文 // 魏玉劍 上海市能效中心 鄭莆燕 上海電力學(xué)院 顧水林 上海能發(fā)能源有限公司
基于需求導(dǎo)向的節(jié)能創(chuàng)新方法研究
文 // 魏玉劍 上海市能效中心 鄭莆燕 上海電力學(xué)院 顧水林 上海能發(fā)能源有限公司
節(jié)能的目的是減少能源消耗,在目前可再生能源供應(yīng)不足,成本較高的情況下,節(jié)能是減少化石能源消耗的重要手段,也是減少污染物排放的有效手段。節(jié)能本身是一個(gè)相對(duì)概念,需要依靠不斷開(kāi)發(fā)出更高效的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)??v觀世界產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,從18世紀(jì)水力機(jī)械的應(yīng)用,19世紀(jì)蒸汽機(jī)的出現(xiàn),20世紀(jì)電力工業(yè)、內(nèi)燃機(jī)、電子、航空航天等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展到目前互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時(shí)代,每一次產(chǎn)業(yè)革命都伴隨著能源效率的大幅提升。當(dāng)下世界范圍內(nèi)新一輪的技術(shù)創(chuàng)新將走向何方,令人期待。但就目前發(fā)展階段來(lái)看,節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新仍然是科技創(chuàng)新的重中之重。
隨著用能設(shè)備能效水平的不斷提高,節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新所能帶來(lái)的創(chuàng)新動(dòng)力明顯不足,單純靠某一個(gè)專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化式的創(chuàng)新方式不能滿足節(jié)能要求?;谙到y(tǒng)性節(jié)能需求為導(dǎo)向的節(jié)能創(chuàng)新是目前發(fā)展方向。
節(jié)能首先要從節(jié)能診斷開(kāi)始,但從事這個(gè)行業(yè)的人員都會(huì)感覺(jué)到,全面為企業(yè)或產(chǎn)品進(jìn)行“體檢”并挖掘節(jié)能潛力并不容易,涉及的專業(yè)太多,各企業(yè)的情況又不盡相同,需要有一個(gè)相對(duì)通用的分析診斷方法。
圖1 TERR方法
TERR(特耳)方法是作者在借鑒國(guó)內(nèi)外已有節(jié)能診斷方法的基礎(chǔ)上提煉出來(lái),已經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的一種新的節(jié)能診斷方法。TERR 是英文 Timing sequence control(時(shí)序控制)、Energy efficiency grade (能效等級(jí))、Requirement analysis (需求分析)和Recycle waste energy(廢能再利用)的英文字母縮寫(xiě),代表節(jié)能診斷要從4方面對(duì)用能設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行分析(圖1)。
Timing (時(shí)序控制)
基于用戶的實(shí)時(shí)需求,以用能設(shè)備(系統(tǒng))的運(yùn)行時(shí)間為坐標(biāo)軸,按照合理的方案實(shí)時(shí)控制設(shè)備運(yùn)行,要按照正確的時(shí)間去開(kāi)關(guān)設(shè)備,應(yīng)用信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)耗能設(shè)備的實(shí)時(shí)測(cè)定及智能管理,從而減少生產(chǎn)中的冗余、降低能耗。
圖2 企業(yè)照明系統(tǒng)節(jié)能的TERR(特耳)方法診斷
Efficiency(能效等級(jí))
檢查是否有更高能效等級(jí)的設(shè)備(產(chǎn)品)替代原設(shè)備(產(chǎn)品)。盡管傳統(tǒng)耗能產(chǎn)品效率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法大多僅關(guān)注了靜態(tài)效率,但這是最基本的節(jié)能手段,可通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新,完成對(duì)設(shè)備的更新?lián)Q代,進(jìn)一步提高能源的利用率。
Requirement(需求分析)
節(jié)能領(lǐng)域的需求初看起來(lái)并不復(fù)雜,使用耗能設(shè)備的目的是非常明確的。如使用照明產(chǎn)品的目的就是獲得合適的亮度;運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)的目的就是控制環(huán)境溫度使人們能夠適應(yīng)環(huán)境。但這些需求并不是一成不變的,是動(dòng)態(tài)化的需求:即有24小時(shí)內(nèi)的短期變化,也有1年內(nèi)的中期變化,還有5年甚至10年的長(zhǎng)期變化。因此需要及時(shí)掌握變化后的需求,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備所產(chǎn)生的效果是否滿足用戶當(dāng)前所需要的,相應(yīng)改變耗能設(shè)備的運(yùn)行,甚至于改變?cè)性O(shè)計(jì)。
Recycle(廢能再利用)
判斷設(shè)備所消耗的能源是否可以回收再利用。從能量守恒角度來(lái)講,消耗的能量并沒(méi)有消失,而僅是由高品位轉(zhuǎn)化為低品位。隨著技術(shù)的進(jìn)步,原來(lái)認(rèn)為不能回收的低品位“廢能”變成了可以回收利用的資源。要對(duì)每個(gè)能耗設(shè)備(系統(tǒng))進(jìn)行研究,分析消耗的能量能否再利用。如熱電冷三聯(lián)供技術(shù)、空壓機(jī)余熱回收技術(shù)等,就是在實(shí)現(xiàn)發(fā)電、生產(chǎn)壓縮空氣的基本需求的同時(shí),將隨之產(chǎn)生的熱量利用起來(lái),提高了能源的利用率,降低了能耗,減少了排放。
TERR(特耳)方法不但能夠指導(dǎo)節(jié)能工作者對(duì)用能企業(yè)開(kāi)展節(jié)能診斷,挖掘節(jié)能需求;還可以指導(dǎo)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新者對(duì)耗能產(chǎn)品進(jìn)行綜合分析,看看是否已經(jīng)融合了這4方面的內(nèi)容,從而指導(dǎo)跨界融合各類技術(shù)打造出智能高效的新產(chǎn)品。
我們經(jīng)常將節(jié)能比喻成看病,節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品就像治病的藥一樣,只有對(duì)癥下藥才有效果。治病首先要診斷,中醫(yī)學(xué)看病有“望聞問(wèn)切”的“四診”程序,節(jié)能診斷的方法也可以歸納為“四診”,即TERR(特耳)方法。
如圖2所示,按照TERR(特耳)方法的四個(gè)步驟,對(duì)企業(yè)的照明系統(tǒng)進(jìn)行診斷。
T:是否安裝了計(jì)時(shí)器和控制傳感器?采用了什么樣的運(yùn)行控制模式?在那些間歇使用照明的房間里安裝有效傳感器以更能自動(dòng)關(guān)燈,安裝光電控制器來(lái)關(guān)閉或打開(kāi)那些依靠日光大小來(lái)決定是否投入使用的電燈,采用更加智能的信息化手段進(jìn)行改造,使照明管理智能化。
E:正在使用何種類型的照明裝置?是否可以用更高效的照明替代?包括“出口”標(biāo)志用的燈在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)照明燈是不是已經(jīng)被更高效的節(jié)能燈所代替?用電子鎮(zhèn)流器T5燈或LED代替電感鎮(zhèn)流器和T8日光燈,用最新的高效節(jié)能燈替換現(xiàn)存的照明裝置。
R:照明的亮度等級(jí)是否與工序匹配?燈光的顏色是否嚴(yán)格按照生產(chǎn)對(duì)照明條件的要求?是否可以減少照明強(qiáng)度?在車庫(kù)和倉(cāng)庫(kù)等對(duì)燈光顏色要求不高的地方使用高效冷色節(jié)能燈,重新布置照明設(shè)施的位置以使照明的效果最大化,在照明要求低的倉(cāng)庫(kù)廠房里安裝天窗等。
圖3 焦化廠工藝流程圖
圖4 焦化企業(yè)技術(shù)節(jié)能的TERR(特耳)方法分析
R:照明所產(chǎn)生的熱對(duì)環(huán)境有什么影響?是否可以再回收利用?照明產(chǎn)生的熱量會(huì)增加空調(diào)的能耗,應(yīng)該合理排出,這些熱量還可以干燥環(huán)境甚至用于引導(dǎo)自然通風(fēng)。
某焦化廠工藝流程如圖3所示。
對(duì)該廠的生產(chǎn)過(guò)程能耗進(jìn)行TERR(特耳)方法分析:
E:甲醇精餾塔采用的是雙效蒸發(fā)工藝,消耗0.6Mpa的蒸汽1.2~1.5t/t甲醇,能耗較高;脫硫工段溶液循環(huán)泵、冷卻塔循環(huán)泵及制冷泵選用的是傳統(tǒng)水泵,工作效率很低,且運(yùn)行遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)工況,配置不合理。
T:除了對(duì)核心工藝采用自動(dòng)控制程序外,對(duì)水泵等動(dòng)力輔助設(shè)備沒(méi)有采用有效地調(diào)控手段,并列運(yùn)行的水泵常處于全部低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。
R:焦?fàn)t同時(shí)生產(chǎn),排出的煙氣有20萬(wàn)Nm3/h,溫度達(dá)到280℃,浪費(fèi)了大量的余熱;6臺(tái)開(kāi)放式冷卻塔冷卻水從上流下,其勢(shì)能沒(méi)有被利用。
針對(duì)上述存在的問(wèn)題,為該焦化廠提出了技術(shù)節(jié)能方案,如圖4所示。在技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的基礎(chǔ)上,企業(yè)首先對(duì)水泵系統(tǒng)進(jìn)行了改造。傳統(tǒng)水泵改為高效節(jié)能泵,配置改變?nèi)绫?所示。環(huán)境溫度較低時(shí)初冷器的運(yùn)行負(fù)荷只有約70%,由1臺(tái)循環(huán)水泵來(lái)滿足流量需求;高溫季節(jié),初冷器的負(fù)荷加大到滿載運(yùn)行時(shí),開(kāi)啟第二臺(tái)循環(huán)泵。
通過(guò)上述改造,在達(dá)到同樣的工藝需求的前提下,泵的功率大大降低,節(jié)能率達(dá)到23%左右。
TERR(特耳)方法還可以用于開(kāi)發(fā)智能高效的用能產(chǎn)品,成為常規(guī)用能產(chǎn)品升級(jí)換代的主要技術(shù)創(chuàng)新路徑。
以日本電飯煲為例,其創(chuàng)新技術(shù)包括多種烹飪模式、智能模塊技術(shù)、IH技術(shù)、精準(zhǔn)控制技術(shù)、壓力可變技術(shù)、研磨成型技術(shù)、密封蒸汽技術(shù)、真空隔熱技術(shù)等。仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)這些技術(shù)都能用TERR(特耳)方法來(lái)解釋,這也說(shuō)明了此方法具有普遍的指導(dǎo)意義。
圖5給出了TERR(特耳)方法對(duì)電飯煲節(jié)能技術(shù)的四步分析:從需求(R)出發(fā),考慮高效均勻加熱技術(shù)和保溫技術(shù)(E),同時(shí)利用加熱中產(chǎn)生的蒸汽熱能(R),最終通過(guò)智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制(T)。
表1 某焦化廠水泵系統(tǒng)配置改造
圖5 電飯煲技能技術(shù)的TERR(特耳)方法分析
依靠科技創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的根本出路,《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要( 2006~2020) 》將節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新作為未來(lái)十五年科技創(chuàng)新的重中之重。TERR(特耳)方法在節(jié)能診斷中應(yīng)該是一個(gè)普遍適用的方法,它能夠指導(dǎo)我們快速、系統(tǒng)、全面、準(zhǔn)確地查找到用能單位的節(jié)能潛力,為節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新提供需求導(dǎo)向。目前一些節(jié)能服務(wù)公司已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用該方法開(kāi)展節(jié)能診斷,并取得了一定效果,但還需要在實(shí)際工作中加以完善和推廣。