產業領域節能化的未來和創新

石 原

日本節能中心國際協力部

產業領域節能化的未來和創新

石 原

日本節能中心國際協力部

基于日本對用能單位實施等級評價是節能政策中作為促進能源管理的措施之一，產業綠色化的重要要素有節能工廠和智能工廠，通過不同工廠之間的能源調配實現節能管理。

產業綠色化；工廠合作；節能管理

1 產業綠色化和節能工廠

產業的綠色化是多方面的，其中之一是環境方面，即實現低環境負荷型產業。例如，能在大氣污染和節能的境界發揮作用并具有高能效和高環境性能的鍋爐的普及等，就是該領域的重要課題之一。而且，從制造業的觀點出發，生產低環境負荷型產品，是綠色產業的重要任務。如開發和生產節能性高的LED照明，就鋼鐵領域而言，開發和生產能源損耗較少的電磁鋼板等也是重要的課題。

產業綠色化的另一個重要要素是節能工廠。在產業領域，為了控制能源消費量，構建高能效產業而正在推動研發和開展相關活動。本文將介紹面向節能工廠的技術和開展的相關活動。

如圖1所示，發展節能工廠需要明白兩個觀點。一是通過實現與生產直接關聯的節能從而提高整個生產工藝的能效；二是實現充分應用IoT（internet of things）的智能工廠。在綜合性地改善和分析生產系統的基礎上，實現充分應用IoT的智能工廠。

圖2是FEMS的定位示意圖，圖2中上方是智能電網的形象圖。隨著信息技術的發展，能源的供應和消費的構成要素之間的關系今后將更為密切。預計工廠內部也將推動應用IoT，并作為FEMS（factory energy management system）而得到發展。FEMS應看成是實現優化生產日程安排及其能耗的系統。是作為包含優化生產日程安排、優化品質等在內的系統發揮作用，是BEMS（building energy management system）所不具備的產業領域的獨自功能。而且，FEMS基于管理理論，是具有可實現循環改善框架的系統。

圖1 與生產直接關聯的節能和智能工廠

介紹幾個事例。例如，以圖3的e-F@actory（三菱電機）概念為基礎，通過可以實現一次數據處理的邊緣計算，使生產現場與IT系統相連接，實現以可視化為基礎的整個工廠的綜合優化。在該公司的名古屋制作所和福山制作所已經具體地應用了e-F@actory。在實施e-F@actory的事例中，就能源而言，例如電流、電能、單位耗電等得到了管理，而且不僅僅停留于單純的能源指標，生產信息、生產線的錯誤信息（頻繁停機）也通過系統得到了管理，實現了高效生產。該系統功能還可應對各種能源的計測、采集和課題的發現、分析改善的PDCA循環管理，開展充分應用該功能的節能活動，在削減電力消費等方面獲得了顯著的效果。

作為其他系統的事例，還有富士通開發的系統（如圖4所示），該系統將生產線的可視化作為重要課題，共享大量的設備信息、設備維護信息、生產日程安排信息，改善了管理。據報告稱，在該公司的島根工廠充分應用該系統功能，在應對生產中需修理產品的修理工藝中，由于系統掌握了位置信息、生產管理信息，提高了直至出廠的作業流程效率，實現了包括能耗在內的生產整體的高效化。另外，由富士電機開發的系統，還可應對能源管理循環，具備可視化、分析（一目了然化）、優化等功能。可視化、分析、預測和優化是如圖5所示的階段性程序。

圖2 FEMS的定位

2 開發和實現與生產直接關聯的節能技術

節能工廠是提高能效和生產效率的工廠，為了廣泛實現節能工廠，不僅要開發系統，開發與生產直接關聯的節能也至關重要。與生產直接關聯的節能技術，作為日本的優秀表彰事例而公諸于世，現在介紹幾個表彰事例。

圖3 三菱電機FA統合綜合解決方案e-F@actory的概念圖

圖4 e-F@actory生產線的可視化

（1）在松下的山形工廠（鏡片工廠）事例中，通過可視化的分析和改善、通過LED、熱電轉換等節減能耗，提高了沉積工藝的生產效率，還開發了可削減能耗25%的高效鏡片成形機，將整個工廠的生產工藝革新為節能型（松下山形工廠:榮獲節能大獎，被選為日本TOP 10優秀事例）。

（2）工廠之間通過相互合作，充分應用尚未被利用的LNG冷熱能而實現了顯著節能（三井化學、大阪石油化學、大阪燃氣:榮獲節能大獎，被選為日本TOP 10優秀事例）。乙烯生產設備在分離和精制產品乙烯時需要制冷機，使用已經研發成功的技術，通過組合制冷壓縮機、透平膨脹機，確立了即使向乙烯生產設備供應的天然氣量發生變化，也能確保必要的冷熱能的系統。

（3）通過在不同工廠之間的能源調配實現節能的事例以及用氨循環的方式將低位廢熱（300℃）用于發電實現節能的事例（住友化學、富士石油、千代田化工：榮獲優秀節能機器獎、被選為日本TOP 10優秀事例）。把在各種溫度領域使用熱能的各個化學工廠和石油精制工廠視為一個工廠，優化對熱能的利用。對最佳的熱傳遞分析采用了夾點技術（Pinch Technology）。設置傳熱管道和綜合能源監視系統，實現了最佳的熱傳遞，并將降低成本的效果在工廠之間進行合理分配。

（4）高效利用熱能有三個重點內容，即積極利用廢熱，合理調整熱能供應溫度（可使用低位熱能的地方不使用高位熱能），防止傳熱損耗。在大量使用蒸汽的石油精制工廠，通過精密診斷蒸汽泄漏、更新和管理疏水閥，防止因設備老化而導致效率下降，因而大幅度地減少了能耗（新日本石油室蘭·水島制油所、TLV公司：榮獲節能大獎，被選為日本的TOP 10優秀事例）。

（5）熱電聯產具有因綜合效率高、發電資源多重化從而提高能源供應穩定性等長處，日本的熱電聯產雖有增加趨勢，但如果不能有效利用產生的熱能，反而會使效率下降。于是開發了使用FEMS合理產生熱能和電能的系統。

上面列舉了幾個重要的技術事例，這些技術的特點是，分析工廠整體能源消費實現優化，而且不局限于一個工廠，融合相鄰工廠作為一個整體提高能效。此外還有將發電廠的熱能用于其他公司而提高了工廠地區全體能效的技術，通過緊湊型工廠同時提高生產效率和能效等，這些把生產與能效直接相聯的技術得到開發和應用。

另外如圖6所示，在屬于多能耗產業的鋼鐵領域，日本在煉鐵和煉鋼的工藝流程中開發了許多節能技術，提高了生產性，并普及推廣了在實際設備上的應用。還有CDQ（coke dry quench）等已在中國普及推廣的技術。今后將推動采用有效利用排熱的大型節能技術，期待為推進節能和環保作出貢獻。

在這些技術中，SCOPE 21是作為日本政府的項目而開發的，該技術縮短了煉焦時間，擴大了對低品位原料碳的利用，獲得了顯著的節能效果?，F在已開始在實際設備上采用該技術。

圖5 可視化、分析、預測和優化

3 不斷發展的節能技術

開發和普及有助于推進實現智能工廠的通用節能技術也很重要。

（1）可期待成為這種通用節能技術的設備就是熱泵。熱泵技術業已應用于各個領域，在商務和家庭領域已經開發并使用COP（性能系數）為6～7的非常高效的設備。產業領域也期待通過熱泵來有效利用熱能。產業界有效利用熱能的關鍵是采用高溫領域的大容量熱泵，目前正在推動研發。

圖7是產業領域積極有效利用熱泵的事例之一。在食品生產中，在需要冷卻的工藝和需要加熱的工藝之間通過熱泵傳熱而實現了節能。

（2）蓄熱式燃燒裝置是在工業爐領域開發的具有飛躍性節能效果的設備之一。表示鋼鐵生產工藝節能技術的圖6也標示了蓄熱式燃燒器加熱爐，這是使鋼鐵加熱爐大幅度地實現了節能的技術，不僅限于鋼鐵生產，還廣泛地削減了工業爐的能耗。

蓄熱式燃燒裝置是將Ceramics Honey-Comb（蜂窩陶瓷）和Ceramics Ball（陶瓷球）等蓄熱體組裝于排氣及供氣系統內的一對燃燒器，反復進行通過輪換燃燒和排熱的蓄熱（輪換燃燒），將排熱作為第二熱源來使用，可實現高能效的燃燒。

為了將這一高效利用排氣的系統合理應用于工業爐，如圖8所示，分析工業爐的能源使用和平衡至關重要。根據這一分析，還可以正確預測設置蓄熱式燃燒裝置的效果。而且根據實際情況，不單單設置蓄熱式燃燒裝置，再配合變更加熱模式等其他措施，可以制定最佳應對措施。

圖6 鋼鐵的生產工藝和研發并付諸實施的節能技術（出處：日本鐵鋼聯盟）

圖7 產業用熱泵的應用舉例（減少能耗28%）

（3）超越以往更多的有效利用廢熱，可實現大規模的節能，這是重要的技術課題，現正在大量開發技術和計劃積極應用。上述的產業用熱泵、使用低位廢熱的發電裝置和廢熱回收鍋爐等也是可有效利用廢熱的設備。而且將低壓蒸汽再生為高壓蒸汽的裝置也可防止產生廢熱，是為有效利用熱能而開發的技術，今后可望得到普及。

在石油精煉工廠，屬于主要設備的蒸餾塔將具有高溫能源潛力的餾出側的顯熱回收至具有低溫能源潛力的原料側，以此減少加熱爐的能耗。在石油精煉工廠為有效利用能源而大量設置了熱交換器，但這些熱交換的合理性及其效率將決定設備整體的能效高低。因此必須根據正確的分析，實現最佳熱交換及維持其性能。

圖8 改善工業爐的能效

圖9 能源管理和節能工廠

4 智能工廠和能源管理

智能工廠和FEMS是指包含能源管理循環在內的系統。如圖9所示，能源管理設置了目標，為了達標，分析工廠和工藝，尋求改善可行性的過程就是能源管理。以此實現的結果和管理過程成為實現智能工廠的要素。

基于節能法推動對工廠等用能單位實施等級評價是日本的節能政策中作為促進能源管理的措施之一。采用標桿值、改善率、能源管理水平等級等指標，通過實施分為S、A、B、C等的等級評價（S是最優秀的等級）、公布、指導等，推動工廠等的節能管理和節能開發。

表1是日本節能法中的產業界各行業的目前標桿值，是否已達到標桿值是等級評價的重要指標。在充實節能法制度、充實對節能技術的支援措施和獎勵措施的同時，還采用標桿值明確標示各工廠目前所處的位置。

應用這些指標，可以知道自己的等級，這對面向節能工廠實現積極應用節能技術和提高技術水平意義重大。

Future and Innovation of Industry Energy Conservation

Ishihara
Japanese Energy Saving Center International Coordination Department

The article is based on implementing level evaluation of energy-using unit as one of measures promoting energy management in Japanese energy-saving policies. Green industry has several important elements, including energy-saving factory and intelligent factory. Achieving energysaving management through deploying energy between different factories.

Green Industry, Factory Cooperation, Energy Saving Management

表1 產業界各行業的標桿值

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.12.007