導(dǎo)語(yǔ)：龍門起重機(jī)燃料電池混動(dòng)技術(shù)分析一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:為降低港口機(jī)械設(shè)備的排放,提出一種應(yīng)用于輪胎式龍門起重機(jī)的零排放的燃料電池混動(dòng)技術(shù)。給出了該動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)及配置參數(shù),對(duì)比分析了小柴電混動(dòng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,該系統(tǒng)將在控制使用成本方面具有優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞:燃料電池;輪胎吊;混合動(dòng)力

1引言

輪胎式龍門起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱輪胎吊)廣泛應(yīng)用于集裝箱碼頭堆場(chǎng),其動(dòng)力通常以柴油發(fā)電機(jī)組供電為主,存在能源消耗大、排放嚴(yán)重等問題。目前市場(chǎng)上小柴油機(jī)組結(jié)合大鋰電混動(dòng)輪胎吊是最節(jié)能的輪胎吊之一,柴電機(jī)組輸出綜合功率一般為50kW,鋰電池容量一般在100kWh左右。與傳統(tǒng)使用大型柴油機(jī)組輪胎吊相比,可節(jié)能約60%[1-2]。但該類輪胎吊的動(dòng)力來(lái)源仍是柴油,雖然相比大柴油機(jī)組已經(jīng)降低了能耗,但仍存在較大的排放。為了減少排放,也可以采用天然氣LNG燃?xì)鈾C(jī)組代替小功率柴電機(jī)組,構(gòu)成LNG混動(dòng)輪胎吊,CO2排放可降低20%,NOX排放可降低40%[3-4]。氫氣是當(dāng)今世界公認(rèn)的最清潔的燃料,燃燒排放物只有純水,具有環(huán)保、零排放、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。因此提出用燃料電池系統(tǒng)代替小功率柴電機(jī)組,設(shè)計(jì)零排放氫燃料混動(dòng)輪胎吊。

2輪胎吊負(fù)載特性分析

據(jù)統(tǒng)計(jì),常規(guī)集裝箱碼頭上的輪胎吊1h可以完成約20個(gè)操作循環(huán),每操作循環(huán)由帶箱起升、小車帶箱平移、下降放箱、空吊具起升、小車平移、空吊具下降6個(gè)步驟組成。額載40t重箱起升時(shí),輪胎吊峰值功率需求約為350kW;40t重箱下降時(shí),峰值再生回饋功率約為260kW,1h內(nèi)輪胎吊的平均功率僅為30~35kW。由此分析得出,輪胎吊在突加載荷時(shí)峰值功率大,而平均功率小,且重物下降及機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),屬于位能性負(fù)載。而傳統(tǒng)大柴油機(jī)為了滿足輪胎吊的負(fù)載特性,通常配備一定冗余量的柴油發(fā)電機(jī)組,滿足輪胎吊峰值功率的需求,而重物下降和機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生回饋能量,通常利用能耗電阻消耗掉了,得不到有效重復(fù)利用,造成了輪胎吊燃油消耗大、污染嚴(yán)重等問題。從輪胎吊負(fù)載特性可以看出,峰值功率與平均功率的比值接近10∶1,所以其動(dòng)力系統(tǒng)非常適合采用混合動(dòng)力方案。

3燃料電池輪胎吊動(dòng)力系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)組成

燃料電池混動(dòng)輪胎吊動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1,其系統(tǒng)配置與小柴油機(jī)大鋰電混動(dòng)輪胎吊類似,不同之處在于采用燃料電池與DCDC直流變換器取代原有的小型柴油發(fā)電機(jī)組和AFE(ActiveFrontEnd,整流/回饋)驅(qū)動(dòng)器。大容量鋰電池組主要通過燃料電池來(lái)補(bǔ)充電能。

3.2系統(tǒng)工作模式

燃料電池主要有3種運(yùn)行模式。(1)當(dāng)燃料電池工作時(shí),如果輪胎吊在進(jìn)行起升操作或能量需求較大的作業(yè),燃料電池和鋰電池共同提供能源,驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu),減小鋰電池的放電電流(見圖2)。(2)當(dāng)燃料電池工作時(shí),如果輪胎吊在進(jìn)行下降操作或機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí),則燃料電池和運(yùn)行機(jī)構(gòu)的再生回饋勢(shì)能一起給鋰電池充電,增大鋰電池的充電電流(見圖3)。(3)當(dāng)燃料電池停止工作時(shí),鋰電池是唯一能量源,承擔(dān)所有輪胎吊的能源需求。設(shè)定鋰電池組的SOC(StateofCharge,荷電狀態(tài))使用區(qū)間范圍,通過整車控制器來(lái)控制燃料電池的運(yùn)行狀態(tài),適時(shí)地給鋰電池組進(jìn)行充電。

3.3硬件參數(shù)

目前的燃料電池,由于受技術(shù)限制,組成系統(tǒng)后的各個(gè)裝置損耗,總轉(zhuǎn)換效率區(qū)間在45%~60%范圍內(nèi),如果考慮其排熱利用,則效率可達(dá)80%或以上。燃料電池系統(tǒng)選用石墨系質(zhì)子交換膜燃料電池電堆,額定功率為75kW,發(fā)電效率≥50%。氫氣瓶選擇6個(gè)165L壓力罐,工作壓力為35MPa。鋰電池選擇具有高倍率充放電能力的三元鋰電池,額定電壓622VDC,額定容量128Ah,額定能量79.6kWh。氫氣瓶組攜帶了約23.1kg氫氣,氫氣的熱值為39.54kWh/kg,燃料電池系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率≥50%,取燃料電池的轉(zhuǎn)換效率50%為20kWh/kg,則輪胎吊攜帶了約462kWh的電量。以輪胎吊平均功率30kW為例,每小時(shí)耗電量為30kWh,所配備的氫氣瓶組可以滿足輪胎吊15.4h的連續(xù)工作。設(shè)定鋰電池的SOC變化使用范圍為50%~90%,即鋰電池能量有31.8kWh的可用范圍,燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行25min即可補(bǔ)充該能量,該能量可滿足輪胎吊超過1h的持續(xù)工作需求。氫氣瓶組安裝于電氣房鞍梁下方,便于加氫及整組更換;燃料電池系統(tǒng)安裝于電氣房上方,通過氫氣管路及相關(guān)通訊線路與氫氣瓶組相連接;鋰電池組安裝于電氣房?jī)?nèi),形成輪胎吊供電系統(tǒng)(見圖4)。

4經(jīng)濟(jì)性分析

4.1初期投資分析

燃料電池輪胎吊其燃料電池系統(tǒng)初期投資為:75kW燃料電池系統(tǒng)50萬(wàn)元,氫氣瓶組15萬(wàn)元。小柴電大鋰電輪胎吊電氣系統(tǒng)的初期投資為:50kW的柴油發(fā)電機(jī)組15萬(wàn)元,60kW的AFE整流器4萬(wàn)元。目前燃料電池輪胎吊電氣系統(tǒng)初期投資是小柴電系統(tǒng)的3.4倍,不具備經(jīng)濟(jì)性。據(jù)預(yù)測(cè),在2030年,燃料電池系統(tǒng)的成本將會(huì)下降80%以上。在2030年,燃料電池輪胎吊電氣系統(tǒng)的初期投資將變?yōu)?3萬(wàn)元,假設(shè)小柴電系統(tǒng)的價(jià)格維持在15萬(wàn)元,燃料電池系統(tǒng)的價(jià)格就具備了一定優(yōu)勢(shì)。

4.2使用成本分析

小柴油機(jī)大鋰電輪胎吊目前每標(biāo)箱消耗柴油約為0.45L,柴油每升6.6元,每標(biāo)箱花費(fèi)2.97元。50kW小柴油發(fā)電機(jī)組的燃油發(fā)電轉(zhuǎn)換效率為3.47kWh/L,每標(biāo)箱消耗電能1.56kWh。取燃料電池的氫氣發(fā)電轉(zhuǎn)換效率為20kWh/kg,則每標(biāo)箱消耗氫氣0.078kg,當(dāng)前氫氣價(jià)格約為50元/kg,每標(biāo)箱花費(fèi)3.9元。燃料電池的使用成本是小柴油機(jī)組系統(tǒng)的1.31倍。據(jù)行業(yè)分析,氫氣價(jià)格下探至35元/kg時(shí),燃料電池和柴油機(jī)組的使用成本可持平,隨著整個(gè)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,預(yù)計(jì)至2025年,硬件采購(gòu)和使用成本可與柴油機(jī)組持平。據(jù)相關(guān)行業(yè)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),在2030年,氫氣價(jià)格將下降至20元/kg,假設(shè)柴油價(jià)格維持不變,則每標(biāo)箱操作可節(jié)約1.41元,以每臺(tái)輪胎吊年操作12萬(wàn)標(biāo)箱計(jì)算,每年節(jié)約燃料費(fèi)用16.92萬(wàn)元,大約9個(gè)月即可收回初期的投資成本28萬(wàn)元(燃料電池13萬(wàn)元、氫氣瓶組15萬(wàn)元,氫氣瓶組價(jià)格未作變化)?？紤]到國(guó)家在雙碳目標(biāo)下可能征收的碳排放稅,燃料電池輪胎吊在2025年投資和使用成本上將與小柴油機(jī)大鋰電輪胎吊持平,而到2030年時(shí)更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

5結(jié)語(yǔ)

隨著政府對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的日益嚴(yán)格,各行業(yè)都在尋求和制定減少碳排放的方法措施。針對(duì)集裝箱碼頭輪胎吊,提出一種零排放的燃料電池混動(dòng)輪胎吊技術(shù),通過運(yùn)用氫燃料電池發(fā)電技術(shù),替代傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組,促使輪胎吊達(dá)到零碳排放的目標(biāo),在未來(lái)具有更大的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

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作者：周超群 楊雷忠 曹樂 單位：上海振華重工股份有限公司