中国工业电机系统节能现状与展望

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1 电机及系统节能的重要意义


电机及其系统广泛应用于我国能源、化工、冶金、石化、化工、煤炭、建材、公用设施、家用电器以及电力拖动等多个行业和领域,是我国工业基础的基础(如图1)。据统计测算,我国电机保有量约19亿kW,总耗电量约3.8万亿kWh,占全社会总用电量的64%,其中工业领域电机总用电量为2.9万亿kWh,约占工业用电的75%,是名副其实的“用电大户”。另据统计,我国中小型电机行业企业约有2 000家左右,其中300家为行业骨干企业,从业人数在30万人以上。



电机巨大的保有量和规模庞大的产业市场,充分表明了电机及系统在国民经济和社会发展中有着不可替代的重要地位和作用。电机系统节能是当今国际高度关注和重点研究的领域,也是我国“十一五”及“十二五”期间实施节能减排既定国策的重点关注领域。随着全球能源消耗的逐年快速增长,节能降耗、减排、减少温室气体排放已成为全球共同关注的重大焦点问题,而中小型电机系统本身占能源消耗比例高,节能潜力巨大,已经成为世界各国政府和国际组织的共识。


2 工业领域中电机节能的主要类型


电机是依据电磁感应定律而制造出的机械,主要用于实现电能和机械能之间的相互转换。根据电能和机械能之间转换的过程,电机可分为发电机和电动机2类:发电机是由机械能转化为电能,向电网或用电设备输送电能;而电动机则是由电能转化为机械能,向机械系统输出动力。发电机系统多由大型同步发电机构成,单台功率大,总体数量少;小型同步发电机则多用于应急电源或分布式能源系统中,其比例较小。而交流电动机则由于应用范围广、产能大而成为电机及系统节能面对的关键目标。交流电动机有很多种类型,行业内一般按中心高和功率大小以及电机的主要应用场所,划分为大型、中小型、分马力和微特电机4类(见图2):功率超过4 000 kW以上一般称为大型电机(以6 kV、10 kV等电压等级的高压交流异步电动机和同步电动机为主),主要用于工业领域中的超大型装备驱动,单台功率大,总体数量少。功率小于0.75 kW 以下的电机中,一种是基本以单相供电方式为主、一般适用于家电设备的分马力电机,一种是功率更小的、适用于精密机械控制(如:电动工具)的微特电机,其特点是数量多,但总体功率较小。功率范围在0.75 kW 至3 550 kW 的电机中,主要是用于工业驱动的中小型交流低压、交流高压异步电动机(中型与小型的分界线随时代和产品升级的变化一直在调整,目前一般以355 kW为分界),其特点是覆盖面广,数量多;总体功率巨大。另据测算,在交流电动机产能中,普通交流三相异步电动机所占比例最高,为87%,单相异步电动机占4%,同步电动机占5%,交直流两用电动机占4%。而交流三相异步电动机又分笼型和绕线型转子2种,但其中绕线型转子交流三相异步电动机的使用范围和应用场所较笼型交流三相异步电动机少得多,因此国内电机行业的主要产能和应用均集中在中小型三相交流笼型异步电动机中。因此,在中国工业领域推进电机系统节能主要针对的是中小型交流电动机及其拖动系统。


3 电机产业现状和推进系统节能中存在的问题


3.1 电机产业的现状

中国电机工业的发展已逾百年历程,已经形成比较完整的产业体系,产品的品种、规格、性能和产量都已基本满足我国国民经济的发展需要。2001—2013年期间,我国交流电动机总产量从6 263.3 万kW/年提高到27 914.6 万kW/年,年复合增长率为13.26%。2014年,全国交流电动机累计总产量30 134.40 万kW,与2013 年同期相比,同比增长4.43%。我国已经成为世界上最大的电动机生产、使用和出口大国。


3.2 存在的问题

近年来,电机产业在研发平台建设、能效标准体系建设以及智能装备建设等方面做出了巨大的努力,但是与国外先进水平相比,我国的电机产业除了在设计的精细化、制造的智能化、质量的一致性等方面还存在一定的差距以外,电机及系统在实际应用中还存在不足。


3.2.1 高效节能电机的市场占有率较低,而系统的运行效率更低

根据国家惠民工程实施情况的统计,经过努力,我国高效电动机的市场占有率已经从原来不足5%提高到25%左右,但是还应看到,70%以上的电机产品效率仍然比国外先进水平低2%~5%,高效电动机的市场占有率总体还比较低。而在实际运行中,由于系统匹配不合理、设备长期低负荷运行、系统调节方式落后等原因,导致电机系统的实际运行效率比国外先进水平低10%~20%,差距更大。


3.2.2 电机生产和使用者中欠缺节能意识

系列化标准化制造的电机产品在工业体系设备需求中可视作标准零件,这就导致电机生产企业的服务对象往往是配套机械制造企业,如:风机厂、水泵厂、压缩机厂或减速机厂,电机生产企


图2 交流电动机的功率范围及应用领域划分


业往往并不掌握电机的最终用途和使用情况,导致电机生产企业和配套机械制造企业缺乏推进电机系统节能意识,在经济上也缺乏推进的主观动力。而在工业企业运行体系中,电机的最终用户对电机的运行管理普遍比较粗放,企业把节能工作的重点放在煤、天然气、油等一次能源上,普遍不了解、不掌握电机是工业企业运行中最大的电能消耗者这一基本事实,导致设备管理者普遍欠缺电机系统节能意识,同时也缺乏相关的知识与技术。


3.2.3 电机节能技术复杂,缺乏统一的技术规范

工业领域中电机系统的节能潜力是最大的,但由于涉及到各种不同行业、各种复杂多样的工况、各种不同的负载特性以及千差万别的工艺过程,导致电机系统节能是一个综合考虑电机本体、拖动设备、控制电动机的装置、管网系统以及各子系统、部件间最佳或较佳匹配等多种因素的复杂的系统节能工程。而目前普遍缺乏针对不同工况条件下电机系统的节能解决方案,普遍存在“电机系统节能就是更换高效电机”这一常见误区,缺乏在何种条件下适合采用何种电机系统节能技术等统一的技术规范,这是导致电机系统的实际运行效率较低的深层次原因。


4 我国电机及系统节能工作实施情况


从2008年开始,我国根据电机产业在国民经济中的地位,按照节能减排方针的要求,颁布实施了多项针对电机能效提升和系统节能的规划和措施,主要分为政策鼓励、标准规范、监督核查等。


4.1 政策鼓励

为贯彻落实国务院《关于进一步加大工作力度确保实现“十一五”节能减排目标的通知》(国发[2010]12号)精神,财政部、国家发改委组织开展了高效电机的推广工作,并根据《财政部国家发展改革委关于开展“节能产品惠民工程”的通知》(财建[2009]213 号),财政部和国家发改委制定了《节能产品惠民工程高效电机推广实施细则》,于2010年5月31日颁布实施。该政策的主要内容是对生产使用高效率、超高效率电机进行财政补贴,使高效电机市场份额从不足3%提高到25%。不同类型的电动机根据成本的不同进行了差别化的补贴标准(该补贴标准在财政部、国家发改革《关于做好2011年高效电机推广工作的通知》(财建[2011]62号)文件中又予以调整)。补贴标准见表1。经过近5年的努力,根据国家惠民办和工信部节能与综合利用司的统计,全国累计推广高效电机3 541.09万kW,实施电机系统节能改造1 710.10万kW,实施淘汰电机的高效再制造792.58 万kW。为此,已累计发放10 亿元的补贴资金,带动实现节电95.1亿kWh。


不仅如此,为配合国家的补贴政策,部分地方(如:上海、广东、广西等)也出台了与地方电机系统应用特色配套的财政鼓励政策。上海市针对存量电机数量比较大,运行时间比较长的特点,有针对性的鼓励以电机节能再制造为目标的“以旧换新”配套政策。广东省则针对中小企业较多、电机种类比较集中的特点重点支持电机系统节能改造和注塑机的节能改造,都取得了不错的成果。


4.2 标准规范

开展电机能效提升和电机系统节能工程,相关的标准必须先行。从国际上的实施情况来看,自2007年起,随着国际标准中对电机能耗测试方法的调整和统一,并伴随着新一代节能型高效电机研发需要,主要发达国家都在各自的发展计划中提出了明确的强制推行高效电机的时间表。各国积极从政策、技术和市场3个方面综合加快电机及系统节能技术的发展。美国和欧洲分别从1997年和2011年强制推行高效电机:按照欧盟委员会颁布的电机产品EUP实施措施法案,欧盟各国自2011年已开始强制推行高效率标准电机;美国则自2011年起率先强制推行要求更高的超高效率标准电机。以上这些措施都是以各自的能效标准为依据的。2008 年,IEC 发布了60034-30 标准(即电动机的能效分级标准),其中明确指出电动机的能效等级分为4级:IE1(普通能效)、IE2(高效)、IE3(超高效)、IE4(超超高效),不仅如此,该标准还规定了统一的高效电机检测方法,因此从标准角度统一了全球的电机能效指标。我国很早就开始重视电机产品的节能问题,因此从2002年起就已经制定了中小型三相异步电动机的能效标准,分别在2006 年和2013 年根据国际上的能效标准变化做了2次修订,把电机产品的能效整整提升了2个等级,并根据电机的类型和功率范围增加制定了小功率电机、高压电机和稀土永磁电机的能效标准(如图3)。从电机产品的标准角度来看,我国的电机产品能效标准已经与世界现行标准保持一致。由于电机系统包含了电动机、被拖动机械、管网、控制机构、检测装置等多个单元,因此电机能效提升和电机系统节能不仅仅是制定了电机等设备的能效标准就能够满足要求,而是必须依靠电机系统能效的标准体系建设来统一规范和实施。电机系统能效的标准体系包括:设备能效标准(指在不降低产品性能和安全要求的前提下,对产品利用能源利用提出要求,如:能效限定值、节能评价值和能效等级等)、经济运行标准(指在满足工艺要求、安全生产、环保和可靠运行的前提下,通过科学管理,调节工况或技术改进等措施,为达到节能能源,提高经济效益所规定的标准)、检测和计算方法标准(指对节能活动的检测方法、计算方法所规定的技术要求,其作用在于规定统一的、正确的检测方法和计算方法,同时指导检测人员按所规定的计算方法进行检测和计算)和节能改造标准(对节能装置满足的要求以保证使用性的标准,主要作用是规定节能装置的质量和安全性要求等)。通过近10年来的努力,我国已经基本建立了以电机(包括风机、水泵)能效、电机的经济运行、电机的能效测试以及系统改造等标准为核心的电机系统节能标准体系。


4.3 监督核查

根据我国工业企业中存量电机多、存量电机中淘汰设备多、低效电机也多的特点,工信部和国家质检总局在2013年6月颁布实施我国的“全国电机能效提升计划”(以下简称“提升计划”)。“提升计划”的主要目标是:到2015年,实现电机产品升级换代,50%的低压三相笼型异步电动机产品、40%的高压电动机产品达到高效电机能效标准规范;累计推广高效电机1.7 亿kW,淘汰在用低效电机1.6 亿kW,实施电机系统节能技改1亿kW,实施淘汰电机高效再制造2 000万kW。

根据“提升计划”的技术路线图,在2013年至2015年共计3年的时间,要逐步淘汰我国于20世纪开发的Y、Y2 及其主要派生系列产品,针对这些存量落后的产品,对电机生产企业要求按照新的能效标准制造推广高效电机、对用户电机系统节能技改的方式从生产者和使用者2 个方面同步推进。

图3 国内电动机能效标准变化历程

 

为此,工信部开展了全国范围的培训工作,对各省、自治区和市级的节能监察人员进行了电机系统理论知识、电机系统能效标准知识、电机系统节能技术以及监督核查方法等方面的系统培训。同时,各省、自治区等地方节能监察机构也制定了相应的推进方案和分解计划,由于地方落实政策的相对滞后,该项工作正在稳步推进中,预计2016年至2017年可以实现当初制定的总体目标。


5 解决对策及展望


5.1 对策

通过一系列的政策引导、标准约束和强制性的监督核查,我国的高效电机产能获得了巨大的提升,电机系统能效提升工作也在稳步推进,但是从效果来看,总体进度还未能达到预期目标,因此,建议从以下3个方面继续落实。


5.1.1 摸清家底,以数据说话

开展工业运行的数据摸底工作,通俗点讲就是摸清家底。方法可以是多种多样的,例如:可以采用以静态运行数据为基础的电能平衡测试或能源审计与评估方法,也可以采用以动态运行数据为基础的能效管理中心建设或需求侧管理等方法。通过基础运行数据的采集和汇总,可以得到一个企业、一个工业园区乃至一个城市工业运行的大数据信息,再针对这些信息分析能源消耗的种类、运行特点,就可以有针对性的制定一个企业、一个工业园区以及一个城市的节能规划或节能方案。


5.1.2 加强培训,技术先行

虽然电机系统节能是一个综合考虑多种因素的复杂的系统节能工程,但是也有很多适用于不同负载不同工况的电机系统节能技术,这些节能技术有些是针对恒定负载的,有些是针对周期变化负载的,而有些又是随时可以根据负载的变化而变化的。这些节能技术有其各自的适用范围,但在采用这些技术之前,需要对目前所使用的负载类型、运行工况做出很科学的分析和判断,这都需要一定的专业知识做基础,因此,必须让企业的设备管理人员、节能服务公司的技术人员以及负责节能减排的政府管理人员尽快掌握基础的理论知识、科学的分析方法和严谨的流程方案,开展电机系统能效提升和系统节能技术培训刻不容缓。


5.1.3 树立典型,按行业推进

尽管电机系统节能工作具有非常的复杂性,但是通过梳理,电机拖动的典型设备集中在风机、水泵、空压机、中央空调、减速机等类型上,几乎每个工业企业都是这些设备的集成运行,针对这些设备的节能技术是成熟的。但是,不同行业之间对这些设备的使用方式、运行状况都不尽相同。因此,应按行业(如:水泥、化工、钢铁、矿山、建材等)树立部分电机系统节能技术的应用典型,将成熟的节能技术分行业推进。


5.1.4 部门合作,政策落地

随着社会的发展,节能减排意识已经深入人心,政府许多部门和机构都针对节能减排的大战略推出了很多具体的措施,但是这些措施的落地还离不开政府的积极引导和监督实施,更离不开政府部门之间的协同与配合。因此,在电机系统能效提升工作中,应首先发挥科研院所和行业归口机构在技术研发、应用、推广等方面的核心作用;其次,质量监督管理等体系机构应将工作重点放在生产环节的质量监督抽查,确保生产企业不弄虚作假;再次,工商管理部门应针对流通环节展开市场整顿,确保用户的合法权益;最后,政府节能减排和能源管理等监督核查机构应发挥作用,建立新建或大型改造项目的能耗评估制度,确保后续运行的节能效果。


5.2 展望

电机及系统作为我国工业基础的基础,在国民经济中的重要性不言而喻,而电机及其系统的耗能占我国总能耗的比利之高,也决定了电机及其系统节能工作的重要地位。尽管电机及其系统本身的复杂性、电机节能技术的专业性、电机系统节能政策的连续性等对推进电机系统节能工程实施造成了不小的困难,但是只要发挥电机生产企业、节能服务机构和工业企业(最终用户)的积极性,政府积极开展政策引导、树立行业典型、加强部门间合作、加强监督、逐步推进,就能够尽快完成我国电机能效提升的预定目标,为完成我国节能减排目标作出应有的贡献。


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