龍門起重機燃料電池混動技術分析

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摘要:為降低港口機械設備的排放,提出一種應用于輪胎式龍門起重機的零排放的燃料電池混動技術。給出了該動力系統架構及配置參數,對比分析了小柴電混動技術經濟性,該系統將在控制使用成本方面具有優勢。

關鍵詞:燃料電池;輪胎吊;混合動力

1引言

輪胎式龍門起重機(以下簡稱輪胎吊)廣泛應用于集裝箱碼頭堆場,其動力通常以柴油發電機組供電為主,存在能源消耗大、排放嚴重等問題。目前市場上小柴油機組結合大鋰電混動輪胎吊是最節能的輪胎吊之一,柴電機組輸出綜合功率一般為50kW,鋰電池容量一般在100kWh左右。與傳統使用大型柴油機組輪胎吊相比,可節能約60%[1-2]。但該類輪胎吊的動力來源仍是柴油,雖然相比大柴油機組已經降低了能耗,但仍存在較大的排放。為了減少排放,也可以采用天然氣LNG燃氣機組代替小功率柴電機組,構成LNG混動輪胎吊,CO2排放可降低20%,NOX排放可降低40%[3-4]。氫氣是當今世界公認的最清潔的燃料,燃燒排放物只有純水,具有環保、零排放、無污染等優點。因此提出用燃料電池系統代替小功率柴電機組,設計零排放氫燃料混動輪胎吊。

2輪胎吊負載特性分析

據統計,常規集裝箱碼頭上的輪胎吊1h可以完成約20個操作循環,每操作循環由帶箱起升、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個步驟組成。額載40t重箱起升時,輪胎吊峰值功率需求約為350kW;40t重箱下降時,峰值再生回饋功率約為260kW,1h內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峰值功率大,而平均功率小,且重物下降及機構制動時電機處于發電狀態,屬于位能性負載。而傳統大柴油機為了滿足輪胎吊的負載特性,通常配備一定冗余量的柴油發電機組,滿足輪胎吊峰值功率的需求,而重物下降和機構制動時產生的再生回饋能量,通常利用能耗電阻消耗掉了,得不到有效重復利用,造成了輪胎吊燃油消耗大、污染嚴重等問題。從輪胎吊負載特性可以看出,峰值功率與平均功率的比值接近10∶1,所以其動力系統非常適合采用混合動力方案。

3燃料電池輪胎吊動力系統

3.1系統組成

燃料電池混動輪胎吊動力系統結構見圖1,其系統配置與小柴油機大鋰電混動輪胎吊類似,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電機組和AFE(ActiveFrontEnd,整流/回饋)驅動器。大容量鋰電池組主要通過燃料電池來補充電能。

3.2系統工作模式

燃料電池主要有3種運行模式。(1)當燃料電池工作時,如果輪胎吊在進行起升操作或能量需求較大的作業,燃料電池和鋰電池共同提供能源,驅動運行機構,減小鋰電池的放電電流(見圖2)。(2)當燃料電池工作時,如果輪胎吊在進行下降操作或機構制動時,則燃料電池和運行機構的再生回饋勢能一起給鋰電池充電,增大鋰電池的充電電流(見圖3)。(3)當燃料電池停止工作時,鋰電池是唯一能量源,承擔所有輪胎吊的能源需求。設定鋰電池組的SOC(StateofCharge,荷電狀態)使用區間范圍,通過整車控制器來控制燃料電池的運行狀態,適時地給鋰電池組進行充電。

3.3硬件參數

目前的燃料電池,由于受技術限制,組成系統后的各個裝置損耗,總轉換效率區間在45%~60%范圍內,如果考慮其排熱利用,則效率可達80%或以上。燃料電池系統選用石墨系質子交換膜燃料電池電堆,額定功率為75kW,發電效率≥50%。氫氣瓶選擇6個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,燃料電池系統的轉換效率≥50%,取燃料電池的轉換效率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的連續工作。設定鋰電池的SOC變化使用范圍為50%~90%,即鋰電池能量有31.8kWh的可用范圍,燃料電池系統運行25min即可補充該能量,該能量可滿足輪胎吊超過1h的持續工作需求。氫氣瓶組安裝于電氣房鞍梁下方,便于加氫及整組更換;燃料電池系統安裝于電氣房上方,通過氫氣管路及相關通訊線路與氫氣瓶組相連接;鋰電池組安裝于電氣房內,形成輪胎吊供電系統(見圖4)。

4經濟性分析

4.1初期投資分析

燃料電池輪胎吊其燃料電池系統初期投資為:75kW燃料電池系統50萬元,氫氣瓶組15萬元。小柴電大鋰電輪胎吊電氣系統的初期投資為:50kW的柴油發電機組15萬元,60kW的AFE整流器4萬元。目前燃料電池輪胎吊電氣系統初期投資是小柴電系統的3.4倍,不具備經濟性。據預測,在2030年,燃料電池系統的成本將會下降80%以上。在2030年,燃料電池輪胎吊電氣系統的初期投資將變為13萬元,假設小柴電系統的價格維持在15萬元,燃料電池系統的價格就具備了一定優勢。

4.2使用成本分析

小柴油機大鋰電輪胎吊目前每標箱消耗柴油約為0.45L,柴油每升6.6元,每標箱花費2.97元。50kW小柴油發電機組的燃油發電轉換效率為3.47kWh/L,每標箱消耗電能1.56kWh。取燃料電池的氫氣發電轉換效率為20kWh/kg,則每標箱消耗氫氣0.078kg,當前氫氣價格約為50元/kg,每標箱花費3.9元。燃料電池的使用成本是小柴油機組系統的1.31倍。據行業分析,氫氣價格下探至35元/kg時,燃料電池和柴油機組的使用成本可持平,隨著整個燃料電池產業鏈的發展,預計至2025年,硬件采購和使用成本可與柴油機組持平。據相關行業機構預測,在2030年,氫氣價格將下降至20元/kg,假設柴油價格維持不變,則每標箱操作可節約1.41元,以每臺輪胎吊年操作12萬標箱計算,每年節約燃料費用16.92萬元,大約9個月即可收回初期的投資成本28萬元(燃料電池13萬元、氫氣瓶組15萬元,氫氣瓶組價格未作變化)。考慮到國家在雙碳目標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大鋰電輪胎吊持平,而到2030年時更具有競爭力。

5結語

隨著政府對環境保護要求的日益嚴格,各行業都在尋求和制定減少碳排放的方法措施。針對集裝箱碼頭輪胎吊,提出一種零排放的燃料電池混動輪胎吊技術,通過運用氫燃料電池發電技術,替代傳統柴油發電機組,促使輪胎吊達到零碳排放的目標,在未來具有更大的經濟性優勢。

參考文獻

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[4]駱秀江,袁峰,黃細霞,等.鋰電池-LNG混合動力在輪胎式集裝箱起重機中的應用[J].港口科技,2015(6):29-32+42.

作者：周超群 楊雷忠 曹樂 單位：上海振華重工股份有限公司