我國電機系統節能進展和對策*

秦宏波

(上海市能效中心，上海 200040)

0 引言

電動機廣泛應用于工業、商業、農業、公用設施和家用電氣等領域，用于拖動風機、泵、壓縮機等各種設備。電機系統包括電動機、被拖動裝置、傳動控制系統及管網負荷，其用電量在各個國家的總用電量中均占有相當大的比重。根據美國能源部的統計數據，電機系統用電量占全美用電量的50%，占其工業用電量的70%。根據歐盟的統計數據，電機系統用電量占歐盟總用電量的42%，占其工業用電量的69%。根據國家發展和改革委員會2003年的調查結果，電機系統耗電約占我國用電量的60%以上。其中，風機、泵類、壓縮機和空調制冷機的用電量分別占全國用電量的10.4%、20.9%、9.4% 和 6%［1］。國際銅業協會進行的“全國電機現狀市場調研”結果顯示:2007年，我國各類電動機裝機總容量約為7.28億kW，耗電量約為19 566 kWh。

由于電機系統消耗了大部分的工業用電，因此提高該系統的能效水平對于各國的能源節約和環境保護具有重要意義。歐盟預測，對不同功率的電機效率提高1% ～6%，可節能3%，每年可節約電能276億kWh，相當于5座100萬kW電站的供電能力。根據國際銅業協會預測，在我國通過提高電動機的能效標準和推廣高效電動機的應用，到2011年可累計節電764億kWh，減排二氧化碳7 640萬t。

1 我國電機系統能效現狀

改革開放以來，我國制造業有了長足發展，近些年企業通過自主研發和消化吸收，電動機、風機、泵、壓縮機等相關產業的產品性能、質量有了顯著提高，對推動電機系統的節能工作起了很大的促進作用。但與發達國家相比，我國的電機系統尚存在很大的節能潛力和技術升級空間，主要表現如下:

(1)電動機和被拖動設備效率低。

我國生產和在用的電動機以Y系列為主，占據了近90%的市場份額，其效率平均值為87.3%。美國高效電動機效率平均值為90.3%，該效率為美國能源政策法令所規定的市場準入水平，美國超高效電機的效率平均值為91.7%。我國Y系列電動機效率比美國等先進國家的高效水平平均低3%，比美國超高效水平平均低4.4%。雖然目前國內已有40多家企業能夠生產高效電動機，但高效電動機的市場規模依然較小，僅占整個市場的10.4%，且相當一部分高效電動機出口海外，真正的國內需求較少。

風機、泵、壓縮機產品效率比國外先進水平低2%～4%，雖然設計水平與國外先進水平相當，但制造技術和工藝有差距。

(2)系統運行效率低。系統匹配不合理，“大馬拉小車”現象嚴重，設備長期低負荷運行。系統調節方式落后，大部分風機、泵類采用機械節流方式調節，效率比調速方式約低30%。電機系統就運行效率而言要比國外先進水平低10%～20%。

(3)節能技術和裝備水平相對落后。

電機傳動調速及系統控制技術與國外相比差距較大，電力電子變頻調速技術與國際先進水平相差5～10年，國外變頻調速技術和產品主導我國電機系統市場，采用IGBT/IGCT電力電子器件的高壓變頻器及技術主要靠國外進口，價格較貴;而且，安全可靠性方面還有待進一步提高，企業不愿承擔經濟和技術風險。因此，采用變頻調速的電機系統仍為少數，不到總量的10%。

根據美國和歐盟電機挑戰計劃，以及近年來在進行的大量電機系統節能測試評估和節能改造項目的經驗，空氣壓縮機系統的節能潛力多為10%～50%，泵系統的節能潛力為20% ～40%，風機系統的節能潛力為20%～60%。由于這三個系統就占了全國耗電量的40.7%，因此開展電機系統節能對我國“十一五”期間單位GDP能耗下降20%的節能目標，實現建設節約型企業、發展循環經濟和清潔生產的任務具有重要意義。

2 各國電機系統節能推進措施和項目

由于電機系統耗電在世界各國均占有相當大的比重，隨著能源形勢的日益緊張，世界各國，特別是發達國家均開展了電機系統節能工作。美國于1999年起動了“電機挑戰計劃”，美國能源部成立了工業技術辦公室，專門致力于開展電機系統節能的推進，開發了大量有關泵、風機和空壓機系統節能的技術資料和MotorMater、PSAT、FSAT、AirMaster等進行系統分析的軟件，并專門成立專家組和工業評估中心，為企業提供技術培訓、節能評估和開發示范項目等服務。

歐盟也于2003年起動了“電機挑戰計劃”，促進其電機系統節能工作的開展。除此之外，歐美等發達國家還通過制定相關的財稅政策，利用合同能源管理等市場機制來推動企業實施電機系統節能項目。

在聯合國工業發展組織(UNIDO)的支持下，我國于2001年底以上海市和江蘇省為試點，實施了為期3年的中國電機系統節能項目。其目的是將美國電機挑戰計劃的成功經驗引入我國，通過專家培訓、企業技術人員培訓、現場測試評估、開發示范項目等措施，提高我國電機系統節能評估和實施項目的能力。在項目期間，上海市節能服務中心于2002年6月成功完成了上海第一個以合同能源管理方式實施的節能改造項目，通過對上海新亞藥業有限公司循環水系統的節能改造，節能量超過60%。接下來通過項目復制完成了上海虹港大酒店、永安百貨、上海南方商城等中央空調系統的系統節能改造，節能效果均非常顯著。

2005年6月，在聯合國開發署(UNDP)和全球環境基金(GEF)的支持下，我國起動了為期12年的終端能效項目，項目中涉及到電機系統的子項目有C01(開發電機系統節能培訓教材)、A06(制定和示范實施現有和新增電機系統優化設計準則)、A07(電機系統節能服務機構的能力建設)和A15(企業電機系統節能的培訓和教育)4個子項目，具體如下:

(1)C01子項目的工作任務是開發電機系統節能培訓教材，作為國家和地方節能中心開展電機系統節能的培訓教材。培訓對象為政府主管節能管理人員、企業節能管理工程技術人員和能源服務機構的工程技術人員等。

(2)A06子項目的工作目標是:根據目前國內電機系統設計的特點，在廣泛征求設計院、高校、研究所、電機制造商意見的基礎上，制定新增和現有電機系統優化設計準則，并選擇4家設計院通過對其高級設計人員進行對新增和現有電機系統優化設計準則的示范實施。

(3)A07子項目的目標是通過國際專家對四家節能服務機構(上海市節能服務中心，江蘇省節能服務中心，北京動力源科技股份有限公司，湖北三環發展股份有限公司)技術人員的技術培訓，全面提升四家節能服務機構在風機系統、泵系統、壓縮空氣系統和高效電機等節能服務方面的能力，再通過這些機構為企業提供有針對性的、高質量的電機系統節能培訓和服務，促進企業加強電機系統節能管理和實施節能項目，不斷提高電機系統的運行效率和能源利用水平，實現顯著的經濟效益和環境效益。

(4)A15的主要目的是根據C01子項目編寫出的電機系統節能培訓教材，選擇6個省級節能中心，對其轄區政府主管節能管理人員、企業節能管理工程技術人員和能源服務機構的工程技術人員進行技術培訓。

除此之外，國家能源標準化委員會近兩年還修訂了電機系統的產品能效限定值和節能評價值標準、電機系統的經濟運行標準、監測標準等相關標準，并制定了電動機的能效標識，從標準制定上促進我國電機系統節能技術的推進。

國家“節能中長期規劃”中明確電機系統節能是我國十大重點節能工程之一，為了推進其開展，我國相關部委積極研究制定相關的財稅政策和市場機制來推進電機系統節能工作。上海從2007年就開始了節能技改項目的獎勵政策，規定節能量折算成標準煤超過500 t的項目，每噸標準煤按照300元進行補貼。同時，對以合同能源管理方式實施的項目，且符合相關條件的，對合同能源管理公司進行一定的前期節能診斷補貼。

3 電機系統節能潛力分析方法

電能在電機系統的流向依次為電機起動器、供電線路、電機速度控制裝置、電動機、聯軸器、拖動設備(泵、風機等)、流體系統，一直到終端負載，每個環節均有效率損失。因此，電機系統節能的目的是要達到整個系統效率的提高，它不僅追求電機和拖動設備等每個環節效率的最大化，而且要達到整體效率的最大化。由于電機系統是服務于終端負載的，因此對電機系統節能潛力的分析應與電能的流向相反，以終端負載為起點進行逆向分析。具體如圖1所示。

圖1 電機系統電能流向和節能分析方向圖

目前，針對電機系統節能可以選擇的節能技術有很多，但并不是每一項節能技術用在任何一個系統中都會起到很好的節能效果。提高電機系統效率的最有效方法就是應用系統的方法對系統進行評估，不僅需要分析系統的供應端和使用端，還要分析兩者之間的相互作用，把關注的重點從單一設備轉移到整個系統。典型的系統分析方法通常需要進行以下工作:(1)分析當前的工藝生產需求，以及未來的生產發展需求;(2)了解系統當前的運行狀態和參數;(3)收集系統運行數據并對其進行分析;(4)提出替代的系統設計方案和改進;(5)對潛在的節能方案進行比較，確定技術上最可行、投資回報最合理的方案;(6)對確定的方案進行實施;(7)繼續檢測和優化系統;(8)繼續運行并維護系統，保證系統高效運行。

4 電機系統節能技術

對于電機系統節能，可用的節能技術和措施，總的來講可分為以下兩類:

(1)提高系統中單臺設備的運行效率。如選用高效低耗的機電設備，電動機加裝節能控制器，更換裕量過大的設備，開展有效的設備運行管理等。提高設備效率的本質在于降低設備自身的損失，當系統已經比較符合節能要求時，只要對這些設備進行簡單的更換調整，就可使系統成為一個較佳系統，收到良好的節能效果。但提高單體設備效率在技術上畢竟有限，對一個具體系統來說，其實際帶來的經濟效益往往不是很可觀。

(2)系統改造。若在對系統進行分析時發現系統因結構不合理、設備不配套、調節方式不恰當等而導致系統低效率運行時，則需要對其進行系統改造。系統改造的目的在于如何使總的輸入能量盡量降低，輸出能量盡量提高，以及盡可能多地回收能量，而較少考慮單臺設備本身的效率。如改變工藝流程結構、選擇合適的調節方法、減少調節損失;改變操作條件、確定最佳運行參數、使設備發揮最大效能;調整系統結構和設備的組合方式、合理配套，降低不必要的能耗等。

對于一個具體的電機系統節能改造項目，可能有多個節能技術方案可供選擇。需要強調指出的是，節能改造技術方案的最終確定，不可簡單地根據各可選方案的節能效果來決斷，也不可因片面追求節能效果，而不考慮經濟收益、產品產量和質量及工作環境等情況。應該根據有關經濟原則，綜合考慮產品的產量和質量、環境條件、技術的復雜程度和可靠性等多種因素，在此基礎上對各方案進行技術經濟綜合評估，并確定最終的、最佳的節能改造技術方案。

5 示范項目

上海市節能服務中心近年來一直致力于電機系統節能項目的前期評估和示范項目，在實施電機系統節能項目和終端能效項目期間，吸收國外成功的系統測試診斷評估的經驗，完成了約300個風機、泵和空氣壓縮機系統的測試評估工作，基本上包含了上海市的工業、商業和市政領域的電機系統，其中很多項目得到了成功實施。比較有代表性的節能項目如表1所示。

表1 有代表性的電機系統節能項目表

6 結語

通過上述分析可以看出，電機系統雖然在電力消耗中占據較大的比重，但具有非常大的節能潛力和復制性，已成為國內外政府和企業關注的重點。要在我國全面推進電機系統節能工作，需要政府主管部門、企業、供應商、節能評估機構和第三方節能檢測機構等多方共同努力。上海市從2009年開始重點推進電機系統的節能，起動了年耗電量500萬kWh以上重點耗電企業的電能平衡工作，通過整合系統節能潛力評估機構平臺、供應商平臺、第三方節能量檢測機構平臺，對企業進行節能工作提供前期節能診斷、中期節能改造和后期節能量認證的整個過程進行支持，這無疑將對企業降本增效、節能減排和發展循環經濟起到非常重要的推動作用。

［1］中國電機系統節能項目組.中國電機系統能源效率與市場潛力分析［M］.北京:機械工業出版社，2001.

［2］中國節能協會節能服務產業委員會.電機系統節能實施手冊［G］.2008.

［3］國際銅業協會.電機系統節能培訓教材［G］.2008.