基于層次分析法的電機系統(tǒng)能效評估方法研究與應用*

秦宏波

(上海市能效中心，上海 200083)

0 引 言

作為世界上最大的發(fā)展中國家，我國仍處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化深化發(fā)展階段，能源資源需求保持剛性增長。能源消耗特別是化石能源消耗是我國二氧化碳排放最主要的來源。為了如期實現(xiàn)碳達峰、碳中和，必須堅定不移地把節(jié)約能源資源放在首位。電機系統(tǒng)能效提升是實現(xiàn)能源節(jié)約的重要組成部分。

電動機是水泵、壓縮機、風機等設備的主要動力源，廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、交通等社會生活各個領域。電機系統(tǒng)用電量約占一個國家用電量的50%，占工業(yè)企業(yè)用電量的70%以上，這就決定了電機及其系統(tǒng)節(jié)能工作的重要地位。我國是全球最大的中小型電機生產(chǎn)和應用國家，但是全國高效電機產(chǎn)量和應用比例很低，除了部分新建項目采用高效電機之外，在用的存量電機大部分是普通電機，且大部分高效電機都出口到國外。因此，我國電機能效與發(fā)達國家相比仍舊較低。

隨著世界能源形勢日益緊張，發(fā)達國家能源政策中都將推廣和使用高效、超高效電機作為重要內(nèi)容。通過節(jié)能監(jiān)察和政策引導，我國電機能效水平已有很大的提高，但總體水平與發(fā)達國家相比仍有明顯差距。由于電機及其系統(tǒng)的復雜性、電機節(jié)能技術的專業(yè)性、電機系統(tǒng)節(jié)能財政支持政策等因素，目前我國仍面臨著存量電機系統(tǒng)運行過程中電機與拖動設備不匹配、電機用戶對高效電機認識不足、電機系統(tǒng)評價和技術規(guī)范不足等問題。為了實現(xiàn)我國節(jié)能減排和“雙碳”的目標，高效電機的推廣應用和系統(tǒng)整體能效提升工作迫在眉睫。

建立電機系統(tǒng)能效評估指標體系，是高效電機推廣應用的重要支撐。這不僅需要發(fā)揮電機生產(chǎn)企業(yè)、節(jié)能服務機構(gòu)和終端用戶的積極性，同時需要政府的標準引領、政策支持和監(jiān)督執(zhí)法等措施。

本文基于層次分析法原理建立了電機系統(tǒng)能效評估指標體系，并對20家典型工業(yè)企業(yè)進行了電機系統(tǒng)能效評估。基于評價結(jié)果提出了高效電機推廣措施。

1 電機及其系統(tǒng)能效評估工作現(xiàn)狀

世界上許多國家對電動機系統(tǒng)節(jié)能高度重視，制定并頒布了電動機的能耗標準。為了統(tǒng)一和協(xié)調(diào)全球市場，國際電工委員會(IEC)制定了電動機能耗分級標準IEC 60034-30。2020年5月，我國批準公布了新修訂電機能效標準GB 18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》[1]。該標準提高了三相異步電動機能效限定值的要求，已于2021年6月1日開始實施。自此，IE3以下能效電機停止生產(chǎn)，國內(nèi)電機生產(chǎn)行業(yè)已全面進入“IE3時代”[2]。

我國電機能效標準與國際標準對比如表1所示。目前的三級能效對應IEC標準的IE3效率等級；二級能效對應IEC標準的IE4效率等級；一級能效對應IEC標準的IE5效率等級，為最高能效值[3]。

除電機能效標準外，在電機系統(tǒng)節(jié)能方面，我國還制定了高效節(jié)能電機產(chǎn)品、能效分級、節(jié)能改造、綠色制造等標準[4]，涵蓋了高效節(jié)能電機設計、制造、測試、應用、評價與認證等各個環(huán)節(jié)，基本建立了電機系統(tǒng)節(jié)能標準體系框架，主要包括設備能效標準、系統(tǒng)經(jīng)濟運行標準和節(jié)能控制標準等。

表1 三相異步電動機能效標準對比

2 電機系統(tǒng)能效評估指標體系建立

2.1 層次分析法基本原理

電機系統(tǒng)的穩(wěn)定運行涉及系統(tǒng)中的各個組成部分，包含眾多指標因素，因此，電機系統(tǒng)能效評估應采用系統(tǒng)工程方法來對指標體系進行分類和剖析。層次分析法[5]是常用的指標體系分析和構(gòu)建方法，其基本原理如圖1所示。

圖1 層次分析法基本原理

由圖1可知，層次分析法展現(xiàn)出遞進關系，其基本思路是將一個目標或因素分解成多種組成元素。層次分析法的各層次從上到下依次為目標層、準則層、方案層，各層次之間相互影響、相互依存。當同一層次所含因素較多時，可采用權值法確定權數(shù)，對指標進行量化。當某一層元素發(fā)生變化時，可反映到其他層次，體現(xiàn)出系統(tǒng)的有序性和關聯(lián)性?；谠摲椒ǎ蓪⒈姸嘀笜艘蛩亟y(tǒng)一起來，建立科學合理的電機系統(tǒng)能效評估指標體系。

2.2 能效評估指標體系

電機系統(tǒng)能效評估指標體系適用于中小型電動機(1 000 kW以下)、單個拖動設備(風機、泵、空氣壓縮機)及其控制裝置、傳動裝置和管網(wǎng)等組成的穩(wěn)定運行的電機系統(tǒng)。本文依據(jù)層次分析法建立的電機系統(tǒng)能效評估指標體系包含6個準則層因素。

(1) 設備設施。該部分主要評價電機系統(tǒng)組成設備設施的能效情況，包括電動機、拖動系統(tǒng)、控制裝置、管網(wǎng)4個二級指標，總分40分。

(2) 系統(tǒng)設計。該部分主要評價電機系統(tǒng)是否按照相關標準進行優(yōu)化設計，總分10分。

(3) 節(jié)能監(jiān)測。該部分主要評價電機系統(tǒng)的計量、監(jiān)測情況，包括計量統(tǒng)計、在線監(jiān)測、節(jié)能監(jiān)測3個二級指標，總分10分。

(4) 運行控制。該部分主要對電機系統(tǒng)運行控制進行評價，包括經(jīng)濟運行和優(yōu)化控制2個二級指標，總分10分。

(5) 節(jié)能改造。該部分對電機系統(tǒng)的節(jié)能改造情況進行評價，包括技術改造和效果評價2個二級指標，總分10分。

(6) 管理措施。該部分對電機系統(tǒng)整體節(jié)能管理水平進行評價，包括管理制度、人員能力、維護保養(yǎng)、節(jié)能操作4個二級指標，總分20分。

根據(jù)上述評分準則，電機系統(tǒng)能效評估總分為100分，等級可分為3級。其中1級最高，為領跑者等級。各等級電機系統(tǒng)能效評估綜合得分范圍如表2所示。電機系統(tǒng)能效評估綜合得分低于60分的，應及時采取節(jié)能措施改善系統(tǒng)運行。

表2 電機系統(tǒng)能效評估等級

3 基于層次分析法的能效評估體系試點應用

通過企業(yè)溝通與調(diào)研，確定了20家企業(yè)進行電機系統(tǒng)能效評估。評估工作從過程角度，結(jié)合各能效指標，綜合反映并分析電機系統(tǒng)的節(jié)能效果。

20家企業(yè)的評價結(jié)果如表3和圖2所示。評級為2級的企業(yè)有7家，占35%；評級為3級的企業(yè)有8家，占40%；評級為1級的企業(yè)僅2家；另有3家企業(yè)低于60分，急需采取措施進行節(jié)能改造。

表3 20家企業(yè)電機系統(tǒng)能效評估清單

圖2 企業(yè)評級分布

不同評級企業(yè)各類指標均值如圖3所示。從圖3可以看出，所有指標中管理措施是得分率最差的指標，應重點推進企業(yè)完善電機系統(tǒng)管理措施。另外，評級高的企業(yè)各項指標得分均較高，而評級低的企業(yè)各類指標得分普遍較低，且沒有某一項得分突出的情況，說明目前電機系統(tǒng)運行水平較差的企業(yè)仍沒有充分重視電機系統(tǒng)節(jié)能。

圖3 不同評級企業(yè)各類指標均值

以上評價結(jié)果表明，目前企業(yè)的電機能效水平仍有很大的提升空間，高效電機的推廣和應用刻不容緩。

4 高效電機推廣措施

通過政策引導、標準約束和節(jié)能監(jiān)察，我國的高效電機生產(chǎn)能力得到大幅提升，電機系統(tǒng)能效提升也在穩(wěn)步推進。但是從實施效果來看，還未能達到預期目標。建議采取如下措施。

4.1 建立高效電機能效跟蹤及推廣管理平臺

開展工業(yè)電機運行的數(shù)據(jù)摸底工作，通俗講就是摸清家底。建立高效電機能效跟蹤及推廣管理平臺，將企業(yè)、各區(qū)縣和集團的電機能效情況通過平臺填報進行收集和分析，實現(xiàn)企業(yè)高效電機數(shù)字化管理。同時，建立推廣服務平臺，包括高效電機推廣管理平臺、高效電機推廣及電機系統(tǒng)節(jié)能服務平臺、電機能效檢測服務平臺、宣傳平臺，將政府機構(gòu)、科研院所、電機廠家、節(jié)能公司納入平臺，為企業(yè)提供政策、技術、節(jié)能診斷、采購等咨詢。

上海市能效中心已經(jīng)建立了重點用能設備能效對標及跟蹤平臺(上海市產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展綜合服務平臺，見圖4)。目前平臺有如下功能：企業(yè)用戶可以實時進行重點用能設備(包括電機、水泵系統(tǒng)、空壓機系統(tǒng)、風機系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等設備)的數(shù)據(jù)填報、修改、上傳、下載，對本單位進行能效水平對標管理；管理員用戶可對所有填報企業(yè)設備對標數(shù)據(jù)進行總體分析，實現(xiàn)上海市重點用能設備能效水平對標分析、評價和管理。未來上海市能效中心將繼續(xù)圍繞高效電機推廣工作，開展平臺建設，構(gòu)建集數(shù)據(jù)、診斷機構(gòu)、科研機構(gòu)、高效電機制造商、用能企業(yè)等于一體的能效跟蹤及宣傳推廣平臺。

圖4 上海市產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展綜合服務平臺主界面

4.2 鼓勵發(fā)展第三方節(jié)能技術服務機構(gòu)

加快推行電機系統(tǒng)節(jié)能技術改造合同能源管理，鼓勵第三方節(jié)能技術服務機構(gòu)利用更多融資方式，為用能單位電機系統(tǒng)節(jié)能改造提供診斷、設計、融資、改造、運行、管理等“一條龍”服務。同時，通過高效電機應用市場化程度的不斷提高，促進第三方節(jié)能服務機構(gòu)的技術能力提升。電機系統(tǒng)能效提升不是高效電機對低效電機的簡單替換，也不是簡單地把所有能效最高的設備連接在一起，而是根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)運營需求匹配其工藝、工況，提出最優(yōu)的系統(tǒng)解決方案。要針對不同行業(yè)和工況運行特點實施專項改造提升計劃，改變簡單地更換低效電機的單一模式。節(jié)能服務公司應按照統(tǒng)一的服務規(guī)范開展企業(yè)節(jié)能診斷，并對重點企業(yè)的電機系統(tǒng)進行節(jié)能改造和運行控制優(yōu)化。

4.3 提升高效電機系統(tǒng)的運維水平

定期組織開展電機系統(tǒng)能效評價工作，對電機系統(tǒng)的運行、節(jié)能監(jiān)測、節(jié)能改造、優(yōu)化控制、管理制度、人員能力、維護保養(yǎng)等內(nèi)容進行評價，對評價結(jié)果不合格者采取有效措施進行整改或節(jié)能改造，進一步促進電機系統(tǒng)使用過程中的節(jié)能經(jīng)濟運行。推進企業(yè)、節(jié)能評估機構(gòu)、節(jié)能服務公司、節(jié)能量審核機構(gòu)的交流和培訓，加強相關管理和技術人員的能力建設。

4.4 完善高效電機及系統(tǒng)標準體系

標準體系的建設也是提升電機及其系統(tǒng)能效水平、促進高效電機應用的重要支撐。分行業(yè)完善高效電機節(jié)能技術規(guī)范、效率測試方法標準體系；完善高效電機能效評估標準，以此規(guī)范高效電機的合理使用和測試；完善與再制造電機相關的標準與要求；隨著GB 18613—2020新標準的制定與發(fā)布，能效標識標準也應及時更新，對舊的能效標識采取強制淘汰措施，并對電機的能效標識進行統(tǒng)一規(guī)范管理；完善電機經(jīng)濟運行管理及相關服務規(guī)范等標準。

4.5 開展關鍵技術研究

從生產(chǎn)技術看，近年來我國電機生產(chǎn)企業(yè)持續(xù)加大研發(fā)投入，不斷加強自主創(chuàng)新能力的建設；從生產(chǎn)能力看，我國高效電機行業(yè)也已形成較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。但是，我們必須清醒地認識到，我國雖然是全球電機制造大國，但主要是生產(chǎn)附加值低、能耗高的普通電機，在國際電機產(chǎn)業(yè)分工中主要處于價值鏈的低端，只有掌握若干高端核心技術，才能占領相應的高效電機節(jié)能市場。因此，應大力開展電機系統(tǒng)節(jié)能關鍵技術研究，發(fā)揮科研院所和行業(yè)歸口機構(gòu)在技術研發(fā)、應用、推廣等方面的核心作用。

5 結(jié) 語

通過電機系統(tǒng)能效評估體系對20家企業(yè)的典型工業(yè)電機系統(tǒng)進行能效評估，綜合反映電機系統(tǒng)的節(jié)能效果。評價結(jié)果顯示，目前企業(yè)電機能效水平仍有很大的提升空間，高效電機的推廣和應用刻不容緩。在此背景下，提出了高效電機推廣措施，助力全國高效電機替代工作。高效電機的推廣以及整體用能設備的能效提升是目前最有效地支持碳達峰、碳中和目標達成的措施。我們需要把握好高效電機推廣的有利時機，下決心加快推動國內(nèi)高效電機規(guī)?；瘧?，在推進節(jié)能減排的同時，帶動電機產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級。