发动机节能控制技术在RTG中的应用

1、发动机节能控制技术在RTG中的应用专家点评为促进港口节能减排，烟台港集团有限公司针对轮胎式集装箱龙门起重机（简称RTG）的工作特点，突破传统思维，采取了改变运行转速的思路，根据高速状态耗油多、低速状态耗油少的发动机自然特征和势能下降所具备的机械能，开展“RTG调速与势能回收节能技术改造”项目研究，并在烟台港集装箱码头进行了应用，取得了显著的节能减排效果。“RTG调速与势能回收节能技术改造”项目采取了循序渐进的开发思路。首先进行“RTG调速节能技术改造”的研究与实施，之后在成功的基础上开展“势能回收节能技术改造”的研究与实施。其中，“RTG调速节能技术改造”使RTG能够根据不同工况及负载实现自动

2、调整柴油发动机转速，使其始终处于经济转速达到节能目的。“势能回收节能技术改造”通过将机械能转换为电能，使发动机处于被拖动状态，实现发动机零供油，有效地达到节能减排目的。“RTG调速与势能回收节能技术改造”项目经历了项目方案设计、模拟试验、现场工业性实验等几个阶段，项目实施既要兼顾起重机高安全性和可靠性的要求，同时也要兼顾作业效率要求，技术含量较高，在速度匹配与母排电压控制等技术领域均有较大的突破，取得了良好的研究开发成果。试验测试和应用数据统计表明，该系统能够节约油耗约0.57升/自然箱，综合节油效果超过了40%，废气排放可下降40%以上。“RTG调速与势能回收节能技术改造”项目技术先进，投资

3、少，节能减排效果显著，投资回报率高，具有良好的推广应用前景。经验材料项目实施单位：烟台港集团有限公司1概况烟台港集装箱公司是烟台港集团有限公司的下属企业，专门从事集装箱装卸生产，现拥有集装箱专用泊位3个，岸边集装箱起重机6台，轮胎式集装箱龙门起重机12台，集装箱年吞吐量约80万标箱。轮胎式集装箱龙门起重机（简称RTG）和轨道式龙门起重机（简称RMG）是集装箱码头后方堆场的主要作业机械。由于RTG具有转场作业灵活的特点，被广泛应用于集装箱堆场。但其燃油消耗大，运行与维护成本较高的缺点也一定程度地影响了使用RTG的性价比。为了贯彻国家节能减排要求，降低公司经营成本，烟台港集装箱公司自2006年12

4、日起就组织成立了RTG节能改造项目组，经过深入调研与技术论证，突破了“恒转速储能式”和“油改电式”等节能技术的局限，提出了RTG节能改造的新思路，研发出改造成本较低、节能效益好的“RTG调速与势能回收节能技术改造”新技术，其中，“RTG调速节能技术”是通过基于负载变化来自动调节发动机转速，从而达到运用经济转速实现节能的目的；“势能回收节能技术”则是将货物下降时的能量回收用于给设备供电和反拖发动机“零”供油运行。目前烟台港集装箱公司已对6台RTG进行改造并投入运行，经过现场应用验证，节能效果达到40%以上、废气排放下降近40%，取得了很好的经济和社会效益。2可行性分析2.1任务来源RTG虽然应用

5、较广，但燃料消耗高，使用成本高。目前已经有了多种的RTG节能方式，其中油改电式、双动力式、储能式等较为常用，这几种节能技术都不同程度的改善了油耗状况，但由于：基础建设投资太大；港内现有场区供电容量不足，满足不了电力需要；对现有设备的改动较大，项目组认为这几种节能技术不太适用于烟台港集装箱码头发展的现状。为达到节能降耗的目的，烟台港技术人员进行了专项课题攻关，研究、探索通过其它方式来解决RTG节能问题。2.2RTG调速节能技术改造方案的可行性分析（1）发动机燃油消耗、转速与输出功率之间有一定的对应关系，发动机在相同的功率输出条件下，转速越高发动机的燃油消耗量越大。据统计数据表明，在烟台港场桥作业

6、时大负荷运行时间约占总作业时间的30%，怠速或小负荷运行时间约占总作业时间的70%。而现有RTG无论负荷大小发动机均在高速恒定运转，如果能够根据负荷变化自动调节发动机转速，将会减少发动机的燃料消耗，达到节能的目的。（2）RTG上柴油发动机组具有完善的自动控制功能，能够自动调节油门实现稳定的速度控制和功率跟踪控制。在特定工况条件下，通过改变给定运行参数实现改变柴油机的转速。降低柴油发电机组的运行转速，就可以实现节约燃料的目的。但是，降低柴油发电机组转速，会带来发动机组电压、频率、功率储备、响应速度等一系列问题，需要给出综合解决方案，以保证整机安全运行而不降低效率。（3）RTG上柴油发动机带有外部

7、通讯控制接口，能够实现与RTG主PLC（可编程控制器）的实时通信，接受PLC发出的运行指令，并能够将柴油发电机组的运行信号实时反馈至主控系统，从而将RTG整机各个系统的运行参数及状态进行整合，具备实现随负载大小的变化调节柴油发动机转速最优化运行的能力。（4）烟台港集装箱公司现有12台RTG，配备的电力和控制系统，为柴油发动机调速运行预留了技术储备，为技术改造提供了良好条件。经过以上分析认为：通过技术改造和系统整合，使柴油发动机能够根据运行工况调节发动机的转速，减少发动机在不同负载工况条件下的无效功率损耗。因此进行“RTG调速节能技术改造”项目研究与开发实现降低燃油消耗的目的是可行的。2.3RT

8、G势能回收节能技术改造方案的可行性分析（1）RTG的工作特点是每一次作业循环均存在势能下降，为在RTG上回收势能提供了客观条件。（2）变频技术的广泛应用为势能回收提供了技术支撑。（3）在RTG上采用势能回收技术可以利用在货物下降过程中，使货物拖动起升电动机运转，这时起升电动机以发电机的方式工作并产生电能，该电能通过变频单元对直流母排进行供电，所得到的能量一部分可以被其它机构就地使用，其余部分通过整流装置进行逆变，使直流母排上的电能经整流柜反向逆变为标准的交流电，并驱动发电机以电动机的方式工作，此时柴油发动机将作为负载，在发电机反拖下转动，实现少喷油或不喷油运行，从而达到节能减排的目的。因此开展

9、“势能回收节能技术改造”及降低燃油消耗项目研究是可行的。3实施方案3.1RTG调速节能技术改造关键问题及实施方案3.1.1关键问题（1）在怠速、轻载状态下，通过降低柴油发动机的转速可以节约燃料，但柴油发动机转速降低会引起输出电压和频率变化，使主变频器无法跟随电压和频率的变化幅度，会导致变频器失调，造成原有电力系统无法正常工作。为解决该问题，在采购期间烟台港集团有限公司向设备制造商及电控厂家（美国GE公司）提出了采购需求，并共同为解决该问题进行了深度的研究、开发和实验，最终达到了拟开发系统的要求。（2）当主发电机输出电压和频率变化后，机上原有的控制系统和辅助用电设备无法得到稳定的工频电源。通过分

10、别增加一个专用控制电源和辅助电源装置，使控制电源和辅助电源不受主发动机转速变化的影响。（3）为通过降低发电机转速实现节约燃料的目的，需要解决发电机转速、输出功率、系统稳定性、快速响应性等，与合理节约能耗之间的协调控制问题，使发动机转速及功率输出能够跟随负载变化及操作工况的不同而跟随变化，并保证RTG的工作效率和安全生产要求。（4）合理确定发动机在不同工况和负载条件下的转速，以保证RTG处于待机状态时，能维持控制、通讯、空调、照明、吊具及转向油泵等辅助设备的基本用能要求，同时在RTG轻载、重载工况条件下，既能够保证足够的功率储备，保持发动机的快速响应，又能够获得最大的节能效果。通过对发动机运行特

11、性及电力拖动系统、负载性质、操作要求等工况的深入研究和摸索，确定了能够满足生产需要和安全要求的控制方案。3.1.2改造方案（1）利用RTG上CUMMINS-QSX15型号的发动机上已有的外部通讯控制接口，通过敷设专用通讯线路及信号转换装置，构建整机控制核心PLC与发动机的控制核心ECM之间的通讯连接，建立一个闭环的自动控制系统，使发动机转速能跟随PLC所检测到的负载大小而自动变化。（2）在电气房内增加一个24VDC/220VAC逆变器作为整机的专用的控制电源，利用24V的电瓶直流电源转换成220VAC的交流电源，始终保证控制系统正常工作。（3）增加一个45kVA的小型变频器作为新的380V/2

12、20V、50HZ的辅助电源，专门用于机上照明、空调、通讯以及一些辅助设备（吊具油泵、转向油泵、倾转电机等机构）供电，确保辅助设备的供电电源不因发动机转速变化而异常。（4）起升、大车和小车三大机构采用先进的变频调速推动系统，能够在柴油机组不同转速下，满足各机构正常运转需要。（5）调速组合方案：为保证RTG工作的可靠性，设定怠速和小车机构运行时转速为1100rpm；大车机构运行时转速为1300rpm；起升机构运行时，转速根据PLC检测到的负载大小和给定指令，在1100rpm1800rpm范围内实时连续变化，以满足不同工况下RTG起升机构加速力矩和发动机快速响应的要求，保证设备的工作效率。3.1.3

13、主要技术措施和创新点改造后动力线路示意图如图1所示。图1控制电源和辅助设备电源（1）对RTG电力系统及各机构变频调速拖动系统进行技术提升，保证各个系统在发动机改变速度，引起发动机输出电压和频率发生变化时均能保持稳定工作。（2）控制装置电源控制电源是指整流柜、机构驱动器和新增的辅助电源变频器主控触发板等装置需要的控制电源，规格为AC220V。解决方案是，使用蓄电池提供DC24V直流电源，经DC/AC逆变器转换为AC220V交流电源。在发动机运转过程中，该蓄电池被自动充电。（3）辅助装置电源辅助电源是指机上照明、吊具油泵、转向油泵、倾转电机、空调器和通讯装置等需要的电力电源，规格为AC220V。解

14、决方案是，新增一台45kW变频器（称为auxinverter）。该变频器的直流母线与主电动机的变频器中的整流器-逆变器之间的直流母线DCBUS连接，发电机组启动后直流母线上将建立680V直流电压，此后启动该变频器便可输出AC460V交流电，再经滤波器和变压器后得到稳定的AC50HZ380V/220V电源。实际运行中，RTG发动机怠速900rpm可满足辅助电源的负荷需要。（4）辅助电机电源辅助电机包括小车机构电机和大车机构等，它们均采用变频调速拖动技术。在主电动机的变频器中，其整流器-逆变器之间的直流母线DCBUS也作为辅助电动机所用变频器的直流电源，应用方法与上述相同。（5）直流母线电压的稳定

15、性当柴油发电机组的转速在9001800rpm范围内变化时，直流母线DCBUS的电压波动是否会影响后面的各逆变器的正常运行，这是整个系统开发成败的关键。其解决方式是通过在整流柜中增加滤波装置。实验证明滤波装置较好地解决了波动影响问题。滤波前后的电压变化波形图如图2和图3所示。图2滤波前电压波形图图3滤波后电压波形图（6）输出交流电压的平滑性为了得到稳定的辅助电源，在辅助电源柜和变压器之间增加了一套正弦滤波装置，如图4、图5所示。其作用是吸收过电压并抑制高频损耗及dv/dt引起的射频干扰，将SPWM调制波滤成近似正弦的电压波，并提高了功率因数。图4正弦滤波器接线示意图图5滤波前后电压、电流波形图3

16、.1.4实时调速功能的实现（1）控制的原理柴油发电机组有效功率、有效转矩和发动机的转速存在着一定的关系：式中，Pe为有效功率（千瓦）；n为发动机转速（转/分）；Me为有效扭矩（牛顿米）。通过上面的计算公式可以看出：同一台柴油发电机组若有效扭矩相等（即载荷一定）的情况下，发动机转速与输出的有效功率成正比。当负载发生变化时，根据功率速度对应式，可以通过调节发动机的转速来获得满足RTG工作时所需要的能量。（2）建立闭环控制系统通过建立整机控制核心PLC与发动机控制器ECM之间的通讯，利用PLC的高速扫描及处理功能实时监测各机构运行状况以及起吊的货物重量，根据发动机的功率转速对应曲线给ECM发送转速控

17、制指令，同时监测发动机的各功能参数，通过实时计算各机构工作所需要的实际功率，自动调节发动机的转速。即将各机构驱动系统（控制系统中SOURCE柜、起升/大车1机构驱动器柜、小车机构驱动柜、大车2机构驱动柜）负载数据的状态实时反馈给主PLC，PLC通过以太网通讯模块经由网关和带有J1939协议的ETHERNETGATEWAY将需要的功率信号转化为控制发动机执行的信号给发动机ECM，同样ECM也将检测到的发动机各状态参数返回给PLC。这样通过把具有不同通讯协议的设备经过各种协议转化器纳入到一个统一的网络中来（如图6），实现了对发动机实时自动的调速控制。发动机实时调速功能原理如图7所示。机上PLC实时

18、检测功率消耗、柴油发电机组的功率变化状态、发动机的实时参数、操作者的指令给定、机械设备的连锁信息，将这些参数进行计算处理，及时得到发动机的状态和所需功率的变化，并经PLC的运算给出所需发动机输出功率的指令，通过建立的整机控制核心PLC与发动机控制核心ECM之间的通讯连接将功率指令传送给ECM，然后经过ECM运算来调节发动机的转速，以达到实时输出所需功率的目的，而且不同功率下发动机的转速变化是连续可调的。发动机调速后的状态参数实时通过ECM反馈给PLC，这样形成了闭环控制体系，从而保证调速过程的准确、可靠，以满足负载对设备功率的需要。图6通讯连接示意图图7发动机实时调速功能图（3）功率计算RTG

19、在不同的运行过程中所需要的功率是不同的，在重载或起升加速上升时需要较大的功率，柴油机提供的功率增加，当负载较轻或低速上升时需要的功率较小。该系统在柴油发动机轻载或低速运行时提供较小的功率，从而降低轻载运行时的能量输出，达到节能目的。以下是功率的计算公式：式中，为机构运行所需功率（kW）；为机构运行的给定速度（M/S）；为机构电机力矩反馈。由此可以计算出总的功率需求为：由以上公式可知，实际需求总功率是由各机构（起升机构、小车机构、大车1、大车2）运行所需功率加上辅助设备所需功率的总和，根据实际需求功率的大小，经过计算，可以确定柴油机的喷油量。在实际需求功率低时减少喷油嘴喷油量，运行在较低转速，反

20、之增加柴油机喷油量，运行在高速状态。RTG功率计算的软件框图如图8所示，它根据机构的运行状态进行合理计算。当速度给定与速度输出反馈同为正或同为负时，并且当速度给定减去速度反馈的绝对值大于5%时，可以判断机构处于加速状态，需要补偿能量，惯性补偿信号被触发，起升机构运行时需要对上升和下降进行判定，上升加速过程中需要惯性补偿，下降则不需要。当发动机的实际转速与计算后的给定转速偏差过大时，或发动机的转速不能满足当前机构运行的需求时，发动机能量限制信号告知整机控制系统，整机控制系统接到指令后，会限制各机构的运行速度。将其速度给定降低到原来给定的90%，直到发动机转速提升后能满足机构的需求时才会取消对能量

21、及速度的限制。（4）控制程序的实现在程序设计中，加入通讯连接检测程序（图9），保障发动机调速功能的稳定运行。另外在每个周期内对发动机运行各参数进行扫描（图10），做到实时根据设备运行状况优化发动机各时刻的转速，以达到最佳的节油效果。图8功率计算框图图9通讯检测程序图10发动机调速功能块调用程序3.2RTG势能回收节能技术改造实施方案按照提出的思路，同时在采纳了设备电控厂家GE公司和发动机厂家康明斯公司的建议后，在确保安全可靠的前提下确定了改造方案并实施：（1）通过对变频器性能的深入研究，分析了改造前货物下降时势能通过能耗电阻消耗过程中，发动机仍然需要提供动力带动发电机运转，一方面满足RTG上辅

22、助设备的供电需求，另一方面带动自身润滑系统工作。（2）利用驱动器专用的ToolBox软件对整流柜使用的TM-P10,FRAMESIZE700系列进行分析，通过调整货物下降状态时的整流装置和起升系统驱动器的软件设置参数，能够使其分别逆向工作，起升电动机在货物下降势能作用下以发电机的方式工作，经起升变频器向直流母排供电，整流柜逆变为三相交流电给发电机供电，发电机在电能的作用下处于电动机工作状态，并拖动柴油发动机转动，直流母排的电能同时会给辅助机构供电，实现发动机的被动运行而不产生燃油消耗。（3）能量回收功能实现后还需要解决回收能量的控制问题。当前驱动器使用的驱动软件为A3LA65版本，此驱动软件不

23、具备对再生能量的控制功能，为做到回收能量的可控性，将驱动软件升级为具有相应功能的A3LA66版本。这样利用其能量控制功能，测量额载货物时势能返回的极限数值，通过逐级设定整流柜返回发电机组电能的上限值并现场测试，确定了合适的数值，有效避免了发动机发生飞车故障现象，从而实现了势能的回收和利用。（4）经过对怠速状态负载功率计算，只要怠速时满足照明、空调通讯、控制电源要求和输出功率大于30kW即可，查阅发动机功率对应转速表后，发动机在700rpm时输出功率可以满足怠速时外部功率需求，但是为了保证机构动作时发动机响应时间，经对怠速的设定值进行了反复测定，最后确定将发动机怠速值由原来的1100rpm调至9

24、00rpm。康明斯发动机Insite软件记录了改造后起升一个动作循环的瞬时油耗，如图11为空吊具瞬时油耗图，图12为起升35吨货物时瞬时油耗图。可以看出发动机转速升高的数值与起升货物重量有关，且势能回馈期间转速上升而发动机输出力矩和燃油消耗降低为零。利用软件经反复测试后，设定返回能量上限值在当起升额载40.5吨货物时，发动机最大转速不超过1800rpm，以保证发动机稳定运行而不发生飞车故障。图11改造后起升动作循环油耗图（空吊具）图12改造后起升一个动作循环油耗图（35吨货物）4项目成效烟台港集团有限公司在轮胎式集装箱龙门起重机（RTG）上采取的基于负载大小情况自动调节发动机转速跟随变化和回收

25、利用货物下降势能的两种节能改造技术，节约能源、减少噪音、降低了企业运营成本，实现了节能降耗和生产经营的科学统一，产生了显著的社会效益和经济效益。4.1技术创新该项目的节能技术改造，一方面改变了RTG仅限于“恒转速储能式”和“油改电式”等的节能途径，通过实时检测负载大小的变化情况自动调整柴油发动机转速，以达到降低油耗的目的；另一方面，采用了新的势能回收利用技术，将回收的能量给机上的设备供电和反拖发动机转动，使发动机零耗油运转。实施这两项节能技术改造后，通过模拟测试和正常的生产作业统计，作业效率不受影响，操作人员的操作程序不改变，与其他技术改造相比，对设备的改动最小，改造的投入最低，但燃油消耗则降

26、低了40.5%。这两项技术在国际同行业中处于领先地位，在国内同类产品中属首次应用，且运行效果良好。RTG调速与势能回收式新型节能技术的研究与应用于2009年11月通过烟台市科技成果技术鉴定，并获得了2009年山东省交通科技创新计划项目支持。这为RTG的节能技术领域开辟了一条新的途径，为集装箱港口节能降耗工作的开展将起到了良好启发作用。（1）建立了构建整机RTG的控制核心PLC与发动机控制核心ECM模块之间的实时通讯连接，为发动机调速功能实现提供前提条件并形成闭环自动控制系统，实现发动机转速随负载大小的自动调整，满足了设备的工作要求。（2）利用增加24VDC/220VAC逆变电源，解决设备启动前

27、调速装置发动机所需要的稳定控制电源问题。（3）通过增加单独供电单元为辅助设备供电。解决了发动机变速引起电压、频率变化后，设备上辅助设备无法正常工作的问题。（4）创新地组合调速方案，满足了不同工况下的启动力矩需求，并保障了尽可能最短的响应相应时间。建立的PLC与ECM间稳定的闭环控制系统，嵌入了快速扫描程序，保障了调速跟随相应迅速。（5）创新的势能回收利用技术，既降低了资金投入又达到了良好的节能效果。4.2经济效益2007年8月项目组完成了多次测试，并对6台RTG进行了调速节能改造，多次的测试结果表明，速度波动范围在5rpm区域范围，很好地满足了调速式节能控制技术应用的基本要求，为实施该项技术奠定了重要基础。4.2.1RTG调速改造后与改造前燃油消耗情况对比（1）模拟测试燃油消耗对比测试原则：尽量模拟现场实际作业的工况、作业箱重的比例、人员操作的习惯进行测试，以保障模拟测试与实际作业的一致，获取最大参考价值的测试数据。219#场桥的测试数据表明，对RTG完成调速改造后与改造前比单箱节能0.404升、节油效果达到29.1%。表1调速改造前后节能效果对比测试状态单箱油耗（升）发动机每小时油耗（升）调速改造前1.38916.668调速改造后0.98511.82节油效果0.4044.848（2）实际作业统计数据对比项目组对6台RTG在调速