自动化技术助力工业企业节能减排

    节能减排是我国实现可持续发展的必然选择，也是推进新型工业化的关键环节，在“十一五”规划时被提到了更为重要的位置：我国“十一五”规划明确规定了节能减排约束性指标，要求在2010年单位GDP能耗降低20%，主要污染物排放总量减少10%。但据有关数据统计表明，截止到2008年为止，全国单位能耗逐渐降低，2006年下降了1.79%，2007年下降了4.59%，2008年下降了4.59%，“十一五”前三年累计下降了10.1%，刚刚完成五年规划的一半指标。2009年无疑成为了节能减排最为关键的一年。

    无论是能源消耗，还是污染排放量，工业企业都是“双高”。有数据表明，工业增加值仅占全国GDP的44%，而工业年耗能量占全国能源总量的70%，主要污染物COD（化学耗氧量）、 二氧化硫的排放约占到全国排放总量的38%和25%。即使像美国、日本这样工业能耗比重仅为20%～30%的发达国家，也把工业作为节能减排的重点。工业作为支撑中国经济发展的重要产业，毫无疑问成为节能减排的排头兵。

    在“十一五”的前三年，工业节能降耗的成绩也是有目共睹：统计数据表明，单位工业增加值的能耗下降分别为2006年1.98%，2007年的5.46%，2008年的8.43%。在全国单位GDP能耗降低了10.1%，累计节能2.9亿吨标准煤的同时，工业增加值能耗降低达到15.87%，实现3.7亿吨标准煤的节能。可以看出，工业节能比单位GDP能耗降低的幅度大很多。而在中国工业化的进程中，通过工业化与信息化的融合，这两个指标还有下降空间。只是，金融危机增加了我国实现“十一五”节能减排目标的难度。日前，工业与信息化部部长李毅中日前在《经济日报》撰文给出了应对措施：节能减排要靠结构调整、技术进步和加强管理三种途径来实现。

    “1980年～2000年，我国结构节能占60%，技术节能占30%，管理节能占10%。” 这是国家工信部节能与综合利用司司长周长益在第十二届科博会“中国国际节能减排科技创新大会”上公布的数据。虽然此后比例出现了变化，但是结构节能和管理节能突破有限，因为结构调整是一项长期任务，我国政府也试图通过政策引导企业在节能减排的过程中实现产业结构优化升级；管理节能也要靠日积月累，不能一蹴而就。因此，技术节能扮演了重要角色。李毅中指出，在产业结构和能源消费结构一时没有重大变化的情况下，技术进步、技术创新显得尤为重要。只有在技术、工艺、设备和材料的创新与应用上取得重大突破，才能在较短的时间内推进节能降耗减排工作再上新台阶。

一、自动化技术助力节能减排

    工业领域对技术、工艺、设备和材料的创新与应用的需求尤为突出。材料作为制造业的基础，其创新主要体现在对传统材料技术的升级改造，以及核能、太阳能、风能等新能源技术所使用的材料技术上。在工业生产过程中，材料的更替和工艺的创新，虽然节能空间也很大，但受限于目前的产业结构，更新速度和其节能效果，并不像设备、技术创新一样，可以带来立竿见影的效果。而在设备、技术创新中，自动化的产品和技术发挥着重要的作用。以传统五大高耗能、高污染行业中的电力行业为例：发电侧排放二氧化硫达全国排放总量的50%以上，烟尘排放占全国排放量的20%以上，输电侧和配电侧由于线损率一直没有实际改善导致耗能严重，按07年我国发电量3万亿千瓦时测算，耗费在输电及配电侧线路及变电设备空载损耗上的电就达到1800多亿千瓦时，相当于一座3600万千瓦火电站的年发电量。所以，输配电侧节能设备的采用就是节能减排最直接见效的领域，包括低损耗变压器、变频调速装置、无功补偿装置的使用，都是节能减排的重要手段。

    而在工业生产中，能源的消耗问题更加值得注意，比如引擎和电机占总工业能源消耗的65％。中国的电机能力超过了5亿千瓦，每年消耗800－1000亿千瓦小时的能量，占总能源消耗的60％和工业能源消耗的75％。驱动鼓风机和电泵的电机则达到了2.5亿千瓦，其中70％都应该使用变速驱动，然而，只有20％使用了变速驱动，造成了巨大的电能浪费。据统计，中国的能源效率仅为美国的26.9%，日本的11.5%。

    实际上，工业领域可以完全通过生产流程能源效率评估方式采取节能行动，无论是单一的变频调速、软启动、能量回馈控制技术，还是面向全系统的过程自动化控制和能源管理解决方案，工业自动化技术可以在多方面帮助企业实现节能减排，不仅节能减排空间巨大，而且效果立竿见影。

    ·变频节能

    我国电动机总装机容量4亿多KW，其中年用电量约为15000亿度电，约占当年全国总发电量的65%-70%。变频器是电动机系统节能中的重要部件，应用变频调速可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。因此，精确调速的节电效果非常可观。与此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量，故设计裕量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。因此，变动负载的节能潜力巨大。国家也已经把风机、水泵等通用机械电机的变频调速改造列入了“十一五”国家十大重点节能工程加以推进。

    变频器产生的最初用途是速度控制，由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。以纺织行业为例，中国具有世界最大的的纺织产品生产能力，市场范围遍及全球，产业规模庞大。纺织与化纤行业也是变频器应用最多、使用密度最高的行业。在最常见的化纤机械设备中，选用变频器的设备有螺杆挤出机、纺丝机和后加工机等。选用变频器较多的棉纺设备主要有细纱机、粗纱机、精梳机等。这些设备都要求精确速度控制、多单元同步传动或比例同步(牵伸)传动等，应用变频器可以提高工艺要求、提升产品质量，同时减轻了人工的劳动强度、提高了生产效率，可以说，变频器是纺织行业增强国际竞争能力的重要装备。

图1 一种变频节能系统

    在中国变频器市场上，目前有90多个变频器的活跃品牌，其中70%是国内品牌，包括和利时、利德华福、合康亿盛等等。但是超过75%的变频器市场被日本和欧洲的变频器厂商占领，包括三菱、东芝、日立、松下，欧洲的西门子、ABB、施耐德等等。目前，高压变频器市场主要被西门子、ABB、三菱垄断，包括炼钢高炉等场合应用的超大功率(8000KW以上)变频器，轧钢机、机车牵引等应用的特种变频器等，而中小容量产品的低端产品则是国产品牌占据优势。由预测表明，我国变频器市场在未来10内不会达到饱和，市场潜在容量约1200-1800亿元，这为国产变频器厂商向高端市场冲击提供了可能性。

    变频调速能量回馈控制技术也是实现节能降耗的重要技术。以电机能耗为例，目前应用较多的是通过变频器实现变频调速，这是通过变频调速技术及其优化控制技术实现“按需功能”，在满足生产机械速度、转矩和动态响应要求的前提下，尽量减少变频装置的输入能量，的确实现了节能降耗。而将由生产机械中储存的动能或势能转换而来的电能及时地、高效地“回收”到电网，即通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网，实现精密制动，提高电动机的动态性能方面，相比于变频调速实现节能来说，即便是节能意识较强的企业考虑的也略微少一些。实际上，该技术在能源资源日趋紧张的今天，具有重要的现实意义。

    ·过程自动化系统

    当今的过程自动化系统已发展为由过程控制层（PCS）、制造执行层（MES）和经营规划层(BPS)三层结构组成的综合过程自动化系统。企业要达到总体的节能降耗和资源优化，获得最大的经济效益，提高竞争力，除了在各层次上采用先进技术和优化技术外，还必须在系统集成方面采用优化操作、优化调度以及优化企业资源规划和经营管理的一体化综合过程自动化系统。其中，过程控制层（PCS）的DCS对资源的优化作用更为明显。

    现在，第四代DCS系统以及充分体现了信息化和集成化。第四代DCS系统已经不是一个以控制功能为主的控制系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统。DCS提供了从现场到设备，从设备到车间，从车间到工厂，从工厂到企业集团整个信息通道。另外，第四代DCS系统中除保留传统DCS所实现的过程控制功能之外，还集成了PLC（可编程逻辑控制器）、RTU（采集发送器）、FCS、各种多回路调节器、各种智能采集或控制单元等。

    比如，在某垃圾焚烧厂的控制系统中，出现了一个个由各家不同的PLC组成的“自动化孤岛”。与此同时，许多厂家的PLC往往难以实现复杂的模拟量控制，例如串级控制和前馈控制；特别是难以实现垃圾低热值时的滑参数运行方式下的各种控制要求，而通过DCS系统就能实现“全厂一体化”的控制功能。

    第四代DCS系统以Honeywell公司最新推出的Experion PKS（过程知识系统）、Emerson 公司的PlantWeb (Emerson Process Management)、Foxboro公司的A2、横河公司的R3（PRM-工厂资源管理系统）和ABB公司的Industrial IT系统为标志，它们在国内也有不少成功应用。现在，以和利时、浙大中控、上海新华为代表的国内DCS厂家经过10年的努力，各自推出自己的DCS系统：和利时推出MACS－Smartpro第四代DCS系统、浙大中控推出Webfield(ECS)系统、新华推出XDPF-400系统。目前，三家国产DCS系统供应商正在逐步获取客户的认可，例如和利时在核电、化工、水泥、热点等领域取得了一定的成绩，浙大中控在化工控制等方面业绩突出，新华公司在火力发电方面取得显著成绩，而这些都是节能减排的重点行业。虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它可以优化生产过程，为能源的高效利用做出重要贡献。

    ·能源管理系统

    制造企业的能源质量对产品优劣有着直接的关系，同时能源消耗直接影响高耗产品的成本，进而影响到一个企业的竞争力。另外，制造企业作为污染排放大户，能源的合理使用与平衡调配，对环境保护起着至关重要的作用。这些管理需要通过能源管理系统实现。

图2 模块化的能源管理系统功能

    能源管理系统（Energy management system，简称EMS）是以帮助工业生产企业在扩大生产的同时，通过能源计划、监控、统计、消费分析、重点能耗设备管理和能源计量设备管理等多种手段，合理计划和利用能源，降低单位产品能源消耗，提高经济效益为目的信息化管控系统。能源管理系统是耗能企业实现优化资源配置、合理利用能源的系统节能战略措施。

    能源管理系统在冶金企业应用非常普遍，是企业信息化系统的重要组成部分。冶金是耗能型工业，其耗能量占我国总能耗的10%左右。在钢铁总成本中，能耗费用成本约占18~35%。通过对冶金企业电力系统、动力系统（燃气、热力、氧氮氩）、水系统实行集中监控和管理，可实现从能源数据采集、过程控制、能源介质消耗分析、能耗管理全过程自动化、高效化、科学化管理，使能源管理与能源生产、使用的全过程有机结合起来，提升能源管理的整体水平。

    在这方面，罗克韦尔自动化公司的电力及能源管理系统（PEMS）有其一定的优势。PEMS能够帮助用户在整个企业范围内监视、采集、分析、存储、共享实时的能源数据。罗克韦尔自动化曾经为一家年产钢320万吨、铁270万吨、材356.6万吨的大型钢铁企业部署PEMS，半年为仅在电力能源方面就为该钢厂减少费用支出200多万元。同时能源中心的建立也增强了对全厂能源发生-输送-分配-消耗各环节的监测、协调和优化配置能力。每年平均可降低单位产品能耗1%左右。

    西门子强调的则是全集成能源管理方案（TIP）。TIP提高的全集成配电系统的解决方案包括从中压进线、低压配电、终端配电、直至墙壁开头和插座。通过使用SIMARIS design设计软件规划与设计一个新的配电网络；通过使用SIMARIS manager电能管理软件，监控和管理配电网络的经济运行，实现节能省电。