中國工業(yè)電機系統(tǒng)節(jié)能現(xiàn)狀與展望

中國工業(yè)電機系統(tǒng)節(jié)能現(xiàn)狀與展望電機及其系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于我國能源、化工、冶金、石化、化工、煤炭、建材、公用設(shè)施、家用電器以及電力拖動等多個行業(yè)和領(lǐng)域，是我國工業(yè)基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。1電機及系統(tǒng)節(jié)能的重要意義電機及其系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于我國能源、化工、冶金、石化、化工、煤炭、建材、公用設(shè)施、家用電器以及電力拖動等多個行業(yè)和領(lǐng)域，是我國工業(yè)基礎(chǔ)的基礎(chǔ)（如圖1）。據(jù)統(tǒng)計，我國電機保有量約19億kW，總耗電量約3.8萬億kWh，占全社會總用電量的64%，其中工業(yè)領(lǐng)域電機總用電量為2.9萬億kWh，約占工業(yè)用電的75%，是名副其實的“用電大戶”。另據(jù)統(tǒng)計，我國中小型電機行業(yè)企業(yè)約有2000家左右，其中300家為行業(yè)骨干企業(yè)，從業(yè)人數(shù)在30萬人以上。圖1電機及其系統(tǒng)所覆蓋的工業(yè)領(lǐng)域電機巨大的保有量和規(guī)模龐大的產(chǎn)業(yè)市場，充分表明了電機及系統(tǒng)在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中有著不可替代的重要地位和作用。電機系統(tǒng)節(jié)能是當今國際高度關(guān)注和重點研究的領(lǐng)域，也是我國“十一五”及“十二五”期間實施節(jié)能減排既定國策的重點關(guān)注領(lǐng)域。隨著全球能源消耗的逐年快速增長，節(jié)能降耗、減排、減少溫室氣體排放已成為全球共同關(guān)注的重大焦點問題，而中小型電機系統(tǒng)本身占能源消耗比例高，節(jié)能潛力巨大，已經(jīng)成為世界各國政府和國際組織的共識。2工業(yè)領(lǐng)域中電機節(jié)能的主要類型電機是依據(jù)電磁感應(yīng)定律而制造出的機械，主要用于實現(xiàn)電能和機械能之間的相互轉(zhuǎn)換。根據(jù)電能和機械能之間轉(zhuǎn)換的過程，電機可分為發(fā)電機和電動機2類：發(fā)電機是由機械能轉(zhuǎn)化為電能，向電網(wǎng)或用電設(shè)備輸送電能；而電動機則是由電能轉(zhuǎn)化為機械能，向機械系統(tǒng)輸出動力。發(fā)電機系統(tǒng)多由大型同步發(fā)電機構(gòu)成，單臺功率大，總體數(shù)量少；小型同步發(fā)電機則多用于應(yīng)急電源或分布式能源系統(tǒng)中，其比例較小。而交流電動機則由于應(yīng)用范圍廣、產(chǎn)能大而成為電機及系統(tǒng)節(jié)能面對的關(guān)鍵目標。交流電動機有很多種類型，行業(yè)內(nèi)一般按中心高和功率大小以及電機的主要應(yīng)用場所，劃分為大型、中小型、分馬力和微特電機4類（見圖2）：功率超過4000kW以上一般稱為大型電機（以6kV、10kV等電壓等級的高壓交流異步電動機和同步電動機為主），主要用于工業(yè)領(lǐng)域中的超大型裝備驅(qū)動，單臺功率大，總體數(shù)量少。功率小于0.75kW以下的電機中，一種是基本以單相供電方式為主、一般適用于家電設(shè)備的分馬力電機，一種是功率更小的、適用于精密機械控制（如：電動工具）的微特電機，其特點是數(shù)量多，但總體功率較小。功率范圍在0.75kW至3550kW的電機中，主要是用于工業(yè)驅(qū)動的中小型交流低壓、交流高壓異步電動機（中型與小型的分界線隨時代和產(chǎn)品升級的變化一直在調(diào)整，目前一般以355kW為分界），其特點是覆蓋面廣，數(shù)量多；總體功率巨大。另據(jù)測算，在交流電動機產(chǎn)能中，普通交流三相異步電動機所占比例最高，為87%，單相異步電動機占4%，同步電動機占5%，交直流兩用電動機占4%。而交流三相異步電動機又分籠型和繞線型轉(zhuǎn)子2種，但其中繞線型轉(zhuǎn)子交流三相異步電動機的使用范圍和應(yīng)用場所較籠型交流三相異步電動機少得多，因此國內(nèi)電機行業(yè)的主要產(chǎn)能和應(yīng)用均集中在中小型三相交流籠型異步電動機中。因此，在中國工業(yè)領(lǐng)域推進電機系統(tǒng)節(jié)能主要針對的是中小型交流電動機及其拖動系統(tǒng)。圖2交流電動機的功率范圍及應(yīng)用領(lǐng)域劃分3電機產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和推進系統(tǒng)節(jié)能中存在的問題電機產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀中國電機工業(yè)的發(fā)展已逾百年歷程，已經(jīng)形成比較完整的產(chǎn)業(yè)體系，產(chǎn)品的品種、規(guī)格、性能和產(chǎn)量都已基本滿足我國國民經(jīng)濟的發(fā)展需要。2001—2013年期間，我國交流電動機總產(chǎn)量從6263.3萬kW/年提高到27914.6萬kW/年，年復合增長率為13.26%。2014年，全國交流電動機累計總產(chǎn)量30134.40萬kW,與2013年同期相比，同比增長4.43%。我國已經(jīng)成為世界上最大的電動機生產(chǎn)、使用和出口大國。存在的問題近年來，電機產(chǎn)業(yè)在研發(fā)平臺建設(shè)、能效標準體系建設(shè)以及智能裝備建設(shè)等方面做出了巨大的努力，但是與國外先進水平相比，我國的電機產(chǎn)業(yè)除了在設(shè)計的精細化、制造的智能化、質(zhì)量的一致性等方面還存在一定的差距以外，電機及系統(tǒng)在實際應(yīng)用中還存在不足。高效節(jié)能電機的市場占有率較低，而系統(tǒng)的運行效率更低根據(jù)國家惠民工程實施情況的統(tǒng)計，經(jīng)過努力，我國高效電動機的市場占有率已經(jīng)從原來不足5%提高到25%左右，但是還應(yīng)看至U,70%以上的電機產(chǎn)品效率仍然比國外先進水平低2%?5%,高效電動機的市場占有率總體還比較低。而在實際運行中，由于系統(tǒng)匹配不合理、設(shè)備長期低負荷運行、系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式落后等原因，導致電機系統(tǒng)的實際運行效率比國外先進水平低10%?20%,差距更大。電機生產(chǎn)和使用者中欠缺節(jié)能意識系列化標準化制造的電機產(chǎn)品在工業(yè)體系設(shè)備需求中可視作標準零件，這就導致電機生產(chǎn)企業(yè)的服務(wù)對象往往是配套機械制造企業(yè)，如：風機廠、水泵廠、壓縮機廠或減速機廠，電機生產(chǎn)企業(yè)往往并不掌握電機的最終用途和使用情況，導致電機生產(chǎn)企業(yè)和配套機械制造企業(yè)缺乏推進電機系統(tǒng)節(jié)能意識，在經(jīng)濟上也缺乏推進的主觀動力。而在工業(yè)企業(yè)運行體系中，電機的最終用戶對電機的運行管理普遍比較粗放，企業(yè)把節(jié)能工作的重點放在煤、天然氣、油等一次能源上，普遍不了解、不掌握電機是工業(yè)企業(yè)運行中最大的電能消耗者這一基本事實，導致設(shè)備管理者普遍欠缺電機系統(tǒng)節(jié)能意識，同時也缺乏相關(guān)的知識與技術(shù)。電機節(jié)能技術(shù)復雜，缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范工業(yè)領(lǐng)域中電機系統(tǒng)的節(jié)能潛力是最大的，但由于涉及到各種不同行業(yè)、各種復雜多樣的工況、各種不同的負載特性以及千差萬別的工藝過程，導致電機系統(tǒng)節(jié)能是一個綜合考慮電機本體、拖動設(shè)備、控制電動機的裝置、管網(wǎng)系統(tǒng)以及各子系統(tǒng)、部件間最佳或較佳匹配等多種因素的復雜的系統(tǒng)節(jié)能工程。而目前普遍缺乏針對不同工況條件下電機系統(tǒng)的節(jié)能解決方案，普遍存在“電機系統(tǒng)節(jié)能就是更換高效電機”這一常見誤區(qū)，缺乏在何種條件下適合采用何種電機系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)等統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，這是導致電機系統(tǒng)的實際運行效率較低的深層次原因。4我國電機及系統(tǒng)節(jié)能工作實施情況從2008年開始，我國根據(jù)電機產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位，按照節(jié)能減排方針的要求，頒布實施了多項針對電機能效提升和系統(tǒng)節(jié)能的規(guī)劃和措施，主要分為政策鼓勵、標準規(guī)范、監(jiān)督核查等。政策鼓勵為貫徹落實國務(wù)院《關(guān)于進一步加大工作力度確保實現(xiàn)“十一五”節(jié)能減排目標的通知》（國發(fā)[2010]12號）精神，財政部、國家發(fā)改委組織開展了高效電機的推廣工作，并根據(jù)《財政部國家發(fā)展改革委關(guān)于開展“節(jié)能產(chǎn)品惠民工程”的通知》（財建[2009]213號），財政部和國家發(fā)改委制定了《節(jié)能產(chǎn)品惠民工程高效電機推廣實施細則》，于2010年5月31日頒布實施。該政策的主要內(nèi)容是對生產(chǎn)使用高效率、超高效率電機進行財政補貼，使高效電機市場份額從不足3%提高到25%。不同類型的電動機根據(jù)成本的不同進行了差別化的補貼標準（該補貼標準在財政部、國家發(fā)改革《關(guān)于做好2011年高效電機推廣工作的通知》（財建[2011]62號）文件中又予以調(diào)整）。補貼標準見表1。經(jīng)過近5年的努力，根據(jù)國家惠民辦和工信部節(jié)能與綜合利用司的統(tǒng)計，全國累計推廣高效電機3541.09萬kW,實施電機系統(tǒng)節(jié)能改造1710.10萬kW,實施淘汰電機的高效再制造792.58萬kW。為此，已累計發(fā)放10億元的補貼資金，帶動實現(xiàn)節(jié)電95.1億kWh。不僅如此，為配合國家的補貼政策，部分地方（如：上海、廣東、廣西等）也出臺了與地方電機系統(tǒng)應(yīng)用特色配套的財政鼓勵政策。上海市針對存量電機數(shù)量比較大，運行時間比較長的特點，有針對性的鼓勵以電機節(jié)能再制造為目標的“以舊換新”配套政策。廣東省則針對中小企業(yè)較多、電機種類比較集中的特點重點支持電機系統(tǒng)節(jié)能改造和注塑機的節(jié)能改造，都取得了不錯的成果。標準規(guī)范開展電機能效提升和電機系統(tǒng)節(jié)能工程，相關(guān)的標準必須先行。從國際上的實施情況來看，自2007年起，隨著國際標準中對電機能耗測試方法的調(diào)整和統(tǒng)一，并伴隨著新一代節(jié)能型高效電機研發(fā)需要，主要發(fā)達國家都在各自的發(fā)展計劃中提出了明確的強制推行高效電機的時間表。各國積極從政策、技術(shù)和市場3個方面綜合加快電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。美國和歐洲分別從1997年和2011年強制推行高效電機：按照歐盟委員會頒布的電機產(chǎn)品EUP實施措施法案，歐盟各國自2011年已開始強制推行高效率標準電機；美國則自2011年起率先強制推行要求更高的超高效率標準電機。以上這些措施都是以各自的能效標準為依據(jù)的。2008年，IEC發(fā)布了60034-30標準（即電動機的能效分級標準），其中明確指出電動機的能效等級分為4級：IE1（普通能效）、IE2（高效）、IE3（超高效）、IE4（超超高效），不僅如此，該標準還規(guī)定了統(tǒng)一的高效電機檢測方法，因此從標準角度統(tǒng)一了全球的電機能效指標。我國很早就開始重視電機產(chǎn)品的節(jié)能問題，因此從2002年起就已經(jīng)制定了中小型三相異步電動機的能效標準，分別在2006年和2013年根據(jù)國際上的能效標準變化做了2次修訂，把電機產(chǎn)品的能效整整提升了2個等級，并根據(jù)電機的類型和功率范圍增加制定了小功率電機、高壓電機和稀土永磁電機的能效標準（如圖3）。從電機產(chǎn)品的標準角度來看，我國的電機產(chǎn)品能效標準已經(jīng)與世界現(xiàn)行標準保持一致。由于電機系統(tǒng)包含了電動機、被拖動機械、管網(wǎng)、控制機構(gòu)、檢測裝置等多個單元，因此電機能效提升和電機系統(tǒng)節(jié)能不僅僅是制定了電機等設(shè)備的能效標準就能夠滿足要求，而是必須依靠電機系統(tǒng)能效的標準體系建設(shè)來統(tǒng)一規(guī)范和實施。電機系統(tǒng)能效的標準體系包括：設(shè)備能效標準（指在不降低產(chǎn)品性能和安全要求的前提下，對產(chǎn)品利用能源利用提出要求，如：能效限定值、節(jié)能評價值和能效等級等）、經(jīng)濟運行標準（指在滿足工藝要求、安全生產(chǎn)、環(huán)保和可靠運行的前提下，通過科學管理，調(diào)節(jié)工況或技術(shù)改進等措施，為達到節(jié)能能源，提高經(jīng)濟效益所規(guī)定的標準）、檢測和計算方法標準（指對節(jié)能活動的檢測方法、計算方法所規(guī)定的技術(shù)要求，其作用在于規(guī)定統(tǒng)一的、正確的檢測方法和計算方法，同時指導檢測人員按所規(guī)定的計算方法進行檢測和計算）和節(jié)能改造標準（對節(jié)能裝置滿足的要求以保證使用性的標準，主要作用是規(guī)定節(jié)能裝置的質(zhì)量和安全性要求等）。通過近10年來的努力，我國已經(jīng)基本建立了以電機（包括風機、水泵）能效、電機的經(jīng)濟運行、電機的能效測試以及系統(tǒng)改造等標準為核心的電機系統(tǒng)節(jié)能標準體系。樓土永植中.動機能效限定值及能效等投高壓足動粗熊效限定伯及能茲等級圖3國內(nèi)電動機皚取標準我化所程GB18613-2012^小型三相異揖電動樓土永植中.動機能效限定值及能效等投高壓足動粗熊效限定伯及能茲等級圖3國內(nèi)電動機皚取標準我化所程GB18613-2012^小型三相異揖電動帆訛妓限定佰及.詫效等級 GB汨958-摘10小平功率電動機能效限定值及器邊等級GB16613—2006中小型三相異生電動機能效限定伯展萍:效等報GB18813-200*小型三種異步電動機乾奴遇定位及節(jié)能評推者監(jiān)督核查根據(jù)我國工業(yè)企業(yè)中存量電機多、存量電機中淘汰設(shè)備多、低效電機也多的特點，工信部和國家質(zhì)檢總局在2013年6月頒布實施我國的“全國電機能效提升計劃”?！疤嵘媱潯钡闹饕繕耸牵旱?015年，實現(xiàn)電機產(chǎn)品升級換代，50%的低壓三相籠型異步電動機產(chǎn)品、40%的高壓電動機產(chǎn)品達到高效電機能效標準規(guī)范；累計推廣高效電機1.7億kW，淘汰在用低效電機1.6億kW，實施電機系統(tǒng)節(jié)能技改1億kW，實施淘汰電機高效再制造2000萬kW。根據(jù)“提升計劃”的技術(shù)路線圖，在2013年至2015年共計3年的時間，要逐步淘汰我國于20世紀開發(fā)的Y、Y2及其主要派生系列產(chǎn)品，針對這些存量落后的產(chǎn)品，對電機生產(chǎn)企業(yè)要求按照新的能效標準制造推廣高效電機、對用戶電機系統(tǒng)節(jié)能技改的方式從生產(chǎn)者和使用者2個方面同步推進。為此，工信部開展了全國范圍的培訓工作，對各省、自治區(qū)和市級的節(jié)能監(jiān)察人員進行了電機系統(tǒng)理論知識、電機系統(tǒng)能效標準知識、電機系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)以及監(jiān)督核查方法等方面的系統(tǒng)培訓。同時，各省、自治區(qū)等地方節(jié)能監(jiān)察機構(gòu)也制定了相應(yīng)的推進方案和分解計劃，由于地方落實政策的相對滯后，該項工作正在穩(wěn)步推進中。5解決對策及展望對策通過一系列的政策引導、標準約束和強制性的監(jiān)督核查，我國的高效電機產(chǎn)能獲得了巨大的提升，電機系統(tǒng)能效提升工作也在穩(wěn)步推進，但是從效果來看，總體進度還未能達到預期目標，因此，建議從以下3個方面繼續(xù)落實。摸清家底，以數(shù)據(jù)說話開展工業(yè)運行的數(shù)據(jù)摸底工作，通俗點講就是摸清家底。方法可以是多種多樣的，例如：可以采用以靜態(tài)運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的電能平衡測試或能源審計與評估方法，也可以采用以動態(tài)運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的能效管理中心建設(shè)或需求側(cè)管理等方法。通過基礎(chǔ)運行數(shù)據(jù)的采集和匯總，可以得到一個企業(yè)、一個工業(yè)園區(qū)乃至一個城市工業(yè)運行的大數(shù)據(jù)信息，再針對這些信息分析能源消耗的種類、運行特點，就可以有針對性的制定一個企業(yè)、一個工業(yè)園區(qū)以及一個城市的節(jié)能規(guī)劃或節(jié)能方案。加強培訓，技術(shù)先行雖然電機系統(tǒng)節(jié)能是一個綜合考慮多種因素的復雜的系統(tǒng)節(jié)能工程，但是也有很多適用于不同負載不同工況的電機系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，這些節(jié)能技術(shù)有些是針對恒定負載的，有些是針對周期變化負載的，而有些又是隨時可以根據(jù)負載的變化而變化的。這些節(jié)能技術(shù)有其各自的適用范圍，但在采用這些技術(shù)之前，需要對目前所使用的負載類型、運行工況做出很科學的分析和判斷，這都需要一定的專業(yè)知識做基礎(chǔ)，因此，必須讓企業(yè)的設(shè)備管理人員、節(jié)能服務(wù)公司的技術(shù)人員以及負責節(jié)能減排的政府管理人員盡快掌握基礎(chǔ)的理論知識、科學的分析方法和嚴謹?shù)牧鞒谭桨?，開展電機系統(tǒng)能效提升和系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)培訓刻不容緩。樹立典型，按行業(yè)推進盡管電機系統(tǒng)節(jié)能工作具有非常的復雜性，但是通過梳理，電機拖動的典型設(shè)備集中在風機、水泵、空壓機、中央空調(diào)、減速機等類型上，幾乎每個工業(yè)企業(yè)都是這些設(shè)備的集成運行，針對這些設(shè)備的節(jié)能