Giải pháp thiết kế chuyển đổi hệ thống truyền động của cổng trục bánh lốp (RTG) từ diesel – thủy lực sang truyền động điện

Bài viết này tập trung vào việc xem xét khả năng chuyển đổi các cẩu RTG từ nguồn năng lượng diesel nguồn điện lưới tại các cảng ở Việt Nam để nhằm đạt các mục tiêu tiết kiệm chi phí năng lượng, tăng cường khả năng cạnh tranh kinh doanh và giảm ô nhiễm môi trường.

TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 30-11/2018 11 GIẢI PHÁP THIẾT KẾ CHUYỂN ĐỔI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CỦA CỔNG TRỤC BÁNH LỐP (RTG) TỪ DIESEL – THỦY LỰC SANG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SOLUTIONS OF DESIGN ON REPLACING TRANSMISSION SYSTEM OF RUBBER TYRED GANTRY CRANES (RTG) FROM DIESEL - HYDRAULIC TO ELECTRICAL FULLY TRANSMISSION Trần Văn Trung, Trần Đức Kết Trường Đại học Giao thông vận tải TP.HCM, Việt Nam trungtranck@hcmutrans.edu.vn Tóm tắt: Đa số cảng bãi container Việt Nam sử dụng cẩu RTG (Rubber Tired Gantry) chạy động diesel để xếp dỡ container Thiết bị hàng năm tiêu thụ lượng lớn nhiên liệu thải mơi trường nhiều chất thải (bao gồm khí No x , CO , chất thải lỏng rắn), dẫn đến chi phí vận hành cao nhiễm môi trường nghiêm trọng khu vực cảng lân cận Bài báo tập trung vào việc xem xét khả chuyển đổi cẩu RTG từ nguồn lượng diesel nguồn điện lưới cảng Việt Nam để nhằm đạt mục tiêu tiết kiệm chi phí lượng, tăng cường khả cạnh tranh kinh doanh giảm nhiễm mơi trường Từ khóa: RTG, cổng trục, cảng container, nguồn máy phát diesel, nguồn điện lưới Chỉ số phân loại:2.1 Abstract: The majority of container handling equipment in existing container terminals and container yards at the ports of Vietnam consist of diesel - powered RTG cranes Every year, this equipment consumes vast amounts of fuel oil and produces tremendous exhaust emissions (Nox, CO2, liquid and particulate matter), leading to heavy operating costs and causes serious environmental pollution in nearby port areas This paper consequently focuses on the conversion of RTGs from diesel power to electric power grid at the ports of Vietnam, to lessen operating costs, strengthen business competitiveness, and alleviate environmental pollution Keywords: RTG, gantry crane,container terminals, diesel-powered, electrical power grid Classification number: 2.1 Giới thiệu Cổng trục bánh lốp RTG (Rubber Tyred Gantry) thiết bị chuyên dùng xếp dỡ container bãi Các cấu công tác RTG thường sử dụng hình thức truyền động điện, thủy lực kết hợp Nguồn động lực trạm phát điện diesel gắn liền cẩu, trạm phát di động thiết kế gọn đặt thùng kín có vách cách âm, giảm rung Hiện có 200 cẩu RTG dùng diesel hoạt động cảng, bến, bãi container Việt Nam, tiêu thụ năm khoảng 30.000 dầu diesel thải môi trường khoảng 6.000 CO ; 460 NO x , 12 chất thải rắn (PM) [1] Hơn nữa, sau nhiều năm hoạt động, phận hệ thống động lực truyền động phát sinh mài mòn, hư hỏng tăng khe hở lắp ghép chi tiết tăng sai lệch vị trí cụm chi tiết Các hư hỏng làm cho cẩu làm việc chất lượng, tăng tổn hao giới, dẫn đến chi phí nhiên liệu, dầu mỡ phụ tùng thay tế thời gian dừng cẩu, nhân công phục vụ bảo dưỡng sửa chữa cẩu ngày tăng, độ tin cậy mức độ xác thao tác giảm làm cho suất xếp dỡ giảm Qua theo dõi thực tế cảng phía nam giải pháp khắc phục vấn đề sửa chữa lớn động diesel không đem lại hiệu lý do: - Chi phí sửa chữa cao phụ tùng thay phải nhập đơn chiếc; - Tuổi thọ động sau sửa chữa thấp chất lượng phục hồi chi tiết lắp ráp cân chỉnh khó đảm bảo khơng có thiết bị sửa chữa chuyên dùng; 12 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 30, Nov 2018 - Cẩu sử dụng diesel phí nhiên liệu lớn gây ô nhiễm môi trường Bài báo đề xuất nghiên cứu giải pháp có tính chất ứng dụng cao, sử dụng lượng giải vấn đề nêu cách lâu dài, bền vững Đó giải pháp thay nguồn động lực diesel – máy phát nguồn điện lưới chuyển đổi cấu có truyền động thủy lực sang truyền động điện Theo tác giả Yi - Chih YANG Wei - Min CHANG nghiên cứu tương tự cảng Cao Hùng (Đài Loan) cho thấy chuyển đổi từ diesel sang điện lưới cẩu RTG năm giảm phát thải 30 CO ; 2.3 NO x 0.06 chất thải rắn, cẩu sử dụng điện hoàn toàn giảm tối đa tiếng ồn gần khơng có chất lỏng bị rị rỉ môi trường [1] Cơ sở lý luận giải pháp Về nguyên lý chung thiết kế máy trục, sử dụng nguồn động lực phương pháp truyền động khác cho loại Về nguồn động lực dùng động đốt hay động điện, động thủy lực Về truyền động dùng truyền động khí, thủy lực, điện kết hợp Mỗi loại có ưu nhược điểm khác phù hợp trường hợp sử dụng [2] Với cẩu RTG Diesel – Điện, cẩu trang bị trạm phát điện đồng ba pha dẫn động động diesel bồn kỳ bố trí dầm cẩu, cung cấp nguồn điện cho toàn cấu nâng hạ, di chuyển xe di chuyển cẩu hoạt động Thông số diesel trạm phát sau [3], [4]: - Công suất: 450 kVA; - Tốc độ: 1800 v/ph; - Điện áp: 400 VAC, 3-phase, 50 Hz; - Độ điều chỉnh điện áp: +/- 10% từ không tải tới đầy tải; - Các chế độ bảo vệ: Quá dòng, ngắn mạch, áp, thấp áp, thấp tần số, kích từ, tốc độ, áp lực nhớt thấp, nhiệt độ nước cao…; - Chế độ cách âm: ≤ 95dBA; - Điều khiển: thực qua hai giai đoạn, khởi động diesel – trạm phát điều khiển chức cẩu (các chức cẩu phép hoạt động thông số trạm phát chế độ bảo vệ ổn định thiết lập) Giải pháp chuyển đổi đề xuất thay trạm phát diesel – máy phát nguồn cung cấp di động từ hệ thống điện lưới hạ cảng có thơng số [5]: - Công suất trạm hạ 2000KVA cho khu vực làm hàng gồm 06 RTG, (tính cho cẩu khoảng 340 KVA); - Điện áp: 400 VAC, - phase, 50 Hz; - Mức độ dao động điện áp: ≤ 10%; - Các chế độ bảo vệ từ trạm hạ thế: Quá dòng, ngắn mạch, áp, thấp áp, sai lệch tần số… So sánh thông số cấp nguồn hai phương pháp tương tự Tuy nhiên đặc tính tải trạm phát động diesel – máy phát trạm điện lưới có khác nhau: - Trạm diesel – máy phát độc lập, phục vụ cho hoạt động cẩu nên việc tính tốn dễ dàng để đảm bảo cho toàn hoạt động cẩu Tuy nhiên, trạm phát cần có cơng suất lớn hơn, mặt khác động diesel có đặc tính q tải lớn nguồn cung cấp từ trạm hạ thế, việc đảm bảo ổn định thơng số nguồn cung cấp dễ dàng cẩu làm việc với mức tải thay đổi [6] - Nguồn cung cấp từ trạm hạ đề xuất sử dụng trạm cho khu vực bãi container gồm RTG nên cho phép giảm cơng suất trạm tính tốn khả làm việc đồng thời cẩu Tuy nhiên, nhược điểm đặc tính tải nguồn điện thấp động diesel [7] nên số trường hợp, hệ số sử dụng đồng thời tăng, mức tải cẩu đồng thời mức cao dẫn đến khả sụt áp cục bộ, thông số cấp nguồn bị thay đổi Để khắc phục nhược điểm cần phải bố trí tụ bù chung hệ thống [8] Tiếp theo, giải pháp chuyển đổi cần tiến hành tính tốn lựa chọn sau: TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 30-11/2018 - Chọn phương án cấp nguồn tính tốn thơng số nguồn thay thế; - Lựa chọn thiết bị biện pháp kỹ thuật công nghệ để thực chuyển đổi; - Tính tốn chi phí chuyển đổi; - Hiệu giải pháp kinh tế, môi trường Chọn phương án cấp nguồn tính tốn thơng số nguồn thay 3.1 Chọn phương án cấp nguồn Cáp nguồn cố định dẫn từ trạm biến áp đến bãi container lắp đặt ngầm mặt đất để không ảnh hưởng đến giao thơng bãi tiết kiệm chi phí sử dụng cáp điện chế tạo nước Để cung cấp điện cho cẩu sử dụng phương án: - Phương án 1: Sử dụng ray cấp điện (Conductor Bar Solutions) [1]; - Phương án 2: Sử dụng công nghệ tang cáp điện (Cable reel technology) [5] Phương án có ưu điểm chi phí đầu tư thấp hơn, có nhiều nhược điểm: - Các đường ray điện lắp đặt ảnh hưởng đến giao thơng bãi; - Độ xác đường ray cấp điện khó đảm bảo bãi chuyển vị độ lún khơng làm cho nguồn cấp ổn định; - Chi phí bảo trì sửa chữa ray điện, quét xe tời tiếp điện cao mài mòn ảnh hưởng thời tiết trời, chuyển vị bãi Phương án có chi phí đầu tư ban đầu cao có nhiều ưu điểm hơn: - Không cản trở giao thông bãi; - Điện nguồn ổn định không sử dụng ray qt; - Chi phí bảo trì sửa chữa thấp Trong điều kiện bãi khơng hồn tồn ổn định khí hậu ẩm, nhiều mưa cảng chọn phương án giải pháp tốt để cấp nguồn cho cẩu Các nội dung thực phương án sau: - Thiết kế thi công đường cáp ngầm cố định từ trạm hạ tới bãi; 13 - Bố trí trụ cấp điện bãi (1 - trụ cấp điện cho cẩu); - Chọn thiết kế để lắp ráp tang cáp điện cẩu; - Kết nối cáp cấp nguồn di động (quấn tang) trụ cấp điện khớp kết nối nhanh (socket); - Bố trí rãnh rải cáp thiết bị bảo vệ 3.2 Tính tốn thơng số nguồn thay 3.2.1 Cơng suất trạm hạ Trạm hạ có chức chuyển điện áp từ đường dây trung 15KV 6KV (tùy khu vực) cấp nguồn cho thiết bị hạ 400VAC thông thường Để chuyển đổi cấp nguồn từ máy phát sang điện lưới cho toàn cẩu RTG khu vực (bãi container) phải tính tốn, lắp đặt trạm hạ phục vụ cho cẩu Công suất trạm hạ phụ thuộc vào số lượng cẩu bố trí bãi (N), tổng cơng suất cấu cẩu (Pc), hệ số hoạt động đồng thời cấu cẩu (K1), hệ số hoạt động đồng thời cẩu bãi (K2)và hệ số dự trữ (K3) Bài báo xây dựng cho bãi cụ thể cảng Cát Lái có thơng số tính tốn chọn bảng [9] Công suất trạm hạ thế: P = N Pc K K K [1 ] = x 370 x 0.67 x 0.9 x 1.2 = 1,606.392 kW Bảng Các thơng số tính cơng suất trạm hạ áp N (chiếc) Pc (kW) 370 Các hệ số K1 K2 K3 0.67 0.9 1.2 Với kết chọn công suất trạm biến áp hạ 2000 kVA hai trạm hạ với công suất trạm 1000 kVA để phục vụ cho bãi container với sáu cẩu RTG hoạt động đồng thời 3.2.2 Chọn cáp cấp nguồn tang cáp Cáp cấp nguồn cần có tổng diện tích thiết diện ngang lõi đồng đảm bảo cơng 14 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 30, Nov 2018 suất thiết bị chiều dài dây đủ cho phạm vi làm việc cẩu Với công suất thiết kế cẩu, công thức dây cáp nguồn cho cẩu chọn x 185mm2 + 3G95/3 [10] chọn sau: - Phần dây cáp cố định từ trạm hạ đến trụ cấp nguồn bãi: Sử dụng cáp bọc PVC có lưới bảo vệ nhà sản xuất nước cung cấp (Cadivi, điện quang, Lioa…) để tiết kiệm chi phí; - Phần cáp di động có yêu cầu vừa nhẹ vừa mềm nên phải mua từ hãng sãn xuất uy tín từ nước cơng nghiệp phát triển (Conductix Wampfler, Cavotec, Yaskawa…) đồng với tang cáp điện Chiều dài cáp di động tương ứng với khả chứa tang cáp ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động cẩu [1], [11] Qua khảo sát cảng container Việt Nam sử dụng cẩu RTG với nguồn diesel chuyển sang nguồn điện sử dụng tang với chiều dài cáp khoảng 90 m thích hợp Vì thơng thường chiều dài đường chạy cẩu (RTG lane) bãi ≤ 150m cần trụ cấp điện bố trí đường chạy Tang cáp điện sử dụng cho cẩu RTG loại tang dẫn động điện, điều khiển tự động tích hợp với chương trình điều khiển cẩu Tốc độ cáp nhả cáp tự động thay đổi với tốc độ di chuyển cẩu Các chế độ bảo vệ chống rối cáp, căng cáp, nhiệt, q dịng, áp… tích hợp chương trình điều khiển quản lý cẩu Các thiết bị kết nối từ trụ cấp điện với cáp di động từ tang cáp điện với buồng điện cẩu, ổ cắm kết nối nhanh, máng cáp thiết bị dẫn hướng cáp, thiết bị bảo vệ, tủ CB… sử dụng đồng bộ, đảm bảo đủ công suất, thuận tiện kết nối, kiểm tra bảo trì sửa chữa 3.2.3 Chi phí chuyển đổi so sánh chi phí xếp dỡ Trong nghiên cứu này, chi phí chuyển đổi nguồn cung cấp diesel sang điện lưới tính cho khu vực làm hàng tiêu chuẩn có ba lane RTG, lane có hai cẩu RTG hoạt động, trường hợp Terminal A, cảng Cát Lái, Tổng Cơng ty Tân Cảng Sài Gịn, bảng Giá thành xếp dỡ RTG tính sở chi phí nhiên liệu, bảo dưỡng sửa chữa, khấu hao tài sản cố định, lương vận hành, quản lý,… Để so sánh hiệu giải pháp, báo đề cập tới chi phí khác cẩu RTG trước sau chuyển đổi nguồn lượng Đó chi phí lượng, bảo dưỡng sửa chữa hệ thống cấp nguồn (các chi phí khác nhau) Các chi phí sản xuất cẩu dùng nguồn diesel cẩu dùng nguồn điện lưới thể bảng Từ kết ta thấy rõ hiệu kinh tế giải pháplà chi phí xếp dỡ container giảm 15.402 đồng Với sản lượng trung bình cẩu hoạt động cảng Cát lái 80.000 cont/năm chi phí xếp dỡ giảm cho sáu cẩu năm 7.392.960.000 đồng Với chi phí đầu tư ban đầu để chuyển đổi nguồn lượng 11.552.000,000 đồng cho sáu cẩu RTG điện sau 1,5 năm hoàn vốn tuổi thọ khai thác cẩu RTG từ 20 đến 25 năm Trong trường hợp giải pháp áp dụng rộng rãi cho bãi container, cảng khác (ước tính khoảng 200 RTG) hiệu lớn Bảng Chi phí chuyển đổi cho khu vực làm hàng với ba lane 06 RTG TT Hạng mục Đơn giá Thành tiền (Triệu đồng) Mua xây lắp hai trạm biến áp 1.000 KVA, hệ thống cáp cấp nguồn cố định từ TBA bãi 1,450 2,900 Mua thi công lắp đặt tang cáp thiết bị đồng cho sáu cẩu RTG 1,442 8,652 Tổng 11.552 15 TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 30-11/2018 Nguồn: Tổng Công ty Tân Cảng Sài Gịn Bảng So sánh chi phí sản xuất cẩu RTG sử dụng diesel điện lưới TT Các loại chi phí (tính cho container) Chi phí nhiên liệu hay điện Chi phí bảo dưỡng diesel, máy phát trạm BA hệ thống cấp nguồn (đ/cont) Chi phí sửa chữa diesel, máy phát hay trạm BA hệ thống cấp nguồn (đ/cont) Chi phí tính cho container Cẩu RTG sử dụng diesel Tiêu thụ Đơn giá (L/cont) (đ/L) 0,92 18.00 Chi phí (đ/cont) Cẩu RTG sử dụng điện lưới Đơn giá (đ/kW) Tiêu thụ (kW/cont) 16.560 2,8 1.600 1.600 550 2.000 2.000 - 20.160 Chi phí (đ/cont) 1.503 4.208 550 - 4.758 Nguồn: [1], Trang tin vật giá 8/2018, Tổng Cơng ty Tân Cảng Sài Gịn Kết luận Từ tính tốn, phân tích q trình theo dõi hoạt động cẩu thí điểm chuyển đổi terminal A, B cảng Cát Lái, Tổng Cơng ty Tân Cảng Sài Gịn (tác giả tham gia đề xuất, tư vấn kỹ thuật cho dự án), kết cho thấy giải pháp đạt hiệu cao kinh tế đồng thời góp phần giảm thiểu phát thải môi trường chất độc hại CO , NOx, rò rỉ dầu nhớt, ô nhiễm tiếng ồn, Về khả cơng nghệ kỹ thuật thi cơng chuyển đổi hồn tồn thực chỗ sử dụng phần linh kiện, vật tư nước để tiết kiệm chi phí chủ động bảo dưỡng, sửa chữa, thay phụ tùng Dưới số kết luận chi tiết:  Giải pháp có tính khả thi cao thực tiễn sản xuất tất công việc để thực giải pháp, như: Thiết kế, mua sắm vật tư, thi công lắp đặt bảo dưỡng sửa chữa thực dễ dàng nước, nơi khai thác sử dụng cẩu mà không bị ảnh hưởng nhà sản xuất cẩu thiết bị chuyên dùng  Giải pháp có hiệu kinh tế cao so sánh yếu tố: - Một hiệu suất truyền động điện cao truyền động diesel máy phát Mặt khác, với cẩu RTG điện, cẩu ngừng thao tác gần không tiêu tốn lượng, với RTG diesel, cẩu ngừng thao tác, diesel hoạt động tiêu tốn nhiên liệu - Hai so sánh giá nhiên liệu, quy giá trị lượng dùng để xếp dỡ container giá điện ln thấp nhiều ổn định giá dầu - Ba cẩu dùng điện lưới giảm chi phí bảo dưỡng sửa chữa cẩu đến 30% so với cẩu dùng động diesel (trong riêng chi phí bảo dưỡng sửa chữa hệ thống cấp nguồn giảm 85%)  Giải pháp có ý nghĩa đặc biệt mơi trường áp dụng với số lượng lớn cẩu RTG sử dụng động diesel nay, góp phần làm khơng khí nguồn nước khơng gian làm việc giảm lượng lớn khí thải độc hại, chất thải lỏng rắn ô nhiễm tiếng ồn phát từ động diesel  Giải pháp sở để cảng, bãi xếp dỡ container khác nước tham khảo, tính tốn chuyển đổi đầu tư mua sắm thiết bị theo hướng tiết kiệm lượng giảm ô nhiễm môi trường  Tài liệu tham khảo [1] Cavotec Innovative solutions for the Maritime industry ASEAN Port & Shipping ASEAN Port & Shipping Johor Johor Bahru BahruJune, 2007 [2] Ing J Verschoof, Cranes – Design, Practice, and Maintenance (2nd Edition), Professional Engineering Publishing Limited London and Bury St Edmunds, UK, 2002 [3] Kalmar Industries Oy Ab FIN-33101 Tampere Finland 16 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 30, Nov 2018 [4] TCM CORPORATION, Operation and Maintenance Manual for the transfer crane Model CT5F, Tokyo 105-0003, Japan, 2010 [5] Conductix-Wampfler, Motor Driven Cable Reel Technical data, Belley, France, 2012 [6] TS Văn Hữu Thịnh (2016), Tính toán thiết kế máy nâng chuyển, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM [7] PGS.TS Trương Quốc Thành, PGS.TS Ph ạm Qu an g Dũ n g (1999), Máy thiết bị nâng, Nhà xuất K H K T , Hà Nội [8] TS Đồng Văn Hướng (2011), Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất Giao thông vận tải, Hà Nội [9] PGS.TS Hồng Xn Bình (2015), Trang bị điện điện tử máy công nghiệp, Nhà xuất Hàng Hải, Hải Phòng RTG Kalmar E-one s/n 40717-40726, Technical Data, 2008 [10] Stefano MELOTTI, M.Sc P.Eng Engineering, Commissioning and After Sales Director Noell Crane Systems (China) Ltd –TEREX Cranes Xiamen Zhang Zhou, 2011 Ngày nhận bài: 8/10/2018 Ngày chuyển phản biện: 11/10/2018 Ngày hoàn thành sửa bài: 1/11/2018 Ngày chấp nhận đăng: 8/11/2018 ... giải pháp Về nguyên lý chung thiết kế máy trục, sử dụng nguồn động lực phương pháp truyền động khác cho loại Về nguồn động lực dùng động đốt hay động điện, động thủy lực Về truyền động dùng truyền. .. cách lâu dài, bền vững Đó giải pháp thay nguồn động lực diesel – máy phát nguồn điện lưới chuyển đổi cấu có truyền động thủy lực sang truyền động điện Theo tác giả Yi - Chih YANG Wei - Min CHANG... truyền động khí, thủy lực, điện kết hợp Mỗi loại có ưu nhược điểm khác phù hợp trường hợp sử dụng [2] Với cẩu RTG Diesel – Điện, cẩu trang bị trạm phát điện đồng ba pha dẫn động động diesel bồn