高效電機系統在節能診斷中的應用

張慶環， 王旭明， 王 婧

（1.物資節能中心， 北京100037； 2.機械工業節能與資源利用中心， 北京 100053）

0 引言

我國經過幾十年的快速發展，建立了門類齊全的工業體系，成為名副其實的工業大國。 但是我們必須清醒地看到，工業化的快速大規模推進，也消耗了大量的資源和能源，2018 年，中國能源消費總量46.4 億噸標準煤，其中工業能耗占70%左右[1]。 電機作為工業企業中使用量最大、涉及面最廣的重點用能設備，用于拖動風機、泵類、壓縮機等裝置，其耗電量占我國工業耗能的70%左右[2]，但電機及電機系統整體運行效率普遍偏低。 因此，加快推廣開關磁阻電機等高效電機系統節能技術，提升電機系統整體運行效率，對我國做好碳達峰、碳中和工作，實現“2030 年前二氧化碳排放達到峰值，2060 年前實現碳中和”的目標，加快企業綠色轉型和高質量發展具有重要意義。

1 我國高效電機系統存在的問題

高效電機市場占有率偏低， 電機和拖動設備效率較低。 從國家惠民工程實施情來看，我國高效電機的市場占有率已從實施前不足5%提高到25%左右[3]，但高效電機的市場占有率仍然偏低。 據了解，電機市場銷售的部分電機產品（如：泵、風機、壓縮機等）效率與國外先進水平仍有一定差距，主要根節在于企業工藝制造水平的高低。 因此， 推廣應用高效電機及改進電機系統具有十分巨大的節能。

電機系統運行效率較低。 多數企業的電機系統以滿足生產工藝需求為最終目標， 常存在電機系統匹配不合理、“大馬拉小車”等現象[4]，電機系統長期處于非經濟運行的狀態，在一定程度上造成了能源低效利用的問題。

終端使用者缺乏節能意識。在工業企業中，終端使用者重點關注煤炭、天然氣等能源利用情況，對電機系統的運行管理比較粗放，對電機節能技術了解不多，較多電機系統處于非合理運行區間。

電機節能技術應用復雜，缺乏相應的標準。目前用戶企業對電機系統節能技術了解較少， 對節能技術的適用范圍了解不足，普遍存在“電機系統節能就是更換高效電機或者加變頻器”的誤區[3]，應制訂電機系統先進適用節能技術和裝備應用、評估測試等方面標準，引導企業因地制宜地實施電機系統改造。

2 電機系統政策梳理

2006 年，國家發展改革委印發《“十一五”十大重點節能工程實施意見》，將電機系統節能工程納入十項重點節能工程，每年安排一定的資金給予支持。 自2010 年6 月，國家發展改革委聯合財政部先后發布了《“節能產品惠民工程”高效電機推廣目錄（第1-6 批）》，采取財政補貼的方式推廣高效電機設備。 2009 年起， 工業和信息化部發布了《高耗能落后機電設備（產品）淘汰目錄（第1-4批）》，加大落后電機淘汰力度。發布《國家工業節能技術裝備推薦目錄（2017-2020）》、《“能效之星”目錄（2013-2020）》，將高壓三相異步電動機、永磁同步電動機、中小型三相異步電動機等高效電機設備納入目錄， 積極推廣應用高效節能電機設備，引導綠色生產和綠色消費。

3 節能診斷服務工作綜述

2019 年5 月，工業和信息化部印發了《工業節能診斷服務行動計劃》[5]，提出每年對3000 家以上重點企業實施節能診斷服務，培育一批節能診斷服務機構，制修訂一批重點行業節能診斷標準， 重點支持能源管理薄弱企業開展全面診斷，引導重點用能企業開展局部診斷。此項工作得到了各地區工信主管部門、有關行業協會、大型企業集團的積極響應，2019 年， 組織北京聯合智業認證有限公司、 北京和碳環境技術有限公司等200 余家節能診斷服務機構為全國輕工、建材、石化化工、有色、紡織、電子、電力熱力、機械等行業的4400 余家企業實施了節能診斷服務，涉及能源消費總量約4.65 億噸標準煤，累計提出節能改造措施建議7930 項[6]， 對工業企業的32451 臺風機、9081 臺空壓機、49364 臺水泵、2665 臺燃煤和燃氣鍋爐進行現場測試，針對性提出變頻改造、淘汰落后設備、更換高效設備、余熱回收利用等節能改造建議措施，包括：電機類852 項、空壓機類469 項、水泵類208 項、風機類310項，若全部建議改造完成后，有利于全面提升企業的能效和節能管理水平。

4 電機系統主要節能改造途徑

電機系統節能改造建議措施可分為兩類[2]。

4.1 電機本體節能

電機本體節能即提高電機本體設備的運行效率。如選用高效電機系統設備、加裝節能控制器、實施設備精細化管理等。提高單臺設備的效率對電機系統而言，其實際帶來的節能及經濟效益比較有限。

4.2 電機系統整體改造

電機系統整體改造。 通過系統設計、運行記錄、維護記錄、相關測試報告等資料，采用定性與定量的方法，評估系統整體運行狀況，發現電機系統匹配不合理、調節方式落后等問題，針對性實施節能技術改造。如優化工藝流程，確定最佳參數，使電機系統處于經濟運行區間，減少不必要的損耗等。

5 應用分析

5.1 電機系統診斷規程

根據企業主要用能設備運行情況， 對電機拖動的風機系統、泵系統、空氣壓縮機系統等裝置進行現場診斷測試。

（1）明確診斷邊界。邊界應涵蓋電機、控制裝置、傳動裝置、拖動設備、管網及組件等部分，具體劃分由節能診斷服務機構、系統運營或管理方共同商定，見圖1。

圖1 電機系統示意圖

（2）收集診斷信息。 收集電機系統的基本信息，做好現場診斷測試準備工作。 也可以借助座談、實地調查、抽樣調查等方式，收集相關信息。 相關資料包括：系統設計資料；設備臺賬（包括系統邊界內的器件清單）；相關測試、評價、驗證報告、操作規程、運行記錄、維護記錄等技術資料；節能改造證明文件及其他等支持性文件。

（3）開展現場診斷。 從設計水平、基礎設施、設備能效、傳動方式、管理制度、經濟運行、節能監測以及優化和改造等方面，對電機及拖動裝置進行現場診斷測試。

（4）形成測試報告。 根據現場測試情況，對采集數據進行梳理分析，明確電機系統邊界，評估系統實際年度能耗，測算系統能效指標，評價電機系統運行情況，給出具有針對性的節能改造建議措施。

5.2 應用案例分析

（1）邯鄲金隅太行水泥股份有限責任公司500kW 煤磨直驅改造[7]。

改造前電機系統情況： 原有的太行水泥5# 煤磨電機系統具有系統傳動節點多、 傳動鏈長、 故障率較高、傳動效率較低，生產成本、安裝成本和維護成本偏高等問題。

節能改造建議措施： 建議其采用先進的變頻器加永磁直驅電機代替傳統的水阻啟動柜+主電動機+對輪+減速機+輔傳減速機+輔傳電機。

節能減排效果： 實施改造完成后，5# 煤磨主電機電耗由26.25kW·h/t，降為21.17kW·h/t，減少5.08 kW·h/t，主電機平均功率由424.68 kW 降為368.39kW，降低56.29kW。預計年節電約56.29 萬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系統改造項目[7]。

改造前電機系統情況：原有泵電機、風機電機等9 臺設備老舊，能耗較高，智能化程度偏低，設備運行可靠性較低，生產成本、安裝成本和維護成本偏高。

節能改造建議措施：建議其使用智能電機系統，對現有的電機系統進行改造，采用開關磁阻電機、控制系統，提升電機系統智能化水平。

該系統具有特點：①起動轉矩大，起動電流小；②調速范圍廣，高效運行轉速范圍寬；③電機本體結構簡單，系統可靠性高；④可控參數多，參數最優組合靈活，采用電流環、速度環、轉矩環等多環控制模式；⑤在保證工況所需電機輸出功率下， 實現輸出扭矩/電流比值最大化，系統可自動匹配和工況最適應的狀態， 保證工況適應的條件下最優輸出。

（3）節能減排效果。 實施改造完成后，依據設備額度功率運行，每年按8000h 統計，預計年節電150 萬kW·h，折合510tce/a，減少CO2排放1377t/a。

6 結束語

加強電機系統節能改造技術的交流培訓。 對接節能診斷服務機構、工業企業需求，針對電機節能改造中遇到的問題和困難，重點圍繞有關法律法規、產業政策、標準規范等方面，組織行業協會、科研院所、大型企業等機構專家，開展高效電機專項培訓。

開展有針對性的專項節能診斷。統籌規劃安排，按照“循序漸進、分步實施”的原則，選取重點用能行業（鋼鐵、水泥、有色、建材等），依據行業的能耗特點、工藝流程、通專用設備等情況，開展針對性的“專項診療服務”，推廣先進適用的高效電機節能技術和裝備，幫助企業節能降耗、降本增效。

完善電機系統節能診斷相關標準體系。 對電機系統先進適用節能技術裝備加以研究， 制修訂一批電機系統測試評估等方面的標準， 編制高效電機及電機系統應用指南與案例，提升節能診斷服務水平。

加大創新研發力度。 搭建電機等領域節能技術和裝備產業化平臺，結合綠色、低碳、智能、可持續發展的新要求，對接工業企業的需求，積極研發電機領域的新技術、新裝備、新產品。