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工业企业能效评估方法研究


节 能 技 术

上海节能

工业企业能效评估方法研究
1 上海交通大学机械与动力工程学院 2 上海清洁能源研究与产业促进中心
李丹 1
2 余岳峰 1、

虞亚辉 1

摘要: 对工业能效评估的研究起源于上个世纪七十年代美国, 到目前已经开展了三十多 年, 积累了丰富的

经验, 形成了一套科学的评估方法, 并取得了巨大的社会效益。 通过借鉴其在 工业能效评估项目中的宝贵经验和科学方法, 我们研究和开发了一套适用于中小型工业企业 的能效评估方法, 并对中小型企业中的常用生产设备, 如锅炉及蒸汽系统, 水泵、 风机和空气压 缩机等电机系统, 照明系统, 暖通空调系统, 建立了相应的效率计算和节能效果分析模型。 这套 评估方法和相关的计算模型可以应用于中小型工业企业能效评估。 关键词: 节能; 能效评估; 计算模型; 锅炉蒸汽系统; 电机系统; 照明、 暖通空调系统

S tudy of Ene rgy Efficie ncy As s e s s me nt for Indus tria l Ente rpris e s
By Li Dan Yu Yuefeng Yu Yahui

Abs tra ct: The energy efficiency assessment of industrial originated from the United States in the 1970s, With more than 30 years research, It has accumulated a wealth of experience and formed a series of scientific assessment method, and has made tremendous social benefits as well. Learned the advantages and strengths, we have researched and developed an energy efficiency assessment methods for our small and medium - sized industrial enterprises. Besides that we have advanced some new assessment model for commonly equipment in small and medium enterprises such as boilers and steam system, motor system, lighting system and HVAC system. This approach can be applied to small and medium- sized industrial. Ke ywords : energy conservation; energy efficiency assessment model; boiler and steam system; electrical system; lighting system; HVAC system.

1 概述
中小型工业企业数量大, 覆盖的行业广, 但是由 于其规模相对较小, 能源的利用效率非常低, 节能潜

力大, 因此, 提高广大中小型企业的能源利用效率是 节能工作的重要方面。工业能效评估项目在美国已 经开展了三十多年, 积累了丰富的经验, 形成了一套

【 作者简介】 李丹, 男, 硕士, 上海交通大学动力与机械工程学院热能研究所硕士研究生 , 主 要 从 事 节 能 与 热 工 过 程自动化方面的研究工作。 余岳峰, 男, 博士, 副教授, 1999 年 6 月毕业于上海交通大学动力与能源工程学院获博士 学 位 , 现 任 职于上海交通大学机械与动力工程学院。主要从事热能工程、 热工过程自动化以及 节能与新能源技 术方面的研究工作。上海能源研究会会员和中国动力工程学会自控专业委员会委员。

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科学的评估方法, 并取得了巨大的社会效益。企业 通过能效评估, 可以全面了解生产的整体用能状况, 主要能耗问题及节能潜力, 最终达到降低能耗, 提高 经济效益。我们借鉴了美国在该项目中的宝贵经验 和科学方法, 并结合我国工业企业特点, 研究和开发 了一套适用于本国国情的中小型工业企业的能效评 估方法。该方法的主要研究对象是企业生产过程中 的主要耗能环节, 通过对这些环节的测试和评估, 发 现能耗问题并提出合理的节能措施。文章对中小型 企业中的常用生产设备, 如锅炉蒸汽系统, 水泵、 风 机和空气压缩机等电机系统, 照明系统, 暖通空调系 统, 建立了相应的效率计算和节能效果分析模型。 这套评估方法和相关的计算模型应用到上海市中小 型工业企业能效评估过程中, 根据各典型企业的实 际情况提出相应的提高能源利用效率的改进的措 施。通过实施该项目, 我们可以以点带面开展工业 企业的节能降耗工作, 并通过宣传对全社会节能起 到积极的推动作用。

位为 kJ, | r| 表示相关系数。 由全烟气的计算表达式可知, 锅炉的排烟由干 烟气和水蒸气两个部分组成, 同上述计算理论烟气 量相类似, 我们通过分析各煤种理论干烟气量与低 位发热量的关系, 得到如下计算关系式:

Vgyo= 0.00025811× dy+ 0.08596039(Nm3/kg) Q |r|= 0.998911
单位为 kJ, | r| 表示相关系数。 由全烟气体积 Vpy 的计算方法可知, 将干烟气 的体积 Vgy 加上水蒸气 VH2O 就可以得到炉膛出口处 的排烟的体积, 即 ( 2- 2) 式中 Vgyo 表示理论干烟气量, Qdy 表示低位发热量其

Vpy= Vgy+ VH2O (Nm3/ kg)
其中, Vgy= Vogy+ ( a- 1) Vo,

( 2- 3)

(Nm3/ kg)

VH2O=0.111Har+0.0124War+0.016aVo (Nm3/ kg)
( Vogy= 0.01866× Car+ 0.375Sar) + 0.79Vo

+ 0.0008Nar (Nm3/ kg)
式中过量空气系数 a 可以由炉膛出口处的氧化 锆 等测量仪器测量并计算得到。 求出排烟热损失还需要知道烟气的焓值和冷空 气的焓值, 通过分析计算出温度和烟气比热值的函 数, 以及温度和冷空气比热值的函数, 代入排烟温度 和环境温度求得对应的焓值。再利用公式( 2- 4) 求 出排烟热损失 q2。

2 工业锅炉蒸汽系统效率计算模型改进算法研究
一般燃煤锅炉反平衡效率计算都需要进行燃料 的元素分析, 因为燃料元素的组成直接影响着理论 空气量和理论烟气量的数值, 所以在得到燃料元素 接收基百分比后, 再测出烟气出口过量空气系数、 排 烟温度和冷空气温度以及接收基低位发热量, 就可 以算出排烟热损失 q2[1]。但是, 在进行锅炉现场测试 能效评估时, 一般不对燃料做元素分析, 因此, 我们 提出了一种燃煤锅炉反平衡效率计算的改进算法, 即根据燃料接收基低位发热量推算出该燃料的理论 空气量和理论烟气量, 从而计算出燃煤锅炉的 q2 损 失。 我们收集并分析了 52 种煤的基本参数, 根据元 素分析分别计算了其完全燃烧时所需要的理论空气 量, 通过分析计算所得到的理论空气量和接收基低 位发热量之间的关系, 得到如下计算关系式:

(%)

( 2- 4)

在上式的计算中还需要先计算出固体未完全燃 烧热损失 q4, 在不考虑炉排漏煤量的情况下, q4 的大 小只与炉渣中可燃物含量和飞灰中可燃物含量有 关, 而这两项又与燃烧时的过量空气系数 a 有关, 即与燃烧状况有关。一般来说, q4 的大小在一定范 围内, 所以根据过量空气系数 a , 首先估算出固体未 完全燃烧热损失 q4 的大小。

3 电机系统能效评估建模 3.1 根据负载优化电机功率节能计算方法
( 2- 1) 功率大小不同的电机在其额定负载下运行时其 效率也不相同。大多数电机的效率峰值在额定负载

Vo= 0.00025758× dy+ 0.11546484(Nm3/kg) Q | r| = 0.998796
式中 Vo 表示理论烟气量, Qdy 表示低位发热量其单

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75%左右取得, 当外界负载低于额定负载的 40%时,
其效率将明显下降。因此, 应该根据实际负荷的大 小来确定电机的功率, 使电机运行在其额定负载的 更高效的电机可以减少能量的 75%左右。采用更小、 浪费, 但却没有固定的法则去判断哪些电机需要更 换。 一般来说, 那些总工作在 40%额定负荷以下的电 机是非常有必要进行置换的, 如果负荷处于额定负 荷的 50% ̄100%之间, 则要进一步根据实际情况来 判断是否需要更换电机, 因为大功率的高效电机在

器产生的, 它降低了电动机的效率。因而实际的耗 能量比通过相似性原理估算得到的理论值要高, 且 流通率越低偏差越大 [2]。通过计算电动机安装变频 驱动器前后的能耗可以得到节约的电量, 其具体的 计算模型如( 3- 2) 所示: ( 3- 2) 数 ES 表示节电量 ( kWh ) , K 是由电机的功率、 量和效率等决定的常数, LF 表示电机年平均负载系 数, T 年运行的总时间, fi 表示采用变频调速后某运 行阶段所对应的负载系数, ti 表示与 fi 相应的阶段 持续运行的时间。

50% 额定负荷以上时, 其效率曲线随外界负荷的变
化非常平缓。在确定是否要降低电机功率的时候一 定要充分考虑到电机的长期运行负荷以及最大负 荷。一般来说, 大的电机效率要比小的电机高一点。 在 优 化 电 机 功 率 节 能 计 算 模 型 中 [2], 输 入 某 种 类型电机的数量、 目前电机的功率及平均负载系数、 年运行总小时数、电机带有负载的时间占运行总时 间的比重、 优化后电机的功率及其负载系数, 模型将 自动计算出目前电机效率和优化后电机效率, 再根 据效率的提高计算出年节约用电量。其年节电量可 以由( 3- 1) 得到:

3.3 空气压缩机的节能方法及其计算
在需要使用压力较低的压缩空气时, 采用小型 螺杆式压缩机不仅能更好的满足外界对气体品质的 要求, 还可以节省能源和费用。如果目前正在使用 的螺杆式压缩机的功率对当前状况来说太大了, 即 运行时出现“ 大马拉小车” 的现象, 为满足外界对气 体品质的要求, 就要通过关小进气阀或者使部分排 气阀始终保持全开等办法来实现, 此时, 消耗的功率 是满载时的 40%~ , 且其中的大部分功率是用于 85% 克服节流损失或加热压缩空气。如果采用小功率的 压缩机, 使其在绝大多数的时间里处于满载状态, 就 能够节省大量的电能[2]。计算模型可以算出当采用 小功率螺杆式压缩机替代当前使用的大型螺杆式压 缩机所节省的能源, 其具体表达式如( 3- 3) 所示: [ ( ES= K× P 1× R1e× 1e× 1f× 1f) /η T R T 1 ( - P 2× R2e× 2e+ R2f× 2f) /η] T T 2 ( 3- 3) 式中 ES 表示节电量( kWh ) , K 是由压缩机的级数, 运行时间、 入口空气压力、 出口压力和最大出口压力 等决定的 常 数 , P 表 示 电 机 功 率 , Re、 f 分 别 表 示 空 R 载和带有负载时消耗的功率占额定功率的比重, Te 和 Tf 表 示 与 Re、 f 相 对 应 的 运 行 的 时 间 , η表 示 压 R 缩机的效率, 下标 1 表示大功率压缩机, 2 表示小功 率压缩机。 空气被压缩后的压力通常比驱动设备实际要求 要高。在确保所有的设备的正常运行的情况下确定 最小压力, 由此可以节省能源开支。当压缩机工作

ES= K1× 1× 1/η- K2× 2× 2/η P LF 1 P LF 2

( 3- 1)

式中 ES 表示年节电量 (kWh), P 表示电机的功率,

LF 表示电机的负载 率 , η表 示 电 机 的 效 率 , K 是 一
个由电机的数量、 年运行时间、 电机实际带有负载的 时间占其总运行时间比重等所决定的常数。下标 1 表示优化前, 下标 2 表示优化后。

3.2 交流变频调速改造与节能
变频调速技术具有使普通异步电动机实现无级 调速、 启动电流小、 启动平滑、 减少机械的冲击力保 护机械设备、 节电效果显著等优点, 是一种较为成熟 十一五” 十大重点 的电机系统节能技术, 也是国家“ 节能工程之一。水泵、 风机和暖通空调中的电机, 其 在大部分工作时间内的效率为 50~ , 采用变频 80% 技术可以对电机实行无级调速, 从而降低功耗, 使用 电单耗平均下降 6~ [3]。 7% 与标准驱动的电动机能量消耗的相比, 经过变 频调速改造的设备( 安装变频率驱动器) 其耗能情况 并不完全遵守相似性原理。这个损失是由变频驱动

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压力比设备所要求的压力大于或等于 68948Pa( 0.68 大气压) 时, 就可以考虑减小压缩机的工作压力。在 计算模型中, 输入当前压气机压力和推荐压气机压 力、 大气压力、 压气机类型和压缩级数、 空压机功率 和效率和年运行小时数, 模型将自动计算出缩减份 额 FR , 以及年节约用电量, 其具体计算模 型 如 ( 3-

设备的使用寿命。

5 暖通空调系统能效评估建模
目前, 暖通空调的能耗占总能耗的 20% 左右。 暖通空调系统( HVAC ) 的主要作用就是增加或者移 除环境的热量、 控制环境湿度、 同时除去空气杂质, 给在区域内工作和生活的人员提供一个舒适的环 境。在不影响工作人员舒适性的前提下, 如果条件 许可, 通过程序控制等方法优化空调系统的工作状 态可以使其能耗大幅减少。空调系统优化运行可以 通过在区域内有人员负荷时运行程序控制的温控 器、定时器或者通过手动调节控制器中温度设定值 以及合二为一的方法使空调的运行状态达到最优, 这些程序控制器可以在供暖季节无人员负荷时段可

4) 所示 。
[2]

( ES= K× 1- f) × P/η

( 3- 4)

式中 ES 表示年节电量 ( kWh ) , K 是由压缩机 的负载系数、 使用系数、 年运行时间等决定的常数, f 是由压缩机的级数、 入口空气压力、 当前卸载压力和 推荐卸载压力等决定的常数, P 表示电机功率, η表 示压缩机的效率。

4 高效照明系统能效评估建模
照明用电是工厂企业最为基本的电力需求 , 照 明质量的好坏对生产安全、 劳动生产率、 产品质量和 劳动卫生都有直接关系。目前, 照明用电占全国用 电量的 12%左右。采用高效节能灯替代普通白炽灯 可节电 60~ , 节电潜力巨大, 常用的高效节能灯 80% 卤素 包括荧光灯、 紧凑型荧光灯、 LED ( 半导体) 灯、 灯、 高压卤素灯、 钠灯等。这些高效节能灯与普通白 炽灯和日光灯、 汞灯相比, 具有高发光效率、 高寿命、 高显色性等优点, 但是其昂贵的价格也是影响高效 照明设备推广应用的主要障碍, 在高效照明系统的 节能效果计算模型中我们结合了高效照明系统的价 格因素, 只要输入经过改造前后的照明设备的功率、 数目、 年运行时间、 照明设备的总用电量等参数就可 以直接计算出了经过改造后每年的节省的能源开支

调低供热温度, 同时在夏季无人员负荷时段关闭空 调系统。一般来说, 程序控制器在早上都会用两个 小时的对整个工作区域进行预热/ 预冷, 其节能效果 的具体计算模型 如 ( 5- 1) 所 示 , 只 要 输 入 少 量 的 必 须参数就能直接计算出其节省的电能[2]: ( ES= K1× 1- K2) × P/η ( 5- 1) 式中 ES 表示年节电量, K1 是区域中无人负荷 的 时 间、 空调年运行总时间、 由无人时空调运行的时间等 决定的系数, K2 是由空调温度每变化一个单位时所 节约的能源及温度设定值变化的次数所决定的系 数, P 、 表示空调机组的功率和效率。 η

6 结论 1) 我们借鉴了美国在工业能效评估项目中的宝
贵经验和科学方法, 并结合我国中小型工业企业特 点, 研究和开发了一套适合中国工业企业的能效评 估方法, 并提出了一系列的适用于工业企业蒸汽动 力系统, 电机系统, 照明系统和暖通空调系统节能效 果计算模型和改进算法, 并在实际评估过程中取得 了显著的效果。

[2], 能 源 开 支 的 节 省 由 运 行 费 用 的 节 省 , 变 压 器 容
量费用的节省和用电量的节省三个部分组成, 其具 体的表达式如( 4- 1) 所示。 ( ( TCS= ( K1+K2) × P 1- P 2) +K3× C1/t1- C2/t2) ( 4- 1) 式中 TCS 表示进行照明改造 后 节 省 的 能 源 开 支 总 量, K1、 2、 3 是由运行时间、 改造数目、 照明用电量 K K 的大小等决定的常数, P 1、 2 分别表示改造前、后单 P 位照明设备的功率, C1、 2 分别表示改造前、 后单位 C 照明设备的成本, t1、 分别表示改造前、 后单位照明 t2

2) 通过能效评估, 可以帮助企业和政府更好的
了解整体用能状况、 主要能耗问题以及节能潜力, 为 今后持续开展节能降耗工作积累了大量宝贵的经验 和方法。企业也可以根据能效评估的结果, 结合实

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际情况, 为以后有序地开展和推进节能降耗工作奠 定基础, 以被评估的企业为点, 以企业所在的行业为 线, 以点线带面推进工业企业的节能降耗工作, 并通 过宣传对全社会节能起到积极的推动作用。 参考文献

[1] 范从振. 锅炉原理, 中国电力出版社, 2004 [2] DIECO
十一五” 十大重 [3] 国家发展和改革委员会 . “ 点节能工程实施意见 2006. 7

DIR ECTOR Y

OF

INDUSTR IAL

3) 在项目的开展过程中, 许多在校本科生和研
究生都参与到项目的过程中。因此, 通过能效评估 项目, 培养了大学在校学生的节能意识和节能工作 能力, 为今后进一步培养企业节能工程师奠定了基 础。

ENER GY CONSER VATION OPPOR TUNITIES

2007 中国酒店业节能增效运作论坛
为了推动酒店宾馆节能减排, 创建绿色饭 店, 上海市节能协会会同上海社科院旅游研究 中心, 于 9 月 9 日联合举办了“ 2007 中 国 酒 店 业节能增效运作论坛” 。 会 议 在 杭 州 萧 山 市 休 博 会 主 要 场 所—— — 杭州第一世界大酒店举行。出席论坛的有来 自长三角地区及全国各地的酒店高层领导、 工程部经理等约 70 余人。 论坛演讲嘉宾有: 中国旅游饭店业协会副 会长、 上海旅游协会会长吴怀祥、 浙江省旅游局 处长萧歌, 上海市节能协会常务副秘书长蓝毓 俊、 上海建科院建筑节能技术公司董事长叶倩、 上海社科院旅游研究中心主任王大悟教授等众 多酒店、 建筑、 节能方面专家学者。 上述专家从多方面论述了我国酒店业面临 节能减排、 增效, 创建绿色饭店的繁重任务和节 能工作必要性、紧迫性。专家们介绍了酒店节 能运行操作的实施办法—— —大力推广合同能源 管理模式和做好酒店节能对标管理、 节能咨询, 把节能减排抓出成效。 节能协会组织有关会员单位参加了本次论 坛: 上海国际会议中心工程总监刘有栋介绍了 他们的近 10 万 m2 大酒店长期重视节能的先进 经验和节能改造案例。 上海艾耐基节能科技公司经理刘新续在论 坛上介绍了中小型酒店热水系统改造的先进节 能技术。 通过本次论坛, 加强了节能协会与旅游 饭店协会的沟通和交流, 大家都看到了酒店 业节能有很大空间和需求, 节能服务的内容 十分广泛。 各协会将进一步合作与交流, 推动节能减 排, 初步商定, 在今年四季度联合召开一次上海 地区的面向酒店高层领导的节能研讨会, 全面 推动酒店业的节能减排工作。 ( 丰 璞)

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