能源变成过程变量

发布时间：2008-05-25 作者：Peter Welander

　　在未来，四个重要的参数中会引入新的成员吗？尽管电能的消耗与流量或压力的计算不同，充分最优化的使用电能，还是可以在过程处理环境中节省大量的资源，同时还有利于减少碳的排放。

　　如今工业能源消耗已成为日益严重的问题，其形势十分严峻。除了一大堆显而易见的原因外，公司和个人也需要开始考虑能源是如何被消耗的，并且努力找到可以从各方面充足利用能源的办法。三十年前，吉米·卡特总统把美国的能源自给比作一场“道德上的战争”。现在虽然这句话在其政治上的用意和动机已经改变了，但是对于节约能源的重要性来说并没有改变。拿减少碳元素的排放来说，实际上就是一场道德上的战争。而对于其他方面，节约能源的努力可以缓解持续攀升的油价，并且还有很多减少工厂控制系统能源消耗的额外需求。

　　宏观层面：碳的排放
　　虽然很难预测其政治前景，但能源节约与碳的减排很有可能因为以下两个因素而开展起来：削减成本以提升利润以及政府的管控。当前美国一年的碳排放量为72亿吨，数据显示到了2030年这一数值会达到97亿吨。对于控制碳排放量的立法提议有很多种，从激进的减排到控制排放增长速度都有。比较中庸的看法是将排量限制到当前排量略低的水平上，这意味着如果得到有效地实施未来的20年可以减少30亿吨的排放量。
　　将排量稳定到当前水平或者比其略低，会增加额外的支出，但是长期看来还可以通过其他的方法达到降低成本的目的。一些企业家相信这如同清洁一样有效，通过有益的成本控制来减少或避免遵守规定时付出的代价。
　　“许多温室气体的排放都和能源或燃料的消耗有关，” 霍尼韦尔过程解决方案的全球市场销售副总裁Harsh Chitale说道，“通过减少能源和燃料消耗的同时你也减少了碳的排放，而且节省了成本。燃料的节省也就抵消了初期的投入。”
　　霍尼韦尔公司参与了麦肯锡近期进行的温室气体排放研究，并且计算出仅其自给经费的项目在碳减排上的贡献就可达到17亿吨，折算成现值可以节省几乎一半。不幸的是资产比较更倾向于净产值，但当两个拿来一起衡量的时候，最终结果还是更接近经济实用的一方。对于单独的工厂来说最终的选择要视具体情况而定。

　　微观层面：工厂
　　那么在对宏观目标有了清晰认识的同时，我们又如何在工厂这样的层次上更好的应用它呢？
　　要知道能源消耗的概念在很多领域里都要使用，如过程处理和其他制造业工厂等，而在本文中，我们要使用辅助电机而造成的电能消耗。辅助电机似乎听上去并不是能源消耗的大户，而据美国能源部估计，由电动机驱动设备在工业生产部门电力消耗所占的比例为64%。
　　研究表明在美国能源投入最大的工业企业，电机系统每年消耗了近似为2900亿千瓦时的电量。如果将这个数换算成每秒的消耗量，用来转动工业电动机的能量可以达到3.3×1010瓦（相当于50-60座燃煤发电厂所输出的全部电量）。

　　测量并控制
　　解决电能的消耗是工厂经营者寻找解决降低成本的最终方案之一。历史上在使用泵、压缩机和送风机时耗散的能量，一般是认为属于额定消耗。比如一台泵额定为20马力，不管其是否运转，能量的多少取决于处理过程的需要，因此可以用来最优化的方面并不多。可能会有人提出这样的建议——使用一台效率更高的电机，然而事实上我们已经这样做了。
　　电能的消耗一般是通过维护或对更大的电力部分的监控得到的，但是从来没有被引入到一个生产过程中去系统的考虑，更不用谈其细节了。西门子能源与自动化集团的DCS市场顾问Moin Shaikh指出了问题所在：“公司虽然了解其在能源上的开销，但是并不知道如何精确到每项操作上所消耗的份额是多少。假设你有一个过程控制系统和一个能源管理系统，它们彼此不同或是处于不同的环境之中，并且不再附加到这个过程之中。如果想让其与过程产生联系，就必须让其处于同一个系统之中。只有将能源消耗与过程联系到一起，才可能知道能源是在何时何地消耗的。”
　　大多数人一开始就将着眼点放在整个设施上，而不是细心挖掘每个小单位的潜力。Shaikh又说道：“一旦你将自己的目光放在了生产过程中使用的驱动电机上，同样如处理过程中用到的能源管理系统，仔细分析过程的每一步，将过程中消耗能量的单位锁定，你就可以深入发掘其中可以节省能源的部分了。”
　　所幸的是这个领域的技术在不断地进步，监控调节单独电机和驱动系统层次的电力消耗的问题已经可以得到完善的解决。电机控制装置可以集成智能功能同时将工厂状态报告给操作员和维护部门。它们所具有的典型特点如下：
　　■ 电源质量——电压波动、谐波问题、相位问题；
　　■ 电机运转状态和趋势——传感器可以监控指示绕组温度、电能消耗、电机启动等；
　　■ 负载及功率状态——设备电机的负载数据可以为探视过程提供一个有利条件，如泵提供特定流量是的功率、时间曲线等；
　　■ 运行效率——从节省成本上来讲最终的信息就是效率，支持运营成本的计算、设备的选型和有可能增加容量等。
　　公司考虑加入这方面的能力时可能会发现，在他们现有的控制网络设施中，在数量巨大的伺服电机间增加通信是不能完成的任务的。而在现有装置中加装智能马达控制系统则没有太大困难，数据通过数字通信（如Modbus或Profibus）传至DCS。这种方法可以减少系统中电机数量或布线，无线也可同样选择。

　　操作员任务会增加吗？
　　这些信息会很快出现在工业过程中控制室的电脑屏幕上吗？
　　“不会那么快的，”Shaikh说道“因为工厂中的操作员数量少，他们往往需要负责很多过程控制中的事务，你不能再扔给他们更多的任务了。电气性能参数有可能来自同一个控制系统，但是却要在不同的人工界面显示。”
　　那些操作员可以根据电能消耗来设置采样参数点的可控过程很少，不可否认这种过程是存在的并且早处在控制之中。但对于多数的装置来说会显露出这样的问题：我们能否在维持过程不变的前提下削减电能损耗？

　　降负荷能力
　　在某些地区，电力行业可能碰到这样的情形：客户被要求削减电量供应，这是因为出现了某些异常的高需求或是因为发电能力已经达到极限。降负荷的要求可能来自于某一个通知或是计划好的停电，也可能是由于系统故障而导致了数分钟的停电。而响应这些要求的公司会得到电力行业某种形式的补偿，如价格优惠或是在断电期间将电输送回发电站。
　　“工厂遇到的一个问题，即使是大型制造厂也是根据需求反馈的”，Square-D PowerLogic division的全国市场拓展部经理Philip Barton表示。“电厂与它们的大客户签订了让电合同，这使得那些大企业意识到需要采取措施降低自己的电力消耗。电厂要求客户降低负载一般出于价格控制和稳定问题。价格控制指批量电能的价格上涨，电厂会提前一天通知。而稳定问题一般由于电厂的发电机出了问题，这种情况就很难事先通知。”
　　很明显许多生产过程不能依靠简短的通知而将工厂的车间停车，但是如果电力的消耗被很好的监控和管理，或许可以选择关闭某个分车间。大型生产工厂拥有内部发电能力，在环境需要时可以转换输电线路。
　　有时工厂甚至主动要求让出自己的电力负荷，“许多大工厂都是批量用电的，而电价总是在浮动的”，Shaikh说道。“一位客户甚至告诉我他们的电价每五分钟就浮动一次。如果工厂的一部分需要停车维护，通过能源管理系统他们知道节省了4×107瓦的电能，或许他们可以通过其他线路将这些电能送回发电站。打电话告诉发电站：‘未来16个小时我们将会节省下40MW的电能，要是电站能将这部分电能卖给其他的客户，我们工厂也会因此受益。’
　　对于这种能力的需要对处于不同地点、不同季节的工厂是不一样的，所以不能因此提供一个统一的鉴定标准。

　　制定基准实施优化
　　得到关于能源消耗的详细信息就为研究过程性能，如基准、最优化或探索其的改进方法提供了重要信息。如果没有足够数据的支持，就只能得出毫无意义的结果。
　　“1992年综合能源政策法案（Epact）——为了提高能源使用效率并通过提供能源折扣和投资来激励企业的法案，希望可以通过减少每台设备电气损耗的方式来降低整体的成本。”传感器家族成员Eaton’s CurrentWatch公司的产品经理Jeff Otterstein说道，“当今普遍使用的传感器可以帮助我们确定能源消耗在了哪些环节，通过实时监控可以提前发现哪些环节导致了能源的浪费。将它们在用于观测的点上展开进行研究并不困难，不但可以分析整个过程的能量消耗，还可以分析大型仪器的几个部分。这些数据用来与每项操作或仪器进行匹配，它们对于电能消耗的预测和优化非常有价值。”
　　现在降低能源浪费使用的科学技术已经摆在我们的眼前，我们要做的就是将其付诸实施。

　　高效电机是否经济实用？
　　

　　购买电机所占的成本只是整个电机在寿命期内所有成本的很小一部分。根据数据统计维护成本与购买价格大致相等，能耗成本占了总成本的最大部分——通常为90%。
　　ABB美国低压电气经理Jim Clark计算了以上的数值：“假设电机消耗的能量占用电量总数的2/3，那么在电机运转的前30~60天电机运转耗费的能量就相当于其购买成本了。于是将能源更好地利用起来就成了最重要的目标。ABB因此在这项领域投入巨资来保证他们在电气方面的性能处于世界前列。”
　　虽然电机的购买成本在其总成本中的比例变大了，但是从长远来讲整体的成本小了，达到了节省的目的。
　
　　更换负载不足的电机是否是最佳的处理办法？　　

　　工程师在进行设计的时候都希望为系统将来的升级留出余地，而不希望为留下瓶颈。这种思想融入了每一种设计之中，比如说泵与风机都被扩大化了。一项在四个工厂进行的关于电机的研究表明，这些电机只是达到了额定负载的60%。
　　也即是说，一台25马力电机的工作可由一台20马力的电机来完成，那么是否使用负载更相称的电机更合适呢？答案往往是这样的，但并不总是，但它们之间的差距不足以衡量工作。
　　传统型和高效电机的效率在达到额定负载的75%时最高，其动态曲线在负载50%到满载之间是齐平的，所以电机最有效负载区间是50%以上的一段。
　　美国能源部建议大家做决定之前，需要了解以下几点：
　　■ 电机的负载；
　　■ 负载时电机的运转效率；
　　■ 满载时的速率；
　　■ 更换后电机的满载速率。
　　从这些数据中可以计算出装置功率或电压的实际对比，美国能源部“挑战电机项目”给出了一个包含有必要计算方程的小软件。
　
　　泵排量的调节：对比阀门与变速电机
　　

　　工厂中使用的电机驱动装置往往被扩大化了，这是非常普遍的，比如一个定速电机驱动的泵或风机提供的输出往往超出了所需的水平，因此就要通过阀或阻尼器进行削减。
 “这种问题在业界很常见，并且还会持续下去”，ITT控股子公司PumpSmart的产品经理 Dan Kernan说道：“与节省能源比起来，确保足够的压力将所需的产品或工序运送到所需部门永远是更重要的。如果你来进行泵抽水系统的设计，其中你最不想做的是选择一个很小的泵。因为用阀门降压容易，而再更换泵却很难。”
 “一个简单灵活的解决办法就是变速抽水，考虑到泵最大可能使用到的情况，正常工作时将压力调低。这提供了一个更加高效使用能源的办法，并且控制的范围更广。当然在泵排水系统中还有很多因素影响了电机转速，但在泵的整个生命周期中往往你会发现变速抽水应是最符合成本效益的解决方案。”
　　这种做法确实能节约能源，并根据应用的不同差别可达50-70％。当输出阀或阻尼器被控速马达取而代之，控制泵的速度就变成一件简单的事。如果泵处于一个PID控制回路中，电源是一个过程变量。
　　那么是否还有需要安装定速电机地方？如果负载在绝大多数时间是一致的，而且电机性能与工作任务相称，那么就不需要电机有变速功能。但随着变速电机的单位成本逐渐下降，它们如今已不再是奢侈品。

　　能源创新部门

　　美国能源部有一系列部门专门帮助解决工业中能源应用的问题，一个被称作“节约能源，行动起来”的项目帮助公司分析并优化各种方式能源的使用。这个项目主要是指明了工厂进行生产设备能源管理节约能源和资金的方向，把注意力集中在能源密集型的计算、设备的选型和有可能增加容量等。
　　公司考虑加入这方面的能力时可能会发现，在他们现有的控制网络设施中，在数量巨大的伺服电机间增加通信是不能完成的任务的。而在现有装置中加装智能马达控制系统则没有太大困难，数据通过数字通信（如Modbus或Profibus）传至DCS。这种方法可以减少系统中电机数量或布线，无线也可同样选择。