龍門吊吊具電機節能技術改造

徐旭麗等

隨著我國人口的增長，資源被大規模開采，可利用能源日益減少。為此，節能降耗成為我國經濟社會發展的一項重要任務。寧波港吉（意寧）碼頭經營有限公司（以下簡稱港吉碼頭）積極響應節能號召，進行龍門吊“油改電”高架滑觸線供電模式改造，每年可節約能源成本2 000多萬元人民幣，節能效率達67%。2013年，港吉碼頭針對龍門吊在正常待機狀態下不管有無作業指令其吊具電機（原異步電機）均處于工作狀態，從而使電機在空載狀態下的能耗在龍門吊作業能耗中所占比例較大的問題，提出龍門吊吊具電機節能技術改造方案，使龍門吊吊具作業能耗降低66.36%，龍門吊作業能耗降低7.90%。

1 龍門吊吊具空載能耗情況

從港吉碼頭設備設施監控中心隨機調取12臺龍門吊作業數據如表1所示，由此可見：（1）龍門吊作業箱量與其通電時間、作業時間、空載時間基本呈同一變化趨勢，說明吊箱越多，作業時間越長，通電時間越長，空載時間也越長；（2）龍門吊吊具空載時間占通電時間比例的平均值為70%左右，這表明龍門吊吊具電機空載運行時間占整個作業時間的比值較大，吊具空載能耗較高；（3）龍門吊平均單箱作業時間約為/TEU，其實際通電時間為4.07 min，這說明吊具電機空載運行時間為；（4）有必要優化吊具電機運行模式，以達到節能降耗的目的；（5）龍門吊吊具空載時間越短，其作業時間越接近通電時間。

2 龍門吊吊具電機節能技術改造

伺服電機又稱執行電機，在自動控制系統中用作執行元件，把所收到的電信號轉換成電機軸上的角位移或角速度輸出，當信號電壓為零時無自轉現象，其轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。自20世紀80年代以來，交流伺服驅動技術迅猛發展，各國著名電氣廠商相繼推出各品牌交流伺服電機和伺服驅動器系列產品，并不斷加以完善和更新；20世紀90年代，交流伺服驅動系統已成為當代高性能伺服驅動系統的主要發展方向。

伺服電機主要有以下優點：（1）無電刷和換向器，工作可靠性較高，對維護和保養的要求較低；（2）定子繞組散熱比較方便；（3）慣性小，易于提高系統速度；（4）適應高速大力矩工作狀態；（5）同功率下的體積和質量較小。相比之下，三相異步電機在待機時一直處于運轉狀態，且轉速不易調整，導致其空載能耗較大。伺服驅動系統由BMZ2310- 20FR交流伺服電機（由寧波威駿電子科技有限公司制造）、IS300匯川伺服驅動器、易福門壓力傳感器、GR47-32CC SETTIMA螺紋泵等組成。

龍門吊吊具電機節能技術改造步驟如下：拆下龍門吊原吊具電機、液壓泵及附屬裝置；安裝伺服電機及螺紋泵，將驅動器安裝在配電箱里，并鋪設電纜。

吊具伺服電機節能工作原理如下：在吊具程序中增加一個“或”門，開閉鎖或伸縮命令發出后，吊具程序輸出信號，變頻器接收信號，驅動吊具泵（即螺紋泵）工作。在無指令狀態下，吊具驅動系統伺服電機低速運轉（/min）；待開閉鎖或伸縮指令發出后，伺服電機立即提升轉速（達到～/min），使油泵輸出油壓。油泵的油量和油壓可由驅動器程序設定，也可由驅動器外接信號控制。

單臺吊具伺服電機系統的改造成本為元人民幣。

3 龍門吊吊具電機節能技術改造后的能耗情況

3.1 R15龍門吊伺服電機與R18龍門吊異步電機能耗比較

將R15龍門吊異步電機改造為交流伺服電機，測定交流伺服電機驅動吊具電耗數據；同時，測定R18龍門吊異步電機驅動吊具電耗數據，并分析模擬和實際作業能耗數據。

R15和R18龍門吊模擬試車4 h，吊具從最高點放下→吊箱（包括閉鎖）→升至最高點→放箱（包括開鎖）→升至最高點，每小時完成15個以上完整動作，吊具伸縮5次。測得R15和R18龍門吊吊具模擬作業能耗數據如表2所示，由此可見：（1）在模擬作業情況下，由交流伺服電機驅動吊具的能耗大大降低，不到由異步電機驅動吊具能耗的1/3；（2）在模擬作業情況下，由交流伺服電機驅動吊具的節能效率達70%，伺服電機驅動系統有利于降低吊具空載能耗；（3）在模擬作業情況下，由交流伺服電機驅動的“油改電”龍門吊（以下簡稱電車型龍門吊）可節能約9%。

統計2013年3月R15和R18龍門吊作業箱量并測取其吊具電耗數據如表3所示，由此可見：（1）由交流伺服電機驅動吊具的實際作業能耗較低，約為由異步電機驅動吊具能耗的1/3；（2）由交流伺服電機驅動的吊具實際作業節能約66%；（3）由交流伺服電機驅動的電車龍門吊作業節能約8%。

3.2 電車型龍門吊與柴油龍門吊能耗比較

將R15、R17、R20、R21和R26龍門吊吊具電機改造為伺服電機后：測取2013年9月R15龍門吊在柴油發動機模式下的作業箱量和油耗數據，計算出作業單耗，并將之與吊具電機改造前（2012年9月）的作業單耗對比，計算柴油龍門吊的節能效率；測取R17、R20、R21和R26龍門吊在電動機模式下的作業箱量和電耗數據，計算出作業單耗，并將之與吊具電機改造前（上年同期）的作業單耗對比，計算電車型龍門吊的節能效率（見表4）?？梢?，吊具由伺服電機驅動的龍門吊作業能耗較低，柴油龍門吊作業節能效率達7.92%，電車型龍門吊作業節能效率達7.90%。

港吉碼頭有龍門吊60臺，將龍門吊吊具電機改造為伺服電機，按每臺龍門吊節能效率7.90%估算2012年和2013年港吉碼頭節約的能源成本（見表5）。

（1）港吉碼頭龍門吊吊具電機改造為伺服電機后，2012年節約能源成本總計元人民幣，單箱節約能源成本0.20元人民幣/TEU，單臺龍門吊節約能源成本元人民幣；2013年節約能源成本人民幣，單箱節約能源成本0.21元人民幣/TEU，單臺龍門吊節約能源成本元人民幣。

（2）實施龍門吊吊具電機節能技術改造后，2012年港吉碼頭電車型龍門吊作業節約電能成本元人民幣，節約電能€I6h，節約標準煤，減排二氧化碳，減排碳；油車型（柴油）龍門吊作業節約柴油成本元人民幣，節約柴油，節約標準煤，減排二氧化碳。

（3）2013年港吉碼頭電車型龍門吊作業節約電能成本元人民幣，節約電能€I6h ，節約標準煤，減排二氧化碳，減排碳；油車型龍門吊作業節約柴油成本元人民幣，節約柴油，節約標準煤，減排二氧化碳。

（4）以伺服電機作為吊具驅動系統的油車型龍門吊比電車型龍門吊在節能成本方面表現更佳：2012年港吉碼頭單臺油車型龍門吊節約能源成本人民幣，2013年單臺節約能源成本人民幣，而改造成本僅元人民幣，使用不到1年便可收回投資成本；相比之下，2013年單臺電車型龍門吊節約成本元人民幣左右，使用2年后基本可收回投資成本。

（5）龍門吊吊具改為伺服電機驅動后，港吉碼頭每年可節約能源成本100多萬元人民幣。

5 結束語

龍門吊吊具改用伺服電機驅動系統的優點有：有利于減少空載能耗及節約碼頭運營成本；由于龍門吊作業時伺服電機不持續處于高速運轉狀態，噪聲大大減??；伺服電機系統的吊具泵系統壓力和流量采用雙閉環控制方式，液壓系統按照實際需要的流量和壓力供油，解決了普通液壓泵系統高溢流導致高能耗的問題?？傊?，龍門吊吊具伺服電機驅動系統在節約資源、降低成本、提升性能、改善工況等方面具有較大優勢。隨著伺服技術不斷完善、伺服驅動系統價格下調以及業界對伺服驅動系統的深入了 解，采用吊具伺服電機驅動系統將成為龍門吊未來發展的必然趨勢。

隨著我國人口的增長，資源被大規模開采，可利用能源日益減少。為此，節能降耗成為我國經濟社會發展的一項重要任務。寧波港吉（意寧）碼頭經營有限公司（以下簡稱港吉碼頭）積極響應節能號召，進行龍門吊“油改電”高架滑觸線供電模式改造，每年可節約能源成本2 000多萬元人民幣，節能效率達67%。2013年，港吉碼頭針對龍門吊在正常待機狀態下不管有無作業指令其吊具電機（原異步電機）均處于工作狀態，從而使電機在空載狀態下的能耗在龍門吊作業能耗中所占比例較大的問題，提出龍門吊吊具電機節能技術改造方案，使龍門吊吊具作業能耗降低66.36%，龍門吊作業能耗降低7.90%。

1 龍門吊吊具空載能耗情況

從港吉碼頭設備設施監控中心隨機調取12臺龍門吊作業數據如表1所示，由此可見：（1）龍門吊作業箱量與其通電時間、作業時間、空載時間基本呈同一變化趨勢，說明吊箱越多，作業時間越長，通電時間越長，空載時間也越長；（2）龍門吊吊具空載時間占通電時間比例的平均值為70%左右，這表明龍門吊吊具電機空載運行時間占整個作業時間的比值較大，吊具空載能耗較高；（3）龍門吊平均單箱作業時間約為/TEU，其實際通電時間為4.07 min，這說明吊具電機空載運行時間為；（4）有必要優化吊具電機運行模式，以達到節能降耗的目的；（5）龍門吊吊具空載時間越短，其作業時間越接近通電時間。

2 龍門吊吊具電機節能技術改造

伺服電機又稱執行電機，在自動控制系統中用作執行元件，把所收到的電信號轉換成電機軸上的角位移或角速度輸出，當信號電壓為零時無自轉現象，其轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。自20世紀80年代以來，交流伺服驅動技術迅猛發展，各國著名電氣廠商相繼推出各品牌交流伺服電機和伺服驅動器系列產品，并不斷加以完善和更新；20世紀90年代，交流伺服驅動系統已成為當代高性能伺服驅動系統的主要發展方向。

伺服電機主要有以下優點：（1）無電刷和換向器，工作可靠性較高，對維護和保養的要求較低；（2）定子繞組散熱比較方便；（3）慣性小，易于提高系統速度；（4）適應高速大力矩工作狀態；（5）同功率下的體積和質量較小。相比之下，三相異步電機在待機時一直處于運轉狀態，且轉速不易調整，導致其空載能耗較大。伺服驅動系統由BMZ2310- 20FR交流伺服電機（由寧波威駿電子科技有限公司制造）、IS300匯川伺服驅動器、易福門壓力傳感器、GR47-32CC SETTIMA螺紋泵等組成。

龍門吊吊具電機節能技術改造步驟如下：拆下龍門吊原吊具電機、液壓泵及附屬裝置；安裝伺服電機及螺紋泵，將驅動器安裝在配電箱里，并鋪設電纜。

吊具伺服電機節能工作原理如下：在吊具程序中增加一個“或”門，開閉鎖或伸縮命令發出后，吊具程序輸出信號，變頻器接收信號，驅動吊具泵（即螺紋泵）工作。在無指令狀態下，吊具驅動系統伺服電機低速運轉（/min）；待開閉鎖或伸縮指令發出后，伺服電機立即提升轉速（達到～/min），使油泵輸出油壓。油泵的油量和油壓可由驅動器程序設定，也可由驅動器外接信號控制。

單臺吊具伺服電機系統的改造成本為元人民幣。

3 龍門吊吊具電機節能技術改造后的能耗情況

3.1 R15龍門吊伺服電機與R18龍門吊異步電機能耗比較

將R15龍門吊異步電機改造為交流伺服電機，測定交流伺服電機驅動吊具電耗數據；同時，測定R18龍門吊異步電機驅動吊具電耗數據，并分析模擬和實際作業能耗數據。

R15和R18龍門吊模擬試車4 h，吊具從最高點放下→吊箱（包括閉鎖）→升至最高點→放箱（包括開鎖）→升至最高點，每小時完成15個以上完整動作，吊具伸縮5次。測得R15和R18龍門吊吊具模擬作業能耗數據如表2所示，由此可見：（1）在模擬作業情況下，由交流伺服電機驅動吊具的能耗大大降低，不到由異步電機驅動吊具能耗的1/3；（2）在模擬作業情況下，由交流伺服電機驅動吊具的節能效率達70%，伺服電機驅動系統有利于降低吊具空載能耗；（3）在模擬作業情況下，由交流伺服電機驅動的“油改電”龍門吊（以下簡稱電車型龍門吊）可節能約9%。

統計2013年3月R15和R18龍門吊作業箱量并測取其吊具電耗數據如表3所示，由此可見：（1）由交流伺服電機驅動吊具的實際作業能耗較低，約為由異步電機驅動吊具能耗的1/3；（2）由交流伺服電機驅動的吊具實際作業節能約66%；（3）由交流伺服電機驅動的電車龍門吊作業節能約8%。

3.2 電車型龍門吊與柴油龍門吊能耗比較

將R15、R17、R20、R21和R26龍門吊吊具電機改造為伺服電機后：測取2013年9月R15龍門吊在柴油發動機模式下的作業箱量和油耗數據，計算出作業單耗，并將之與吊具電機改造前（2012年9月）的作業單耗對比，計算柴油龍門吊的節能效率；測取R17、R20、R21和R26龍門吊在電動機模式下的作業箱量和電耗數據，計算出作業單耗，并將之與吊具電機改造前（上年同期）的作業單耗對比，計算電車型龍門吊的節能效率（見表4）?？梢?，吊具由伺服電機驅動的龍門吊作業能耗較低，柴油龍門吊作業節能效率達7.92%，電車型龍門吊作業節能效率達7.90%。

港吉碼頭有龍門吊60臺，將龍門吊吊具電機改造為伺服電機，按每臺龍門吊節能效率7.90%估算2012年和2013年港吉碼頭節約的能源成本（見表5）。

（1）港吉碼頭龍門吊吊具電機改造為伺服電機后，2012年節約能源成本總計元人民幣，單箱節約能源成本0.20元人民幣/TEU，單臺龍門吊節約能源成本元人民幣；2013年節約能源成本人民幣，單箱節約能源成本0.21元人民幣/TEU，單臺龍門吊節約能源成本元人民幣。

（2）實施龍門吊吊具電機節能技術改造后，2012年港吉碼頭電車型龍門吊作業節約電能成本元人民幣，節約電能€I6h，節約標準煤，減排二氧化碳，減排碳；油車型（柴油）龍門吊作業節約柴油成本元人民幣，節約柴油，節約標準煤，減排二氧化碳。

（3）2013年港吉碼頭電車型龍門吊作業節約電能成本元人民幣，節約電能€I6h ，節約標準煤，減排二氧化碳，減排碳；油車型龍門吊作業節約柴油成本元人民幣，節約柴油，節約標準煤，減排二氧化碳。

（4）以伺服電機作為吊具驅動系統的油車型龍門吊比電車型龍門吊在節能成本方面表現更佳：2012年港吉碼頭單臺油車型龍門吊節約能源成本人民幣，2013年單臺節約能源成本人民幣，而改造成本僅元人民幣，使用不到1年便可收回投資成本；相比之下，2013年單臺電車型龍門吊節約成本元人民幣左右，使用2年后基本可收回投資成本。

（5）龍門吊吊具改為伺服電機驅動后，港吉碼頭每年可節約能源成本100多萬元人民幣。

5 結束語

龍門吊吊具改用伺服電機驅動系統的優點有：有利于減少空載能耗及節約碼頭運營成本；由于龍門吊作業時伺服電機不持續處于高速運轉狀態，噪聲大大減??；伺服電機系統的吊具泵系統壓力和流量采用雙閉環控制方式，液壓系統按照實際需要的流量和壓力供油，解決了普通液壓泵系統高溢流導致高能耗的問題?？傊?，龍門吊吊具伺服電機驅動系統在節約資源、降低成本、提升性能、改善工況等方面具有較大優勢。隨著伺服技術不斷完善、伺服驅動系統價格下調以及業界對伺服驅動系統的深入了 解，采用吊具伺服電機驅動系統將成為龍門吊未來發展的必然趨勢。

隨著我國人口的增長，資源被大規模開采，可利用能源日益減少。為此，節能降耗成為我國經濟社會發展的一項重要任務。寧波港吉（意寧）碼頭經營有限公司（以下簡稱港吉碼頭）積極響應節能號召，進行龍門吊“油改電”高架滑觸線供電模式改造，每年可節約能源成本2 000多萬元人民幣，節能效率達67%。2013年，港吉碼頭針對龍門吊在正常待機狀態下不管有無作業指令其吊具電機（原異步電機）均處于工作狀態，從而使電機在空載狀態下的能耗在龍門吊作業能耗中所占比例較大的問題，提出龍門吊吊具電機節能技術改造方案，使龍門吊吊具作業能耗降低66.36%，龍門吊作業能耗降低7.90%。

1 龍門吊吊具空載能耗情況

從港吉碼頭設備設施監控中心隨機調取12臺龍門吊作業數據如表1所示，由此可見：（1）龍門吊作業箱量與其通電時間、作業時間、空載時間基本呈同一變化趨勢，說明吊箱越多，作業時間越長，通電時間越長，空載時間也越長；（2）龍門吊吊具空載時間占通電時間比例的平均值為70%左右，這表明龍門吊吊具電機空載運行時間占整個作業時間的比值較大，吊具空載能耗較高；（3）龍門吊平均單箱作業時間約為/TEU，其實際通電時間為4.07 min，這說明吊具電機空載運行時間為；（4）有必要優化吊具電機運行模式，以達到節能降耗的目的；（5）龍門吊吊具空載時間越短，其作業時間越接近通電時間。

2 龍門吊吊具電機節能技術改造

伺服電機又稱執行電機，在自動控制系統中用作執行元件，把所收到的電信號轉換成電機軸上的角位移或角速度輸出，當信號電壓為零時無自轉現象，其轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。自20世紀80年代以來，交流伺服驅動技術迅猛發展，各國著名電氣廠商相繼推出各品牌交流伺服電機和伺服驅動器系列產品，并不斷加以完善和更新；20世紀90年代，交流伺服驅動系統已成為當代高性能伺服驅動系統的主要發展方向。

伺服電機主要有以下優點：（1）無電刷和換向器，工作可靠性較高，對維護和保養的要求較低；（2）定子繞組散熱比較方便；（3）慣性小，易于提高系統速度；（4）適應高速大力矩工作狀態；（5）同功率下的體積和質量較小。相比之下，三相異步電機在待機時一直處于運轉狀態，且轉速不易調整，導致其空載能耗較大。伺服驅動系統由BMZ2310- 20FR交流伺服電機（由寧波威駿電子科技有限公司制造）、IS300匯川伺服驅動器、易福門壓力傳感器、GR47-32CC SETTIMA螺紋泵等組成。

龍門吊吊具電機節能技術改造步驟如下：拆下龍門吊原吊具電機、液壓泵及附屬裝置；安裝伺服電機及螺紋泵，將驅動器安裝在配電箱里，并鋪設電纜。

吊具伺服電機節能工作原理如下：在吊具程序中增加一個“或”門，開閉鎖或伸縮命令發出后，吊具程序輸出信號，變頻器接收信號，驅動吊具泵（即螺紋泵）工作。在無指令狀態下，吊具驅動系統伺服電機低速運轉（/min）；待開閉鎖或伸縮指令發出后，伺服電機立即提升轉速（達到～/min），使油泵輸出油壓。油泵的油量和油壓可由驅動器程序設定，也可由驅動器外接信號控制。

單臺吊具伺服電機系統的改造成本為元人民幣。

3 龍門吊吊具電機節能技術改造后的能耗情況

3.1 R15龍門吊伺服電機與R18龍門吊異步電機能耗比較

將R15龍門吊異步電機改造為交流伺服電機，測定交流伺服電機驅動吊具電耗數據；同時，測定R18龍門吊異步電機驅動吊具電耗數據，并分析模擬和實際作業能耗數據。

R15和R18龍門吊模擬試車4 h，吊具從最高點放下→吊箱（包括閉鎖）→升至最高點→放箱（包括開鎖）→升至最高點，每小時完成15個以上完整動作，吊具伸縮5次。測得R15和R18龍門吊吊具模擬作業能耗數據如表2所示，由此可見：（1）在模擬作業情況下，由交流伺服電機驅動吊具的能耗大大降低，不到由異步電機驅動吊具能耗的1/3；（2）在模擬作業情況下，由交流伺服電機驅動吊具的節能效率達70%，伺服電機驅動系統有利于降低吊具空載能耗；（3）在模擬作業情況下，由交流伺服電機驅動的“油改電”龍門吊（以下簡稱電車型龍門吊）可節能約9%。

統計2013年3月R15和R18龍門吊作業箱量并測取其吊具電耗數據如表3所示，由此可見：（1）由交流伺服電機驅動吊具的實際作業能耗較低，約為由異步電機驅動吊具能耗的1/3；（2）由交流伺服電機驅動的吊具實際作業節能約66%；（3）由交流伺服電機驅動的電車龍門吊作業節能約8%。

3.2 電車型龍門吊與柴油龍門吊能耗比較

將R15、R17、R20、R21和R26龍門吊吊具電機改造為伺服電機后：測取2013年9月R15龍門吊在柴油發動機模式下的作業箱量和油耗數據，計算出作業單耗，并將之與吊具電機改造前（2012年9月）的作業單耗對比，計算柴油龍門吊的節能效率；測取R17、R20、R21和R26龍門吊在電動機模式下的作業箱量和電耗數據，計算出作業單耗，并將之與吊具電機改造前（上年同期）的作業單耗對比，計算電車型龍門吊的節能效率（見表4）?？梢?，吊具由伺服電機驅動的龍門吊作業能耗較低，柴油龍門吊作業節能效率達7.92%，電車型龍門吊作業節能效率達7.90%。

港吉碼頭有龍門吊60臺，將龍門吊吊具電機改造為伺服電機，按每臺龍門吊節能效率7.90%估算2012年和2013年港吉碼頭節約的能源成本（見表5）。

（1）港吉碼頭龍門吊吊具電機改造為伺服電機后，2012年節約能源成本總計元人民幣，單箱節約能源成本0.20元人民幣/TEU，單臺龍門吊節約能源成本元人民幣；2013年節約能源成本人民幣，單箱節約能源成本0.21元人民幣/TEU，單臺龍門吊節約能源成本元人民幣。

（2）實施龍門吊吊具電機節能技術改造后，2012年港吉碼頭電車型龍門吊作業節約電能成本元人民幣，節約電能€I6h，節約標準煤，減排二氧化碳，減排碳；油車型（柴油）龍門吊作業節約柴油成本元人民幣，節約柴油，節約標準煤，減排二氧化碳。

（3）2013年港吉碼頭電車型龍門吊作業節約電能成本元人民幣，節約電能€I6h ，節約標準煤，減排二氧化碳，減排碳；油車型龍門吊作業節約柴油成本元人民幣，節約柴油，節約標準煤，減排二氧化碳。

（4）以伺服電機作為吊具驅動系統的油車型龍門吊比電車型龍門吊在節能成本方面表現更佳：2012年港吉碼頭單臺油車型龍門吊節約能源成本人民幣，2013年單臺節約能源成本人民幣，而改造成本僅元人民幣，使用不到1年便可收回投資成本；相比之下，2013年單臺電車型龍門吊節約成本元人民幣左右，使用2年后基本可收回投資成本。

（5）龍門吊吊具改為伺服電機驅動后，港吉碼頭每年可節約能源成本100多萬元人民幣。

5 結束語

龍門吊吊具改用伺服電機驅動系統的優點有：有利于減少空載能耗及節約碼頭運營成本；由于龍門吊作業時伺服電機不持續處于高速運轉狀態，噪聲大大減??；伺服電機系統的吊具泵系統壓力和流量采用雙閉環控制方式，液壓系統按照實際需要的流量和壓力供油，解決了普通液壓泵系統高溢流導致高能耗的問題?？傊?，龍門吊吊具伺服電機驅動系統在節約資源、降低成本、提升性能、改善工況等方面具有較大優勢。隨著伺服技術不斷完善、伺服驅動系統價格下調以及業界對伺服驅動系統的深入了 解，采用吊具伺服電機驅動系統將成為龍門吊未來發展的必然趨勢。