超高效電機(jī)節(jié)能效果測量與分析

呂 黎 胡卓超 勞文杰 熊金樂 任智宇 胡 軼 鄒 穎

(1.寶鋼股份中央研究院武漢分院 湖北 武漢：430083；2.寶鋼股份中央研究院 上海：201900；3.寶鋼股份武鋼有限責(zé)任公司 湖北 武漢：430080)

0 引言

電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的主要設(shè)備，在所有的耗電機(jī)械中用電量最大的就是電機(jī)系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國工業(yè)電機(jī)的用電量約占工業(yè)用電的75%左右。但目前工業(yè)電機(jī)普遍存在設(shè)備陳舊、匹配不合理、調(diào)節(jié)方式落后等問題，我國工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率較國外先進(jìn)水平低10%-20%，因而使用高效電機(jī)并使電機(jī)高效運(yùn)行，具有很大的節(jié)能潛力、環(huán)保意義及經(jīng)濟(jì)效益[1]。如表1所示，我國2002年首次出臺(tái)電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)，并參考國際標(biāo)準(zhǔn)先后進(jìn)行了3次修訂，大大提升了電機(jī)產(chǎn)品能效等級。最新版的GB 18613-2020《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級》集中于功率范圍在0.12 kW至1000 kW的電機(jī)，而這一功率范圍內(nèi)的電機(jī)，基本涵蓋了工業(yè)驅(qū)動(dòng)的中小型交流低壓、交流高壓異步電動(dòng)機(jī)[2]。目前工業(yè)電機(jī)最高能效等級已經(jīng)與IEC 60034-30-1：2014一致。與美國等發(fā)達(dá)國家相比，也已初具優(yōu)勢。

表1 電動(dòng)機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展與對比

結(jié)合電機(jī)最新能效標(biāo)準(zhǔn)的頒布，2020年10月29日，工業(yè)和信息化部辦公廳和市場監(jiān)督總局辦公廳聯(lián)合發(fā)布《電機(jī)能效提升計(jì)劃(2021-2023年)》(工信廳聯(lián)節(jié)〔2021〕45號(hào))，計(jì)劃到2023年IE3能效等級以上電機(jī)在役運(yùn)行比例要達(dá)到20%以上，這也為超高能效電機(jī)的生產(chǎn)、使用、評價(jià)提供了政策層面的引導(dǎo)。

在工業(yè)企業(yè)運(yùn)行體系中，終端用戶對電機(jī)的運(yùn)行管理普遍比較粗放，企業(yè)把節(jié)能工作的重點(diǎn)放在煤、天然氣、油等一次能源上，普遍不了解、不掌握電機(jī)是工業(yè)企業(yè)運(yùn)行中最大的電能消耗者這一基本事實(shí)，導(dǎo)致普遍欠缺電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能意識(shí)，同時(shí)也缺乏相關(guān)的知識(shí)與技術(shù)[2]。特別是針對節(jié)能電機(jī)的節(jié)能與否上有疑慮，節(jié)能效果的多少更是未知。

不同的資料顯示，通過專門工藝優(yōu)化和高等級材料等綜合節(jié)能技術(shù)，可降低電機(jī)內(nèi)的銅(鋁) 耗、鐵耗、機(jī)械風(fēng)摩與雜散耗損，一般使電機(jī)總損耗降低20%～30%[3]。對于額定功率55 kW的電機(jī)而言，高效(IE1)的電機(jī)比普通的電機(jī)消耗的電能少15%左右[4]。但在節(jié)能電機(jī)選型時(shí)，也僅僅依靠標(biāo)準(zhǔn)效能數(shù)據(jù)和預(yù)估工作時(shí)間測算，從而得到高等級節(jié)能電機(jī)更加節(jié)能的結(jié)論，而沒有考慮到電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中的狀況；實(shí)驗(yàn)室模擬也只能在既定的電機(jī)運(yùn)行模式下獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，提出節(jié)能3%～9%的結(jié)果，與真實(shí)工況的契合程度也不可知。這些節(jié)能數(shù)據(jù)的差異也就導(dǎo)致大家對電機(jī)節(jié)能效果提出異議，因此對單純進(jìn)行電機(jī)改造后的耗能測量顯得尤為必要。

對于單純進(jìn)行電機(jī)節(jié)能改造后的節(jié)能量檢測，目前沒有合適的國際、國內(nèi)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有通用的測量方法。上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心曾推薦一種方法，即對于每臺(tái)運(yùn)行中的電機(jī)測量輸入功率和輸出功率(如為泵類需測量泵壓力和流量)。在電機(jī)更換前后各測一次，分別據(jù)此求出效率，然后再進(jìn)行計(jì)算。此方法雖然在理論上正確，但是壓力和流量的測量誤差較大，精度難以保證，考慮到不同能效等級電機(jī)的效率變化在1%～5%之間，稍有誤差即可能得到節(jié)能量很小甚至不節(jié)能的結(jié)論。

綜上，隨著“雙碳”目標(biāo)的提出與推進(jìn)，我國對電機(jī)能效問題愈加重視，政策法規(guī)已比較完善，但目前我國電機(jī)系統(tǒng)總體能效水平仍然較低，超高能效電機(jī)占比不高，節(jié)能電機(jī)節(jié)能效果不夠明確。因此本文在監(jiān)控、對比同等工況條件下的不同能效等級電機(jī)耗能情況的基礎(chǔ)上，分析高等級高效電機(jī)節(jié)能效果，為高效節(jié)能電機(jī)節(jié)能效果驗(yàn)證和其推廣運(yùn)用提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)《電機(jī)能效提升計(jì)劃(2021-2023年)》要求，某公司計(jì)劃使用IE3能效電機(jī)替換在役IE2電機(jī)，電機(jī)的使用工況、安裝位置不變，各電機(jī)均為同型號(hào)替換，額定功率也不變。在淘汰更換過程中，針對性地選擇同一作業(yè)區(qū)域相同工況的兩臺(tái)以上同類型電機(jī)的點(diǎn)位，如同一槽列刷輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)、同一區(qū)域油泵電機(jī)，在不影響生產(chǎn)順行的前提下觀測同一時(shí)間段內(nèi)IE3/IE2能效電機(jī)能耗情況。選點(diǎn)位置及型號(hào)見表2。

鑒于電機(jī)功率及電流情況，給確定監(jiān)控的每臺(tái)電機(jī)分別安裝獨(dú)立的電表與互感器，采用三相三線經(jīng)互感器接入，接線方式見圖1。

本文將通過對比同等工況下的IE3/IE2能效電機(jī)同一時(shí)間段內(nèi)電耗情況，對IE3能效電機(jī)相對節(jié)能效果進(jìn)行評價(jià)和分析。

表2 考察點(diǎn)位及電機(jī)型號(hào)

圖1 電度表接線圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

在確定需要能耗監(jiān)控電機(jī)點(diǎn)位后，更換其中一臺(tái)為IE3能效同型號(hào)電機(jī)，確保另外一臺(tái)IE2能效電機(jī)保留，作為對照組；保持同一點(diǎn)位兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)同時(shí)關(guān)閉；在確保生產(chǎn)順行的前提下同一點(diǎn)位兩臺(tái)電機(jī)負(fù)荷一致或趨于一致。選擇作業(yè)區(qū)域檢修斷電時(shí)為各監(jiān)控電機(jī)安裝電度表及配套電流互感器。

電度表安裝后，作業(yè)區(qū)按照正常生產(chǎn)節(jié)奏開展，專人定期觀測、反饋、記錄各電機(jī)電度表數(shù)據(jù)。電度表為浙江正泰的DSSU666 1.5(6)A AC380V型號(hào)電子式電能表(圖2中白色儀表)，可監(jiān)測電流相關(guān)信息并備有網(wǎng)絡(luò)連接端口，配合型號(hào)為LMZJ1-0.5 150/5 A的電流互感器(圖2中深色設(shè)備)使用。電度表記錄時(shí)間精確到秒，電量計(jì)量單位為kW·h，精確到百分位。電流互感器使用1:15檔位。

圖2 電度表實(shí)際接線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 刷輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)

該類電機(jī)為刷輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)刷輥旋轉(zhuǎn)，去除帶鋼表面污垢(見圖3)。電機(jī)負(fù)荷與帶鋼張力、帶鋼重量、刷輥與支撐輥間距、刷輥與帶鋼相對速度和刷輥刷毛等狀態(tài)有關(guān)。表3記錄了觀測周期內(nèi)兩臺(tái)刷輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)的耗電量。

在第一個(gè)觀測周期內(nèi)(3月2日-3月9日)，由于對IE3電機(jī)帶動(dòng)的刷輥進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，IE2電機(jī)為原有電機(jī)，無需調(diào)整，因而兩者數(shù)據(jù)懸殊。正常運(yùn)行之后的觀測周期內(nèi)就近乎正常，一周內(nèi)數(shù)據(jù)較為接近，IE3電機(jī)平均用電量為68.05 kW·h/周，IE2電機(jī)則為70.41 kWh/周。對于額定功率15 kW的YE2/3-180L-6電機(jī)，IE2的能效標(biāo)準(zhǔn)為89.7%，IE3的能效標(biāo)準(zhǔn)為91.2%，能效提升的幅度很小，同時(shí)由于在實(shí)際生產(chǎn)中，兩者的負(fù)載是變化且不同的，如可通過調(diào)整刷輥與支撐輥之間的距離改變刷輥負(fù)載，造成了兩者的耗電量差值比率有起伏(詳見圖4)，高等級的高效電機(jī)的節(jié)能效果不明顯。但平均下來，在整個(gè)觀測周期內(nèi)，IE3還較IE2省電2.4%。

圖3 刷輥分布示意

表3 刷輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)耗電量

3.2 額定功率為1.5kW的油泵電機(jī)1

該類電機(jī)為帶鋼糾偏輥液壓驅(qū)動(dòng)用油泵電機(jī)，電機(jī)負(fù)載情況單一，驅(qū)動(dòng)介質(zhì)一致，基礎(chǔ)條件最為接近。表4記錄了觀察周期內(nèi)兩臺(tái)油泵電機(jī)1的耗電量。

圖4 IE3與IE2刷輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)耗電差值比率推移圖

表4 油泵電機(jī)1的耗電量

對于額定功率為1.5 kW的YE2/3-100L-6電機(jī)，IE2的能效標(biāo)準(zhǔn)為79.8%，IE3的為82.5%，各觀測時(shí)間段內(nèi)，兩臺(tái)電機(jī)的耗能較為穩(wěn)定，這與該電機(jī)單一的工況有較大關(guān)系，干擾少，得到的結(jié)果恒定可靠。平均下來，在整個(gè)觀測周期內(nèi)，IE3還較IE2省電24.7%，詳見圖5。

圖5 IE3與IE2油泵電機(jī)1耗電差值比率推移圖

3.3 額定功率為37kW的油泵電機(jī)2

與油泵電機(jī)1類似，該類電機(jī)用于大型液壓設(shè)備往復(fù)運(yùn)動(dòng)用油泵電機(jī)，電機(jī)負(fù)載情況單一，驅(qū)動(dòng)介質(zhì)一致，同一區(qū)位的電機(jī)基礎(chǔ)條件非常接近。表5記錄了觀察周期內(nèi)兩臺(tái)油泵電機(jī)2的耗電量。

這兩臺(tái)電機(jī)已不間斷運(yùn)行6個(gè)月，表5只是其中連續(xù)幾周的數(shù)據(jù)。對于額定功率為37 kW的YE2/3-225S-4電機(jī)，IE2的能效標(biāo)準(zhǔn)為92.7%，IE3的為93.9%，各電機(jī)在觀測周期內(nèi)，能耗有波動(dòng)，因而選擇同作業(yè)區(qū)進(jìn)行比較有利于消除生產(chǎn)節(jié)奏等變化帶來的影響。平均下來，在整個(gè)觀測周期內(nèi)，IE3還較IE2省電24.2%，詳見圖6。

圖6 IE3與IE2油泵電機(jī)2耗電差值比率推移圖

3.4 節(jié)能效果的分析

能耗是電機(jī)壽命周期費(fèi)用中最主要的部分，由此可見提高電機(jī)能效對于企業(yè)節(jié)能的重要性。對于電力驅(qū)動(dòng)的電機(jī)來說，其能耗成本(E)可表示為:

(1)

式中，W為周期內(nèi)電機(jī)能耗；L為電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷率(%)；Pnom電機(jī)額定功率(kW)；H為電機(jī)運(yùn)行時(shí)間(h/年)；C為工業(yè)用電價(jià)格(元/kWh)；η為電機(jī)運(yùn)行效率(%)[5]。

在電機(jī)運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行負(fù)荷等運(yùn)行狀態(tài)相同的情況下，電機(jī)的電耗直接受到電機(jī)運(yùn)行效率的影響；電機(jī)效率越高，相同的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)的電耗越低。當(dāng)效率接近時(shí)，運(yùn)行負(fù)荷越大，運(yùn)行時(shí)間越長，電機(jī)的能耗就越大。因而，高效電機(jī)的節(jié)能效果也容易因運(yùn)行狀態(tài)的變化而受到影響。

表5 油泵電機(jī)2的耗電量

表6 各電機(jī)節(jié)能效果

此外，頻繁的啟動(dòng)、停止等異常運(yùn)轉(zhuǎn)也會(huì)帶來電耗的增加，降低了節(jié)能的效果。

這樣的情況在未來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)狀況的情況下可以即時(shí)調(diào)整或切換，以更好地發(fā)揮高能效等級電機(jī)的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

工業(yè)電機(jī)通用的效率定義為輸出能量和輸入能量的比值，在實(shí)際運(yùn)行中由于測量的不精確而難以實(shí)現(xiàn)；嚴(yán)格的電機(jī)效率測試是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，并且測試成本昂貴，對大型電機(jī)更是如此，耗時(shí)多、耗費(fèi)資金多。本文在選取同等工況條件下的不同能效等級電機(jī)耗能情況的基礎(chǔ)上，對高等級高效電機(jī)節(jié)能效果進(jìn)行考察、分析，得出以下結(jié)論：

(1)較高等級的高效電機(jī)IE3較IE2可節(jié)能20%左右；

(2)電機(jī)能耗情況與使用工況有關(guān)，負(fù)荷大用電多，啟動(dòng)頻繁耗電多；

(3)正常生產(chǎn)時(shí)，單一電機(jī)的工況時(shí)間維度上較為一致，電機(jī)能耗穩(wěn)定。