【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】采用先進(jìn)電機(jī)技術(shù)的電機(jī)系統(tǒng)有助于提高工業(yè)能效、降低成本和減少二氧化碳排放。據(jù)估計(jì)，到2050年，全球人口將從2019年的77億增加到97億，預(yù)計(jì)同期全球經(jīng)濟(jì)將翻一番以上。2050年全球城鎮(zhèn)人口的占比將從2021年的56%上升至68%?？焖俪鞘谢?，再加上自動(dòng)化和生活水平的提高，會(huì)導(dǎo)致全球?qū)δ茉吹男枨蠹眲≡黾?。為了在不影響?jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的情況下保護(hù)環(huán)境，我們需要減少能源和自然資源的消耗。
 

　　電能需求的增長(zhǎng)導(dǎo)致能源成本的相應(yīng)增加。在過(guò)去四年中，工業(yè)領(lǐng)域的電價(jià)上漲了18%。電價(jià)增加會(huì)直接影響運(yùn)營(yíng)費(fèi)用并增加生產(chǎn)成本，從而帶來(lái)廣泛的影響。嚴(yán)重依賴電力的行業(yè)，如化工、金屬和基本材料，正在重新評(píng)估其成本結(jié)構(gòu)，以保持盈利能力。
 

　　電價(jià)上漲導(dǎo)致電力密集型制造業(yè)的商品和服務(wù)的投入成本上升，從而導(dǎo)致價(jià)格上漲。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，工業(yè)企業(yè)正在考慮采用節(jié)能技術(shù)、能源多樣化以及與政策制定者合作推廣負(fù)擔(dān)得起的能源等戰(zhàn)略。與此同時(shí)，通過(guò)采用優(yōu)化的高效設(shè)備(如高效的工業(yè)電機(jī))，也有助于實(shí)現(xiàn)能源消耗的顯著降低。
 

　　全球電氣化的發(fā)展趨勢(shì)
 

　　伴隨著全球電氣化的發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)計(jì)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求將大幅增長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)，在全球能源消耗中，工業(yè)領(lǐng)域占37%，建筑行業(yè)約占30%。其中大部分能源是由電機(jī)消耗的。據(jù)估計(jì)，在工業(yè)領(lǐng)域消耗的電力中，約有70%用于電機(jī)系統(tǒng)。
 

　　電機(jī)應(yīng)用已經(jīng)有150多年了。小型電機(jī)主要用于空調(diào)和冰箱、電腦打印機(jī)、電子電器冷卻風(fēng)扇和其它常見(jiàn)設(shè)備中所使用的壓縮機(jī)中。中型電機(jī)主要用于供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)以及電梯和電動(dòng)汽車中。它們?cè)诠I(yè)應(yīng)用中也獲得廣泛部署；適用于泵、輸送機(jī)、風(fēng)扇和各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)。大型電機(jī)則應(yīng)用于鐵路發(fā)動(dòng)機(jī)、纜車、船舶推進(jìn)系統(tǒng)以及用于壓縮機(jī)或材料加工的重型設(shè)備。雖然大型電機(jī)僅占所有使用電機(jī)的0.03%，但它們消耗的電量卻占全球電機(jī)總耗電量的23%，而輸出功率小于0.75千瓦的小型電機(jī)，僅占電機(jī)能耗的9%左右。
 

　　工業(yè)設(shè)計(jì)趨勢(shì)是使用更多更小尺寸的電機(jī)，并針對(duì)特定任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。將電機(jī)的輸出功率與任務(wù)所需的最大功率相匹配，這是朝著實(shí)現(xiàn)更高能效邁出的重要一步。
 

　　電機(jī)設(shè)計(jì)與效率提升
 

　　隨著時(shí)間的推移，各種規(guī)格的電機(jī)都在穩(wěn)步改進(jìn)。在過(guò)去的10年里，它們經(jīng)歷了一段異常快速的技術(shù)進(jìn)步時(shí)期，這也為降低工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域電機(jī)的能耗帶來(lái)了機(jī)會(huì)?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的先進(jìn)節(jié)能電機(jī)越來(lái)越多，而且這些電機(jī)的采用率也在不斷提高。
 

　　現(xiàn)代感應(yīng)電機(jī)具有非常高的運(yùn)行效率。美國(guó)和歐洲的電機(jī)效率分別根據(jù)美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)(NEMA)和國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)公布的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定。幾乎所有在美國(guó)銷售的工業(yè)電機(jī)，其能效等級(jí)都必須達(dá)到NEMA Premium，而在歐盟它們必須達(dá)到IEC IE3，這意味著在這些市場(chǎng)運(yùn)行和銷售的電機(jī)需要具有很高的效率。
 

　　舉個(gè)例子，符合NEMA高級(jí)效率(IE3)標(biāo)準(zhǔn)的200千瓦交流感應(yīng)電機(jī)，其效率約為96%。與其它類型的電機(jī)相比，如內(nèi)燃機(jī)(效率為20-40%)或液壓泵(效率為80%)，此類電機(jī)的效率要高出很多。一些最先進(jìn)的電機(jī)可以達(dá)到更高的效率標(biāo)準(zhǔn)，即NEMA Super Premium(IE4)標(biāo)準(zhǔn)。符合此標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)比NIE3電機(jī)的能量損失低約15%，而最新的IE5電機(jī)則代表了當(dāng)前設(shè)計(jì)所能達(dá)到的最高效率水平。
 

　　很多目前正在使用的電機(jī)都是老舊且效率較低的設(shè)計(jì)，而且往往尺寸過(guò)大，這會(huì)浪費(fèi)較多的能源。只需針對(duì)相關(guān)應(yīng)用正確選擇效率更高的電機(jī)，就能大大提高效率。在美國(guó)的很多老舊設(shè)施中，電機(jī)每年將超過(guò)10800億千瓦時(shí)的電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，每年的運(yùn)營(yíng)成本超過(guò)1123億美元。只需通過(guò)改用IE4電機(jī)，僅美國(guó)工業(yè)領(lǐng)域每年就可以節(jié)省約16.8億美元。
 

　　很明顯，隨著世界尋求降低成本、提高能源效率和減少二氧化碳排放，部署高效電機(jī)代表著巨大的機(jī)遇；然而，電機(jī)運(yùn)營(yíng)商還可以采取更多措施來(lái)實(shí)現(xiàn)更高水平的節(jié)能、控制和精度。現(xiàn)代高效電機(jī)與變頻器配合使用，可進(jìn)一步降低能耗。
 

　　實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)的四種方法
 

　　在全球能源消耗中工業(yè)領(lǐng)域占三分之一，其中供熱和旋轉(zhuǎn)設(shè)備占大頭。化石燃料仍然是工業(yè)領(lǐng)域的主要能源，使其成為比發(fā)電和運(yùn)輸行業(yè)更大的溫室氣體排放源。隨著可再生能源發(fā)電量的增加，以及從內(nèi)燃機(jī)到電動(dòng)汽車的過(guò)渡，發(fā)電和運(yùn)輸行業(yè)的排放量有可能下降，但預(yù)計(jì)在未來(lái)十年，工業(yè)排放量仍將繼續(xù)增長(zhǎng)。通過(guò)可擴(kuò)展且負(fù)擔(dān)得起的脫碳解決方案來(lái)減少工業(yè)領(lǐng)域的二氧化碳排放，對(duì)于實(shí)現(xiàn)凈零排放至關(guān)重要。
 

　　要在能源密集型行業(yè)實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)，請(qǐng)考慮以下四種方法：
 

　　■可再生能源：轉(zhuǎn)向風(fēng)能或太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電。
 

　　■電氣化：用電氣解決方案取代旋轉(zhuǎn)設(shè)備或供熱中基于化石燃料的應(yīng)用，例如用電力驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)取代燃?xì)廨啓C(jī)。
 

　　■新興技術(shù)和應(yīng)用：部署利用碳捕集、利用和儲(chǔ)存(CCUS)或氫氣來(lái)實(shí)現(xiàn)近零排放的生產(chǎn)過(guò)程。
 

　　■能源效率：通過(guò)使用高效電動(dòng)機(jī)和變頻器來(lái)減少能源損耗。
 

　　解決可再生能源不穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)
 

　　風(fēng)能、太陽(yáng)能和水力發(fā)電等可再生能源提供了一種生產(chǎn)清潔電力的方法。直到最近，這類能源一直難以擴(kuò)大規(guī)模，使其與化石燃料相比價(jià)格昂貴。由于供應(yīng)的可用性取決于來(lái)源，這對(duì)交付的一致性構(gòu)成了挑戰(zhàn)。技術(shù)的進(jìn)步以及捕集和能源輸送系統(tǒng)的發(fā)展，再加上在需求高峰期或某一能源不可用時(shí)提供電力的電力系統(tǒng)，使可再生能源的使用在工業(yè)中變得更加可行。據(jù)預(yù)測(cè)，到 2035 年，可再生能源可提供全球 50%以上的電力，且價(jià)格低于化石燃料。
 

　　可再生能源作為電力應(yīng)用越來(lái)越普遍，其電力供應(yīng)的不穩(wěn)定以及基于位置和時(shí)間的需求波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的不穩(wěn)定，這是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。使用電池存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換器和需求管理程序等技術(shù)，可以最大限度地減少電網(wǎng)穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。
 

　　通過(guò)電氣化實(shí)現(xiàn)能源密集型產(chǎn)業(yè)脫碳
 

　　能源密集型產(chǎn)業(yè)的脫碳可以通過(guò)電氣化來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)電氣化實(shí)現(xiàn)脫碳意味著用電氣化解決方案取代基于化石燃料的應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)設(shè)備(如壓縮機(jī))可以由電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)(電動(dòng)機(jī)與變頻器相結(jié)合)驅(qū)動(dòng)，而不是由燃?xì)廨啓C(jī)或蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。除了消除過(guò)程中的碳排放外，與機(jī)械解決方案相比，電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)還具有其他優(yōu)勢(shì)，例如增強(qiáng)個(gè)人安全功能、減少維護(hù)、降低噪音排放或更好的過(guò)程控制。
 

　　除了旋轉(zhuǎn)設(shè)備，工業(yè)供熱的電氣化也為脫碳帶來(lái)了巨大的潛力。熱量的產(chǎn)生占工業(yè)部門(mén)總能耗的四分之三；其中90%的熱量是通過(guò)燃燒化石燃料產(chǎn)生的。工業(yè)熱泵或等離子炬加熱等技術(shù)的發(fā)展，將擴(kuò)大電發(fā)熱的應(yīng)用。結(jié)合儲(chǔ)熱解決方案和合適的過(guò)程控制，電熱生產(chǎn)有助于負(fù)載平衡，這將對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性做出積極貢獻(xiàn)，并抵消可再生能源組合增加所帶來(lái)的電力供應(yīng)波動(dòng)。
 

　　通常，碳密集型設(shè)備可以直接用電氣替代品代替。對(duì)于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，這種解決方案通常由變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)組成，或者用于電加熱，直流電由使用與變頻器類似技術(shù)的電力電子轉(zhuǎn)換設(shè)備提供。根據(jù)應(yīng)用的不同，整個(gè)系統(tǒng)可能包括其它組件，如電氣室、低壓或中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備或附加設(shè)備。在很多情況下，通過(guò)直接更換來(lái)實(shí)施電氣解決方案使過(guò)渡更容易，而在其它情況下，需要新的基礎(chǔ)設(shè)施，并在設(shè)施升級(jí)或改造中部署。電氣化還具有其它好處，如提高可靠性、易于維護(hù)以及更好的電機(jī)控制和效率。
 

　　如果解決方案利用可再生能源，電氣化對(duì)脫碳工作的影響更大。然而，轉(zhuǎn)向利用完整的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)生產(chǎn)電能，無(wú)論初始能源如何，都可以減少碳足跡。
 

　　采用新興技術(shù)助力過(guò)程工業(yè)脫碳
 

　　采用新興應(yīng)用和新技術(shù)是過(guò)程工業(yè)脫碳的另一個(gè)機(jī)會(huì)。氫氣、可再生天然氣和可持續(xù)航空燃料等低碳燃料都屬于這個(gè)領(lǐng)域。在無(wú)法直接電氣化的情況下，利用電解法生產(chǎn)綠色氫氣彌補(bǔ)了電力與化學(xué)能載體之間的差距。電解電源依賴于電加熱應(yīng)用中使用的類似功率轉(zhuǎn)換技術(shù)。該技術(shù)與變頻器相同，幾十年來(lái)已在許多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。氫、可再生天然氣和可持續(xù)航空燃料等低碳燃料是類似領(lǐng)域。電解生產(chǎn)綠色氫氣，彌合了電力和化學(xué)能源載體之間的差距，因?yàn)橹苯与姎饣遣豢尚械摹ｋ娊怆娫匆蕾囉陔娂訜釕?yīng)用的類似功率轉(zhuǎn)換技術(shù)。該技術(shù)在變頻器中很常見(jiàn)，在很多行業(yè)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用幾十年了。
 

　　其它應(yīng)用的解決方案，如碳捕集、利用和儲(chǔ)存(CCUS)和可再生天然氣(RNG)等方法，也至關(guān)重要。簡(jiǎn)而言之，CCUS是捕集、儲(chǔ)存和再利用二氧化碳的過(guò)程。碳捕集在難以減排的行業(yè)中尤其具有吸引力。RNG是從垃圾填埋場(chǎng)和其它廢物處理中產(chǎn)生的沼氣，如畜牧場(chǎng)、廢水和食品生產(chǎn)作業(yè)。
 

　　數(shù)字化賦能的系統(tǒng)，包括變頻器和電機(jī)，以及其它管理和優(yōu)化過(guò)程的技術(shù)，使這些應(yīng)用能夠?yàn)椴煌袠I(yè)提供能源。在這里，與了解挑戰(zhàn)、能夠提供合適設(shè)備以及設(shè)計(jì)、執(zhí)行和交付解決方案的合作伙伴合作也很重要。
 

　　如何實(shí)現(xiàn)能源效率的提升？
 

　　制造企業(yè)需要有效利用能源來(lái)減少對(duì)環(huán)境的影響，因此選擇合適的設(shè)備對(duì)于更快地提高效率至關(guān)重要。在系統(tǒng)中使用高效電機(jī)，可以直接降低電力消耗。通過(guò)在傳動(dòng)系統(tǒng)中添加變頻器，可實(shí)現(xiàn)更顯著的節(jié)能效果。
 

　　如果沒(méi)有變頻器，電機(jī)就會(huì)一直全速運(yùn)行，整個(gè)過(guò)程通過(guò)閥門(mén)和阻尼器進(jìn)行控制。這就導(dǎo)致了嚴(yán)重的效率低下，因?yàn)闊o(wú)論工藝要求如何，電機(jī)都以接近額定功率的速度運(yùn)行。變頻器可根據(jù)工藝流程的實(shí)際需求調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)能耗。因此，系統(tǒng)運(yùn)行效率更高，尤其是在部分負(fù)載的運(yùn)行點(diǎn)。在電機(jī)系統(tǒng)中添加變頻器可節(jié)省大量能源。以風(fēng)扇為例，將旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)速降低 20%，可將輸入功率需求降低約 50%。
 

　　盡管有這樣的好處，但平均而言，只有16%的美國(guó)工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)使用了變頻器。在電氣化系統(tǒng)中添加變頻器可以優(yōu)化能耗，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)更平穩(wěn)，可靠性更高。
 

　　如果全球能源需求如目前所顯示的那樣持續(xù)上升，企業(yè)就必須采取必要措施努力減少排放和能源使用?？稍偕茉春碗姎饣夹g(shù)，包括高效電機(jī)、變頻器、儲(chǔ)能系統(tǒng)和其它先進(jìn)技術(shù)，為降低整體能耗和實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)提供了解決方案。
 

　　在不斷發(fā)展的工業(yè)領(lǐng)域中，追求效率(包括優(yōu)化能源消耗)始終是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，對(duì)先進(jìn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的投入有助于更快實(shí)現(xiàn)能源效率的提升。企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者需要將能源效率作為一項(xiàng)戰(zhàn)略要?jiǎng)?wù)，并將工業(yè)能源效率視為一種節(jié)省成本的措施以及實(shí)現(xiàn)彈性和可持續(xù)性的途徑。
 

　　最近的一份報(bào)告顯示，美國(guó)工業(yè)部門(mén)的能源支出通常占總生產(chǎn)成本的5%至20%，其中很大一部分用于維持24/7不間斷的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。這凸顯了能源效率在提高成本效益和運(yùn)營(yíng)可靠性方面的關(guān)鍵作用。然而，實(shí)現(xiàn)最佳能源效率需要的不僅僅是意愿，它需要基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的洞察力和專家指導(dǎo)的戰(zhàn)略措施。
 

　　企業(yè)越來(lái)越認(rèn)識(shí)到高效能源管理的必要性，并將能源和安裝基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)審計(jì)作為制定穩(wěn)健、面向未來(lái)的戰(zhàn)略工具。風(fēng)險(xiǎn)審計(jì)為評(píng)估能源利用、識(shí)別效率低下和實(shí)施有針對(duì)性的解決方案，提供了一個(gè)全面的框架。
 

　　在提高能源效率的過(guò)程中，最重要的是致力于創(chuàng)新與合作。具有前瞻性思維的公司利用先進(jìn)技術(shù)和專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，提供量身定制的解決方案，在提高運(yùn)營(yíng)績(jī)效的同時(shí)優(yōu)化能源使用。這種全面的方法可以滿足各行業(yè)工業(yè)企業(yè)的不同需求，提高效率和可持續(xù)性。
 

　　這些能效產(chǎn)品的一個(gè)關(guān)鍵方面，在于它們將動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)作為一個(gè)系統(tǒng)、變頻器和電機(jī)的組合。通過(guò)設(shè)備和配置來(lái)優(yōu)化動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，制造企業(yè)可以顯著減少能源消耗并最大限度地提高生產(chǎn)率。
 

　　此外，預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案能夠在潛在問(wèn)題升級(jí)為代價(jià)高昂的停機(jī)事件之前，對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)識(shí)別。這可以提高運(yùn)營(yíng)可靠性，最大限度地減少與機(jī)械性能低效相關(guān)的能源浪費(fèi)，在延長(zhǎng)關(guān)鍵資產(chǎn)壽命的同時(shí)達(dá)到新的效率水平。
 

　　尋找變革性的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)
 

　　除了優(yōu)化現(xiàn)有系統(tǒng)外，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)供應(yīng)商正在開(kāi)拓旨在重新定義工業(yè)能源管理的變革性技術(shù)。從集成可再生能源到智能電網(wǎng)解決方案，這些創(chuàng)新使企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的能源效率和可持續(xù)性水平，為行業(yè)卓越設(shè)定新的標(biāo)準(zhǔn)。
 

　　軟件工具使企業(yè)能夠量化實(shí)施節(jié)能解決方案可以實(shí)現(xiàn)的潛在節(jié)能。通過(guò)輸入與其運(yùn)營(yíng)相關(guān)的特定參數(shù)，用戶可以實(shí)時(shí)估計(jì)潛在的節(jié)能效果，并收到優(yōu)化能源應(yīng)用的定制建議。此外，生命周期評(píng)估工具還提供了對(duì)節(jié)能維護(hù)和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的業(yè)務(wù)見(jiàn)解。生成的報(bào)告包含降低和解決關(guān)鍵操作風(fēng)險(xiǎn)的指導(dǎo)措施。
 

　　工業(yè)能效是提高成本效率和運(yùn)營(yíng)可靠性的一種關(guān)鍵的手段，但往往是隱含的。通過(guò)采用節(jié)能舉措和先進(jìn)的解決方案，企業(yè)可以在推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的同時(shí)提高效率。通過(guò)合作、創(chuàng)新和戰(zhàn)略干預(yù)，工業(yè)企業(yè)可以踏上通往更高效、更有彈性和可持續(xù)未來(lái)的旅程。