高效電機(jī)系統(tǒng)在節(jié)能診斷中的應(yīng)用

張慶環(huán)， 王旭明， 王 婧

（1.物資節(jié)能中心， 北京100037； 2.機(jī)械工業(yè)節(jié)能與資源利用中心， 北京 100053）

0 引言

我國(guó)經(jīng)過(guò)幾十年的快速發(fā)展，建立了門(mén)類(lèi)齊全的工業(yè)體系，成為名副其實(shí)的工業(yè)大國(guó)。 但是我們必須清醒地看到，工業(yè)化的快速大規(guī)模推進(jìn)，也消耗了大量的資源和能源，2018 年，中國(guó)能源消費(fèi)總量46.4 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中工業(yè)能耗占70%左右[1]。 電機(jī)作為工業(yè)企業(yè)中使用量最大、涉及面最廣的重點(diǎn)用能設(shè)備，用于拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)、壓縮機(jī)等裝置，其耗電量占我國(guó)工業(yè)耗能的70%左右[2]，但電機(jī)及電機(jī)系統(tǒng)整體運(yùn)行效率普遍偏低。 因此，加快推廣開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等高效電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，提升電機(jī)系統(tǒng)整體運(yùn)行效率，對(duì)我國(guó)做好碳達(dá)峰、碳中和工作，實(shí)現(xiàn)“2030 年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，加快企業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1 我國(guó)高效電機(jī)系統(tǒng)存在的問(wèn)題

高效電機(jī)市場(chǎng)占有率偏低， 電機(jī)和拖動(dòng)設(shè)備效率較低。 從國(guó)家惠民工程實(shí)施情來(lái)看，我國(guó)高效電機(jī)的市場(chǎng)占有率已從實(shí)施前不足5%提高到25%左右[3]，但高效電機(jī)的市場(chǎng)占有率仍然偏低。 據(jù)了解，電機(jī)市場(chǎng)銷(xiāo)售的部分電機(jī)產(chǎn)品（如：泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等）效率與國(guó)外先進(jìn)水平仍有一定差距，主要根節(jié)在于企業(yè)工藝制造水平的高低。 因此， 推廣應(yīng)用高效電機(jī)及改進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)具有十分巨大的節(jié)能。

電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率較低。 多數(shù)企業(yè)的電機(jī)系統(tǒng)以滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝需求為最終目標(biāo)， 常存在電機(jī)系統(tǒng)匹配不合理、“大馬拉小車(chē)”等現(xiàn)象[4]，電機(jī)系統(tǒng)長(zhǎng)期處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀態(tài)，在一定程度上造成了能源低效利用的問(wèn)題。

終端使用者缺乏節(jié)能意識(shí)。在工業(yè)企業(yè)中，終端使用者重點(diǎn)關(guān)注煤炭、天然氣等能源利用情況，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行管理比較粗放，對(duì)電機(jī)節(jié)能技術(shù)了解不多，較多電機(jī)系統(tǒng)處于非合理運(yùn)行區(qū)間。

電機(jī)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用復(fù)雜，缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。目前用戶(hù)企業(yè)對(duì)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)了解較少， 對(duì)節(jié)能技術(shù)的適用范圍了解不足，普遍存在“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能就是更換高效電機(jī)或者加變頻器”的誤區(qū)[3]，應(yīng)制訂電機(jī)系統(tǒng)先進(jìn)適用節(jié)能技術(shù)和裝備應(yīng)用、評(píng)估測(cè)試等方面標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)企業(yè)因地制宜地實(shí)施電機(jī)系統(tǒng)改造。

2 電機(jī)系統(tǒng)政策梳理

2006 年，國(guó)家發(fā)展改革委印發(fā)《“十一五”十大重點(diǎn)節(jié)能工程實(shí)施意見(jiàn)》，將電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程納入十項(xiàng)重點(diǎn)節(jié)能工程，每年安排一定的資金給予支持。 自2010 年6 月，國(guó)家發(fā)展改革委聯(lián)合財(cái)政部先后發(fā)布了《“節(jié)能產(chǎn)品惠民工程”高效電機(jī)推廣目錄（第1-6 批）》，采取財(cái)政補(bǔ)貼的方式推廣高效電機(jī)設(shè)備。 2009 年起， 工業(yè)和信息化部發(fā)布了《高耗能落后機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄（第1-4批）》，加大落后電機(jī)淘汰力度。發(fā)布《國(guó)家工業(yè)節(jié)能技術(shù)裝備推薦目錄（2017-2020）》、《“能效之星”目錄（2013-2020）》，將高壓三相異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)、中小型三相異步電動(dòng)機(jī)等高效電機(jī)設(shè)備納入目錄， 積極推廣應(yīng)用高效節(jié)能電機(jī)設(shè)備，引導(dǎo)綠色生產(chǎn)和綠色消費(fèi)。

3 節(jié)能診斷服務(wù)工作綜述

2019 年5 月，工業(yè)和信息化部印發(fā)了《工業(yè)節(jié)能診斷服務(wù)行動(dòng)計(jì)劃》[5]，提出每年對(duì)3000 家以上重點(diǎn)企業(yè)實(shí)施節(jié)能診斷服務(wù)，培育一批節(jié)能診斷服務(wù)機(jī)構(gòu)，制修訂一批重點(diǎn)行業(yè)節(jié)能診斷標(biāo)準(zhǔn)， 重點(diǎn)支持能源管理薄弱企業(yè)開(kāi)展全面診斷，引導(dǎo)重點(diǎn)用能企業(yè)開(kāi)展局部診斷。此項(xiàng)工作得到了各地區(qū)工信主管部門(mén)、有關(guān)行業(yè)協(xié)會(huì)、大型企業(yè)集團(tuán)的積極響應(yīng)，2019 年， 組織北京聯(lián)合智業(yè)認(rèn)證有限公司、 北京和碳環(huán)境技術(shù)有限公司等200 余家節(jié)能診斷服務(wù)機(jī)構(gòu)為全國(guó)輕工、建材、石化化工、有色、紡織、電子、電力熱力、機(jī)械等行業(yè)的4400 余家企業(yè)實(shí)施了節(jié)能診斷服務(wù)，涉及能源消費(fèi)總量約4.65 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，累計(jì)提出節(jié)能改造措施建議7930 項(xiàng)[6]， 對(duì)工業(yè)企業(yè)的32451 臺(tái)風(fēng)機(jī)、9081 臺(tái)空壓機(jī)、49364 臺(tái)水泵、2665 臺(tái)燃煤和燃?xì)忮仩t進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，針對(duì)性提出變頻改造、淘汰落后設(shè)備、更換高效設(shè)備、余熱回收利用等節(jié)能改造建議措施，包括：電機(jī)類(lèi)852 項(xiàng)、空壓機(jī)類(lèi)469 項(xiàng)、水泵類(lèi)208 項(xiàng)、風(fēng)機(jī)類(lèi)310項(xiàng)，若全部建議改造完成后，有利于全面提升企業(yè)的能效和節(jié)能管理水平。

4 電機(jī)系統(tǒng)主要節(jié)能改造途徑

電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造建議措施可分為兩類(lèi)[2]。

4.1 電機(jī)本體節(jié)能

電機(jī)本體節(jié)能即提高電機(jī)本體設(shè)備的運(yùn)行效率。如選用高效電機(jī)系統(tǒng)設(shè)備、加裝節(jié)能控制器、實(shí)施設(shè)備精細(xì)化管理等。提高單臺(tái)設(shè)備的效率對(duì)電機(jī)系統(tǒng)而言，其實(shí)際帶來(lái)的節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益比較有限。

4.2 電機(jī)系統(tǒng)整體改造

電機(jī)系統(tǒng)整體改造。 通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行記錄、維護(hù)記錄、相關(guān)測(cè)試報(bào)告等資料，采用定性與定量的方法，評(píng)估系統(tǒng)整體運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)匹配不合理、調(diào)節(jié)方式落后等問(wèn)題，針對(duì)性實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造。如優(yōu)化工藝流程，確定最佳參數(shù)，使電機(jī)系統(tǒng)處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間，減少不必要的損耗等。

5 應(yīng)用分析

5.1 電機(jī)系統(tǒng)診斷規(guī)程

根據(jù)企業(yè)主要用能設(shè)備運(yùn)行情況， 對(duì)電機(jī)拖動(dòng)的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、泵系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)等裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)診斷測(cè)試。

（1）明確診斷邊界。邊界應(yīng)涵蓋電機(jī)、控制裝置、傳動(dòng)裝置、拖動(dòng)設(shè)備、管網(wǎng)及組件等部分，具體劃分由節(jié)能診斷服務(wù)機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)或管理方共同商定，見(jiàn)圖1。

圖1 電機(jī)系統(tǒng)示意圖

（2）收集診斷信息。 收集電機(jī)系統(tǒng)的基本信息，做好現(xiàn)場(chǎng)診斷測(cè)試準(zhǔn)備工作。 也可以借助座談、實(shí)地調(diào)查、抽樣調(diào)查等方式，收集相關(guān)信息。 相關(guān)資料包括：系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料；設(shè)備臺(tái)賬（包括系統(tǒng)邊界內(nèi)的器件清單）；相關(guān)測(cè)試、評(píng)價(jià)、驗(yàn)證報(bào)告、操作規(guī)程、運(yùn)行記錄、維護(hù)記錄等技術(shù)資料；節(jié)能改造證明文件及其他等支持性文件。

（3）開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)診斷。 從設(shè)計(jì)水平、基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備能效、傳動(dòng)方式、管理制度、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、節(jié)能監(jiān)測(cè)以及優(yōu)化和改造等方面，對(duì)電機(jī)及拖動(dòng)裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)診斷測(cè)試。

（4）形成測(cè)試報(bào)告。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理分析，明確電機(jī)系統(tǒng)邊界，評(píng)估系統(tǒng)實(shí)際年度能耗，測(cè)算系統(tǒng)能效指標(biāo)，評(píng)價(jià)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行情況，給出具有針對(duì)性的節(jié)能改造建議措施。

5.2 應(yīng)用案例分析

（1）邯鄲金隅太行水泥股份有限責(zé)任公司500kW 煤磨直驅(qū)改造[7]。

改造前電機(jī)系統(tǒng)情況： 原有的太行水泥5# 煤磨電機(jī)系統(tǒng)具有系統(tǒng)傳動(dòng)節(jié)點(diǎn)多、 傳動(dòng)鏈長(zhǎng)、 故障率較高、傳動(dòng)效率較低，生產(chǎn)成本、安裝成本和維護(hù)成本偏高等問(wèn)題。

節(jié)能改造建議措施： 建議其采用先進(jìn)的變頻器加永磁直驅(qū)電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水阻啟動(dòng)柜+主電動(dòng)機(jī)+對(duì)輪+減速機(jī)+輔傳減速機(jī)+輔傳電機(jī)。

節(jié)能減排效果： 實(shí)施改造完成后，5# 煤磨主電機(jī)電耗由26.25kW·h/t，降為21.17kW·h/t，減少5.08 kW·h/t，主電機(jī)平均功率由424.68 kW 降為368.39kW，降低56.29kW。預(yù)計(jì)年節(jié)電約56.29 萬(wàn)kW·h，折合191.4tce/a，減少CO2排放516t/a。

（2）首鋼股份有限公司遷安鋼鐵分公司電機(jī)系統(tǒng)改造項(xiàng)目[7]。

改造前電機(jī)系統(tǒng)情況：原有泵電機(jī)、風(fēng)機(jī)電機(jī)等9 臺(tái)設(shè)備老舊，能耗較高，智能化程度偏低，設(shè)備運(yùn)行可靠性較低，生產(chǎn)成本、安裝成本和維護(hù)成本偏高。

節(jié)能改造建議措施：建議其使用智能電機(jī)系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有的電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、控制系統(tǒng)，提升電機(jī)系統(tǒng)智能化水平。

該系統(tǒng)具有特點(diǎn)：①起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小；②調(diào)速范圍廣，高效運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍寬；③電機(jī)本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠性高；④可控參數(shù)多，參數(shù)最優(yōu)組合靈活，采用電流環(huán)、速度環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)等多環(huán)控制模式；⑤在保證工況所需電機(jī)輸出功率下， 實(shí)現(xiàn)輸出扭矩/電流比值最大化，系統(tǒng)可自動(dòng)匹配和工況最適應(yīng)的狀態(tài)， 保證工況適應(yīng)的條件下最優(yōu)輸出。

（3）節(jié)能減排效果。 實(shí)施改造完成后，依據(jù)設(shè)備額度功率運(yùn)行，每年按8000h 統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)年節(jié)電150 萬(wàn)kW·h，折合510tce/a，減少CO2排放1377t/a。

6 結(jié)束語(yǔ)

加強(qiáng)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)的交流培訓(xùn)。 對(duì)接節(jié)能診斷服務(wù)機(jī)構(gòu)、工業(yè)企業(yè)需求，針對(duì)電機(jī)節(jié)能改造中遇到的問(wèn)題和困難，重點(diǎn)圍繞有關(guān)法律法規(guī)、產(chǎn)業(yè)政策、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面，組織行業(yè)協(xié)會(huì)、科研院所、大型企業(yè)等機(jī)構(gòu)專(zhuān)家，開(kāi)展高效電機(jī)專(zhuān)項(xiàng)培訓(xùn)。

開(kāi)展有針對(duì)性的專(zhuān)項(xiàng)節(jié)能診斷。統(tǒng)籌規(guī)劃安排，按照“循序漸進(jìn)、分步實(shí)施”的原則，選取重點(diǎn)用能行業(yè)（鋼鐵、水泥、有色、建材等），依據(jù)行業(yè)的能耗特點(diǎn)、工藝流程、通專(zhuān)用設(shè)備等情況，開(kāi)展針對(duì)性的“專(zhuān)項(xiàng)診療服務(wù)”，推廣先進(jìn)適用的高效電機(jī)節(jié)能技術(shù)和裝備，幫助企業(yè)節(jié)能降耗、降本增效。

完善電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能診斷相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系。 對(duì)電機(jī)系統(tǒng)先進(jìn)適用節(jié)能技術(shù)裝備加以研究， 制修訂一批電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估等方面的標(biāo)準(zhǔn)， 編制高效電機(jī)及電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用指南與案例，提升節(jié)能診斷服務(wù)水平。

加大創(chuàng)新研發(fā)力度。 搭建電機(jī)等領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)和裝備產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)，結(jié)合綠色、低碳、智能、可持續(xù)發(fā)展的新要求，對(duì)接工業(yè)企業(yè)的需求，積極研發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的新技術(shù)、新裝備、新產(chǎn)品。