我國電機系統(tǒng)節(jié)能進展和對策*

秦宏波

(上海市能效中心，上海 200040)

0 引言

電動機廣泛應用于工業(yè)、商業(yè)、農業(yè)、公用設施和家用電氣等領域，用于拖動風機、泵、壓縮機等各種設備。電機系統(tǒng)包括電動機、被拖動裝置、傳動控制系統(tǒng)及管網負荷，其用電量在各個國家的總用電量中均占有相當大的比重。根據(jù)美國能源部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，電機系統(tǒng)用電量占全美用電量的50%，占其工業(yè)用電量的70%。根據(jù)歐盟的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，電機系統(tǒng)用電量占歐盟總用電量的42%，占其工業(yè)用電量的69%。根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會2003年的調查結果，電機系統(tǒng)耗電約占我國用電量的60%以上。其中，風機、泵類、壓縮機和空調制冷機的用電量分別占全國用電量的10.4%、20.9%、9.4% 和 6%［1］。國際銅業(yè)協(xié)會進行的“全國電機現(xiàn)狀市場調研”結果顯示:2007年，我國各類電動機裝機總容量約為7.28億kW，耗電量約為19 566 kWh。

由于電機系統(tǒng)消耗了大部分的工業(yè)用電，因此提高該系統(tǒng)的能效水平對于各國的能源節(jié)約和環(huán)境保護具有重要意義。歐盟預測，對不同功率的電機效率提高1% ～6%，可節(jié)能3%，每年可節(jié)約電能276億kWh，相當于5座100萬kW電站的供電能力。根據(jù)國際銅業(yè)協(xié)會預測，在我國通過提高電動機的能效標準和推廣高效電動機的應用，到2011年可累計節(jié)電764億kWh，減排二氧化碳7 640萬t。

1 我國電機系統(tǒng)能效現(xiàn)狀

改革開放以來，我國制造業(yè)有了長足發(fā)展，近些年企業(yè)通過自主研發(fā)和消化吸收，電動機、風機、泵、壓縮機等相關產業(yè)的產品性能、質量有了顯著提高，對推動電機系統(tǒng)的節(jié)能工作起了很大的促進作用。但與發(fā)達國家相比，我國的電機系統(tǒng)尚存在很大的節(jié)能潛力和技術升級空間，主要表現(xiàn)如下:

(1)電動機和被拖動設備效率低。

我國生產和在用的電動機以Y系列為主，占據(jù)了近90%的市場份額，其效率平均值為87.3%。美國高效電動機效率平均值為90.3%，該效率為美國能源政策法令所規(guī)定的市場準入水平，美國超高效電機的效率平均值為91.7%。我國Y系列電動機效率比美國等先進國家的高效水平平均低3%，比美國超高效水平平均低4.4%。雖然目前國內已有40多家企業(yè)能夠生產高效電動機，但高效電動機的市場規(guī)模依然較小，僅占整個市場的10.4%，且相當一部分高效電動機出口海外，真正的國內需求較少。

風機、泵、壓縮機產品效率比國外先進水平低2%～4%，雖然設計水平與國外先進水平相當，但制造技術和工藝有差距。

(2)系統(tǒng)運行效率低。系統(tǒng)匹配不合理，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴重，設備長期低負荷運行。系統(tǒng)調節(jié)方式落后，大部分風機、泵類采用機械節(jié)流方式調節(jié)，效率比調速方式約低30%。電機系統(tǒng)就運行效率而言要比國外先進水平低10%～20%。

(3)節(jié)能技術和裝備水平相對落后。

電機傳動調速及系統(tǒng)控制技術與國外相比差距較大，電力電子變頻調速技術與國際先進水平相差5～10年，國外變頻調速技術和產品主導我國電機系統(tǒng)市場，采用IGBT/IGCT電力電子器件的高壓變頻器及技術主要靠國外進口，價格較貴;而且，安全可靠性方面還有待進一步提高，企業(yè)不愿承擔經濟和技術風險。因此，采用變頻調速的電機系統(tǒng)仍為少數(shù)，不到總量的10%。

根據(jù)美國和歐盟電機挑戰(zhàn)計劃，以及近年來在進行的大量電機系統(tǒng)節(jié)能測試評估和節(jié)能改造項目的經驗，空氣壓縮機系統(tǒng)的節(jié)能潛力多為10%～50%，泵系統(tǒng)的節(jié)能潛力為20% ～40%，風機系統(tǒng)的節(jié)能潛力為20%～60%。由于這三個系統(tǒng)就占了全國耗電量的40.7%，因此開展電機系統(tǒng)節(jié)能對我國“十一五”期間單位GDP能耗下降20%的節(jié)能目標，實現(xiàn)建設節(jié)約型企業(yè)、發(fā)展循環(huán)經濟和清潔生產的任務具有重要意義。

2 各國電機系統(tǒng)節(jié)能推進措施和項目

由于電機系統(tǒng)耗電在世界各國均占有相當大的比重，隨著能源形勢的日益緊張，世界各國，特別是發(fā)達國家均開展了電機系統(tǒng)節(jié)能工作。美國于1999年起動了“電機挑戰(zhàn)計劃”，美國能源部成立了工業(yè)技術辦公室，專門致力于開展電機系統(tǒng)節(jié)能的推進，開發(fā)了大量有關泵、風機和空壓機系統(tǒng)節(jié)能的技術資料和MotorMater、PSAT、FSAT、AirMaster等進行系統(tǒng)分析的軟件，并專門成立專家組和工業(yè)評估中心，為企業(yè)提供技術培訓、節(jié)能評估和開發(fā)示范項目等服務。

歐盟也于2003年起動了“電機挑戰(zhàn)計劃”，促進其電機系統(tǒng)節(jié)能工作的開展。除此之外，歐美等發(fā)達國家還通過制定相關的財稅政策，利用合同能源管理等市場機制來推動企業(yè)實施電機系統(tǒng)節(jié)能項目。

在聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織(UNIDO)的支持下，我國于2001年底以上海市和江蘇省為試點，實施了為期3年的中國電機系統(tǒng)節(jié)能項目。其目的是將美國電機挑戰(zhàn)計劃的成功經驗引入我國，通過專家培訓、企業(yè)技術人員培訓、現(xiàn)場測試評估、開發(fā)示范項目等措施，提高我國電機系統(tǒng)節(jié)能評估和實施項目的能力。在項目期間，上海市節(jié)能服務中心于2002年6月成功完成了上海第一個以合同能源管理方式實施的節(jié)能改造項目，通過對上海新亞藥業(yè)有限公司循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能改造，節(jié)能量超過60%。接下來通過項目復制完成了上海虹港大酒店、永安百貨、上海南方商城等中央空調系統(tǒng)的系統(tǒng)節(jié)能改造，節(jié)能效果均非常顯著。

2005年6月，在聯(lián)合國開發(fā)署(UNDP)和全球環(huán)境基金(GEF)的支持下，我國起動了為期12年的終端能效項目，項目中涉及到電機系統(tǒng)的子項目有C01(開發(fā)電機系統(tǒng)節(jié)能培訓教材)、A06(制定和示范實施現(xiàn)有和新增電機系統(tǒng)優(yōu)化設計準則)、A07(電機系統(tǒng)節(jié)能服務機構的能力建設)和A15(企業(yè)電機系統(tǒng)節(jié)能的培訓和教育)4個子項目，具體如下:

(1)C01子項目的工作任務是開發(fā)電機系統(tǒng)節(jié)能培訓教材，作為國家和地方節(jié)能中心開展電機系統(tǒng)節(jié)能的培訓教材。培訓對象為政府主管節(jié)能管理人員、企業(yè)節(jié)能管理工程技術人員和能源服務機構的工程技術人員等。

(2)A06子項目的工作目標是:根據(jù)目前國內電機系統(tǒng)設計的特點，在廣泛征求設計院、高校、研究所、電機制造商意見的基礎上，制定新增和現(xiàn)有電機系統(tǒng)優(yōu)化設計準則，并選擇4家設計院通過對其高級設計人員進行對新增和現(xiàn)有電機系統(tǒng)優(yōu)化設計準則的示范實施。

(3)A07子項目的目標是通過國際專家對四家節(jié)能服務機構(上海市節(jié)能服務中心，江蘇省節(jié)能服務中心，北京動力源科技股份有限公司，湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司)技術人員的技術培訓，全面提升四家節(jié)能服務機構在風機系統(tǒng)、泵系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)和高效電機等節(jié)能服務方面的能力，再通過這些機構為企業(yè)提供有針對性的、高質量的電機系統(tǒng)節(jié)能培訓和服務，促進企業(yè)加強電機系統(tǒng)節(jié)能管理和實施節(jié)能項目，不斷提高電機系統(tǒng)的運行效率和能源利用水平，實現(xiàn)顯著的經濟效益和環(huán)境效益。

(4)A15的主要目的是根據(jù)C01子項目編寫出的電機系統(tǒng)節(jié)能培訓教材，選擇6個省級節(jié)能中心，對其轄區(qū)政府主管節(jié)能管理人員、企業(yè)節(jié)能管理工程技術人員和能源服務機構的工程技術人員進行技術培訓。

除此之外，國家能源標準化委員會近兩年還修訂了電機系統(tǒng)的產品能效限定值和節(jié)能評價值標準、電機系統(tǒng)的經濟運行標準、監(jiān)測標準等相關標準，并制定了電動機的能效標識，從標準制定上促進我國電機系統(tǒng)節(jié)能技術的推進。

國家“節(jié)能中長期規(guī)劃”中明確電機系統(tǒng)節(jié)能是我國十大重點節(jié)能工程之一，為了推進其開展，我國相關部委積極研究制定相關的財稅政策和市場機制來推進電機系統(tǒng)節(jié)能工作。上海從2007年就開始了節(jié)能技改項目的獎勵政策，規(guī)定節(jié)能量折算成標準煤超過500 t的項目，每噸標準煤按照300元進行補貼。同時，對以合同能源管理方式實施的項目，且符合相關條件的，對合同能源管理公司進行一定的前期節(jié)能診斷補貼。

3 電機系統(tǒng)節(jié)能潛力分析方法

電能在電機系統(tǒng)的流向依次為電機起動器、供電線路、電機速度控制裝置、電動機、聯(lián)軸器、拖動設備(泵、風機等)、流體系統(tǒng)，一直到終端負載，每個環(huán)節(jié)均有效率損失。因此，電機系統(tǒng)節(jié)能的目的是要達到整個系統(tǒng)效率的提高，它不僅追求電機和拖動設備等每個環(huán)節(jié)效率的最大化，而且要達到整體效率的最大化。由于電機系統(tǒng)是服務于終端負載的，因此對電機系統(tǒng)節(jié)能潛力的分析應與電能的流向相反，以終端負載為起點進行逆向分析。具體如圖1所示。

圖1 電機系統(tǒng)電能流向和節(jié)能分析方向圖

目前，針對電機系統(tǒng)節(jié)能可以選擇的節(jié)能技術有很多，但并不是每一項節(jié)能技術用在任何一個系統(tǒng)中都會起到很好的節(jié)能效果。提高電機系統(tǒng)效率的最有效方法就是應用系統(tǒng)的方法對系統(tǒng)進行評估，不僅需要分析系統(tǒng)的供應端和使用端，還要分析兩者之間的相互作用，把關注的重點從單一設備轉移到整個系統(tǒng)。典型的系統(tǒng)分析方法通常需要進行以下工作:(1)分析當前的工藝生產需求，以及未來的生產發(fā)展需求;(2)了解系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)和參數(shù);(3)收集系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)并對其進行分析;(4)提出替代的系統(tǒng)設計方案和改進;(5)對潛在的節(jié)能方案進行比較，確定技術上最可行、投資回報最合理的方案;(6)對確定的方案進行實施;(7)繼續(xù)檢測和優(yōu)化系統(tǒng);(8)繼續(xù)運行并維護系統(tǒng)，保證系統(tǒng)高效運行。

4 電機系統(tǒng)節(jié)能技術

對于電機系統(tǒng)節(jié)能，可用的節(jié)能技術和措施，總的來講可分為以下兩類:

(1)提高系統(tǒng)中單臺設備的運行效率。如選用高效低耗的機電設備，電動機加裝節(jié)能控制器，更換裕量過大的設備，開展有效的設備運行管理等。提高設備效率的本質在于降低設備自身的損失，當系統(tǒng)已經比較符合節(jié)能要求時，只要對這些設備進行簡單的更換調整，就可使系統(tǒng)成為一個較佳系統(tǒng)，收到良好的節(jié)能效果。但提高單體設備效率在技術上畢竟有限，對一個具體系統(tǒng)來說，其實際帶來的經濟效益往往不是很可觀。

(2)系統(tǒng)改造。若在對系統(tǒng)進行分析時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)因結構不合理、設備不配套、調節(jié)方式不恰當?shù)榷鴮е孪到y(tǒng)低效率運行時，則需要對其進行系統(tǒng)改造。系統(tǒng)改造的目的在于如何使總的輸入能量盡量降低，輸出能量盡量提高，以及盡可能多地回收能量，而較少考慮單臺設備本身的效率。如改變工藝流程結構、選擇合適的調節(jié)方法、減少調節(jié)損失;改變操作條件、確定最佳運行參數(shù)、使設備發(fā)揮最大效能;調整系統(tǒng)結構和設備的組合方式、合理配套，降低不必要的能耗等。

對于一個具體的電機系統(tǒng)節(jié)能改造項目，可能有多個節(jié)能技術方案可供選擇。需要強調指出的是，節(jié)能改造技術方案的最終確定，不可簡單地根據(jù)各可選方案的節(jié)能效果來決斷，也不可因片面追求節(jié)能效果，而不考慮經濟收益、產品產量和質量及工作環(huán)境等情況。應該根據(jù)有關經濟原則，綜合考慮產品的產量和質量、環(huán)境條件、技術的復雜程度和可靠性等多種因素，在此基礎上對各方案進行技術經濟綜合評估，并確定最終的、最佳的節(jié)能改造技術方案。

5 示范項目

上海市節(jié)能服務中心近年來一直致力于電機系統(tǒng)節(jié)能項目的前期評估和示范項目，在實施電機系統(tǒng)節(jié)能項目和終端能效項目期間，吸收國外成功的系統(tǒng)測試診斷評估的經驗，完成了約300個風機、泵和空氣壓縮機系統(tǒng)的測試評估工作，基本上包含了上海市的工業(yè)、商業(yè)和市政領域的電機系統(tǒng)，其中很多項目得到了成功實施。比較有代表性的節(jié)能項目如表1所示。

表1 有代表性的電機系統(tǒng)節(jié)能項目表

6 結語

通過上述分析可以看出，電機系統(tǒng)雖然在電力消耗中占據(jù)較大的比重，但具有非常大的節(jié)能潛力和復制性，已成為國內外政府和企業(yè)關注的重點。要在我國全面推進電機系統(tǒng)節(jié)能工作，需要政府主管部門、企業(yè)、供應商、節(jié)能評估機構和第三方節(jié)能檢測機構等多方共同努力。上海市從2009年開始重點推進電機系統(tǒng)的節(jié)能，起動了年耗電量500萬kWh以上重點耗電企業(yè)的電能平衡工作，通過整合系統(tǒng)節(jié)能潛力評估機構平臺、供應商平臺、第三方節(jié)能量檢測機構平臺，對企業(yè)進行節(jié)能工作提供前期節(jié)能診斷、中期節(jié)能改造和后期節(jié)能量認證的整個過程進行支持，這無疑將對企業(yè)降本增效、節(jié)能減排和發(fā)展循環(huán)經濟起到非常重要的推動作用。

［1］中國電機系統(tǒng)節(jié)能項目組.中國電機系統(tǒng)能源效率與市場潛力分析［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［2］中國節(jié)能協(xié)會節(jié)能服務產業(yè)委員會.電機系統(tǒng)節(jié)能實施手冊［G］.2008.

［3］國際銅業(yè)協(xié)會.電機系統(tǒng)節(jié)能培訓教材［G］.2008.