行速度造成衰减[5-6]。供给能检测，一方面为计算能效值提供数据支持，另一方面也可直观的体现节能型门机的节能效果，使用功率分析仪采集起升机构在1个测试周期内的供给能数据，并与同型号普通门机供给能数据做对比，理论上节能型门机起升机构完成1个测试循环所需供给能应小于普通门机。

3.4 检测步骤

3.4.1 速度检测步骤

在进行速度检测时，节能型门机与普通门机需保持相同的起重量和起升高度，司机室驾驶员需将操作手柄置于相同或最大档位，分别记录起升机构的提升和下降的运行时间，循环测5次。

3.4.2 供给能检测步骤

供给能检测，需采集门机起升机构在完成1个完整工作循环内的供给能数据。该循环包括重载工况(起升+下降)、空载工况(起升+下降)和开闭斗工况，详细测试步骤如下：

(1)重载状态，抓斗抓取货物从测试起点位置提升至规定测试高度(此处测试高度取12 m)。

(2)重载状态，抓斗从规定测试高度下降至测试起点位置。

以上步骤为重载工况，循环测试5次。

(3)空载状态，抓斗从测试起点位置提升至规定测试高度(此处测试高度取12 m)。

(4)空载状态，抓斗从规定测试高度下降至测试起点位置。

以上步骤为空载工况，循环测试5次。

(5)开闭斗工况，抓斗在料堆上连续开闭作业5次，实现抓取物料和洒料操作。

3.5 检测数据收集

依据上述检测方案，针对节能型门机和普通门机，分别检测起升机构的速度、能耗数据，记录见表3、4。

表3 速度检测工况及数据

4 能效计算与数据分析

4.1 数据对比分析

由表3的测试数据可知：在相同测试起重量和测试高度的前提下，节能型门机平均起升速度为55.81 m/min，平均下降速度为56.25 m/min；普通门机平均起升速度为55.47 m/min，平均下降速度为56.91 m/min。对比可知，两种类型门机的起升和下降速度差别不大，说明节能装置并未对起升机构的工作性能产生负面影响。

根据表4中供给能对比数据可知，相对于普通门机，节能型门机起升机构完成1个工作循环，可节省约45%的电能，说明节能装置的节能效果明显。

表4 供给能检测数据

4.2 能效计算

根据起升机构有效能计算公式，可得在测试起重量为36 t，抓斗质量15 t，测试起升高度为12 m工况下的有效能为Eqs=6.761 6×103kJ。根据表4中的供给能数据，可计算得普通门机完成1个工作循环的供给能Eg1=(2.888+2.894)÷2×3 600×103=10.407 6×103kJ，节能型门机完成1个工作循环的供给能Eg2=(1.63+1.583)÷2×3 600×103=5.783 4×103kJ。由此可得普通门机的能效值η普通=Eqs/Eg1=64.9%，节能型门机的能效值η节能=Eqs/Eg2=116.9%，节能型门机的能量利用效率明显高于普通门机。

5 结语

节能型门座起重机的节能降耗效果显著，其起升机构可节省约45%的电能，能效值提高了近50%，同时起升机构各项性能均维持正常。该能耗检测方案适用于节能型门座起重机，能有效检测其节能效果，对该类型门机的检测具有一定的指导意义。