能源管理：更高效的第一步（第二部分）

发布时间：2009-06-28 作者：David Greenfield

　　这一系列的文章，将给出一些例子--关于工程师如何在工厂内部几乎不增加开支的前提下找到能源浪费的根源。第一部分（CONTROL ENGINEERING China2009年5月刊）关注的是工厂、设备用电、电机和驱动；第二部分将关注能源重用以及专项节能方案。

　　在很多制造企业、尤其是流程工业中，锅炉都是一个主要的能量来源。因此，优化锅炉燃烧过程，在设备和环境允许的范围实现效率最大化就显得十分重要。改进燃烧控制是降低工厂运营成本、提高安全性的一项最简单的方法。
　　“有效的燃烧控制是指对于锅炉燃烧控制多变量、效率最优、基于模型可预测的控制”，霍尼韦尔过程解决方案公司发电产品市场经理Ming Ge说道：“燃烧控制应该在燃烧室内达成一个尽量高的空燃配比，因为燃料的参数都不尽相同，并且还会受到其他影响。空燃（A/F）配比更高，就意味着无论是在稳定还是动态的环境下，都可以降低排放期间的变化。变化的减少也就让燃烧过程效率更高。”
　　然而，在锅炉效率和对于燃气排放的关注之间存在一个平衡。“锅炉效率取决于A/F比率，因此需要计算最优的空气燃料比，这样在保证燃烧效率的热量效率最大的同时，限制一氧化碳和氮氧化物的用量。” Ming说道，然后计算A/F比例，确保排放不会超过阈值限制。
　　通过A/F比例监控进行有效的燃烧控制，还可能获得如下收益：
　　■ 燃料用量减少2%~5%；
　　■ 温室气体排放减少2%~4%；
　　■ 总体运营和维护成本减少3%~5%。

　　燃烧进给计划和安排
　　有时对于一家工厂来说，减少能源成本可能简单到只是购买便宜的能源。而购买到便宜的能源需要计划和安排，对工厂在一段时间如何满足可能的需求进行预测。计划员需要考虑可以在其工厂内使用的能源类型，以及如何搭配保证工厂的需要。
　　霍尼韦尔过程解决方案公司精炼事业部高级市场经理Pat Kelly说：“不同原料的生产和质量数据以及过程单元配置、物料可得性以及价格方面的知识，共同构成了运营计划的输入变量。一个优秀的计划工具应该可以同时考虑产品组合限制、能源成本，甚至二氧化碳排放限制和费用，以确定可以实现工厂利润最优化的给料量。”
　　尽管这些计划可以帮助确定给料量，但是它们并不提供具体的操作指南。如果要执行某一计划，它必须被转化成几天或者几周之内合理的行动。
　　“这可能是一个复杂的步骤，许多计划员需要借助图表才能制定出可行的操作安排。”霍尼韦尔过程解决方案公司化工与能源事业部高级市场经理Brendan Sheehan说：“因此，他们通常会采用他们知道的最可行的方案，这可能需要根据一个常规数据库进行更新。然而，使用安排模型可以帮助用户找到最优的安排方式，在数量、质量和逻辑的限制下实现利润最大化。除此之外，这个模型还可以根据特定需要运行，反映出工厂环境的任何变化或者给料是否可行。”
　　Kelly认为，通过改进计划和安排来优化给料选择，一家规模在每天100,000桶的炼油工厂的能源效率通常可以提高2%，相应的每年二氧化碳的排放可以减少12,000到24,000吨。

　　窄点分析及能源重用
　　广为接受的能效提高方法包括预热蒸汽的热量回收，用于对过程中的蒸汽进行预加热，而这些蒸汽通常是需要锅炉中使用燃料加热的。这一过程的困难之处在于，要确定哪些蒸汽应该预加热、要加热到什么程度，哪些蒸汽需要冷却而又冷却到什么程度，加热和冷却的界限又在哪里。
　　解决这一问题的最好方法，首先就是获取生产单元能量流的精确信息，可以测量每种蒸汽相关的能量和物料流。霍尼韦尔的Sheehan推荐道：“你可以根据流量表提取必要的热量数据。通常，需要加热的蒸汽被标注为‘热’蒸汽，而需要冷却的蒸汽被标注为‘冷’蒸汽，每个都有一个起始温度、热容量、流速以及预计要达到的期望温度。”
　　Sheehan指出通常存在一个最小安全温度（DTmin），也就是温度-热含量图上“热”曲线和“冷”曲线之间的最小安全距离。“两条曲线之间的最小距离被称作窄点”，Sheehan说道。窄点分析提供了一个能耗最小化的目标。
　　“如果存在多股蒸汽，它们在图上也会合在一起，所以温度-热含量图上会出现冷热‘复合曲线’”，Sheehan说：“将两条组合曲线尽可能的靠近，直到达到最小温度差值的目标，这时候窄点就出现了。你还可以看到过程面向目标最小安全温度所需的冷热收益。”
　　窄点分析可以在热交换网络设计之前，快速识别出可能的能源节约程度。然而，由于组合曲线虽然给出整体收益水平，但是却没有涵盖具有多个冷热水平的情况，所以窄点分析并不直接提供能源节约的数字。
　　Sheehan还介绍说“为了解决这一问题，我们将冷组合曲线向上移动1/2个最小安全温度，将热组合曲线向下移动1/2个最小安全温度，从而建立了一个‘总复合曲线’，这一‘总复合曲线’的建立来自两条组合曲线移动之后的焓差。”
　　按照这种方式，总体的能源目标得以保留，而效用负载并没有改变。对于移动曲线的进一步修正，允许加入多个效用资源（比如高压和重压蒸汽，或者冷却水），并且保证DTmin一直不变。
　　“效用曲线与总复合曲线的交点被称作效用窄点。这些窄点中的任何一个被破坏，都会导致热负载从便宜的效用水平跃升至昂贵的效用水平。”Sheehan说，“这就可以了解在锅炉继续加热之前需要多大程度的预热，以及在使用冰水进一步制冷之前，产品需要冷却到何种程度。”
　　Sheehan提到面向能源效率热交换网络的最佳设计，通常需要考虑设备与运营成本之间的平衡。他说：“DTmin的值越小，能源花费就越低，但是热交换的成本就会上升。另外需要注意的问题是：热交换的总面积、可获得资源的位置和类别以及热交换单位的数量。”

　　人机界面：几乎不增加成本
　　现在，你可能已经发现，年轻人会告诉她的同伴，如果手机充电器连在电源上，即便没有为手机充电，实际上也在耗电。与之类似的例子是人机界面（HMI）的背光板。
　　在最先进的PC机和大型人机界面上，TFT显示屏的背光源可以进行配置，选择在一段时间后关闭，尤其是背景光没有采用LED的时候。这不仅增加了背景光源灯泡的使用寿命，还可以根据显示器屏幕的大小节约2~8W的能源。
　　为了形象的说明，博世力士乐公司元器件销售经理Peter P. Fischbach举了一个例子。他说，如果假定绝大部分的控制和人机界面都是一年365天每天24小时连续工作的话，一台功率为5W的中等尺寸显示器每年的用电量是44KWh，换成费用的话就是4.40美元（按照0.1$/kwh计算）。
　　这个数字很小，但是如果考虑到许多工厂里拥有成百上千的背光板显示器的话，其节约还是显而易见的。绝大多数人机界面因为使用电子元件（比如PC、HDD、Flash等），它们的功率是20~100W，这就意味着可以节约10%~15%的能源开销。

　　除了调暗显示屏可以实现成本节约之外，还要考虑这些显示器在点亮状态下散发的热量还需要使用空调耗电进行调节。

　　别忘了HVAC
　　你可能并不是一个工厂工程师，但是如果你所在的地区气候温暖的话，工厂空调系统的花费绝逃不过工厂管理人员的眼睛。为了实现大片区域的制冷，传统上商用和工业中央空调系统通常需要多台机器。这也就是常说制冷机，通过蒸汽压缩或者吸收制冷使用制冷液消除热量，控制气温。
　　CEMS Engineering（一家位于南加州的工程公司，服务于工商企事业单位和政府机构）开发了一项新的技术，可以在保持建筑物内部凉爽的同时，减少制冷机的能耗。CEMS Engineering使用了NI公司的紧凑型FieldPoint可编程自动控制器，从制冷器直接获取实时的输入数据，然后利用这些数据确定新的操作指南，再将其发回给制冷机。这些操作指南是基于实时输入数据、PID控制回路、热动力学和热传导原理以及高级数学优化和其他NI LabView实时应用中集成的专利公式进行了一系列计算而得到。根据CEMS Engineering的报告，这可以将电费和能耗最多降低30%。

　　使用无线检测蒸汽泄漏
　　毫无疑问，泄漏会浪费惊人数量的蒸汽，增加能源费用，降低过程效率。造成这些泄漏的原因并不只是缺乏人力进行监管，测试方法不可靠以及有时候没有凝汽阀这些问题都需要注意。霍尼韦尔过程解决方案公司发电事业部市场主管Carl Hosier认为，有些时候对于这些阀门进行无线监控可以是一个解决方法。他说：“无线监控可以提供凝气阀表现的声学记录，所以泄漏可以实时检测到，能源损耗也就降低到最少。”