石 原

日本節(jié)能中心國(guó)際協(xié)力部

產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域節(jié)能化的未來(lái)和創(chuàng)新

石 原

日本節(jié)能中心國(guó)際協(xié)力部

基于日本對(duì)用能單位實(shí)施等級(jí)評(píng)價(jià)是節(jié)能政策中作為促進(jìn)能源管理的措施之一，產(chǎn)業(yè)綠色化的重要要素有節(jié)能工廠和智能工廠，通過(guò)不同工廠之間的能源調(diào)配實(shí)現(xiàn)節(jié)能管理。

產(chǎn)業(yè)綠色化；工廠合作；節(jié)能管理

1 產(chǎn)業(yè)綠色化和節(jié)能工廠

產(chǎn)業(yè)的綠色化是多方面的，其中之一是環(huán)境方面，即實(shí)現(xiàn)低環(huán)境負(fù)荷型產(chǎn)業(yè)。例如，能在大氣污染和節(jié)能的境界發(fā)揮作用并具有高能效和高環(huán)境性能的鍋爐的普及等，就是該領(lǐng)域的重要課題之一。而且，從制造業(yè)的觀點(diǎn)出發(fā)，生產(chǎn)低環(huán)境負(fù)荷型產(chǎn)品，是綠色產(chǎn)業(yè)的重要任務(wù)。如開發(fā)和生產(chǎn)節(jié)能性高的LED照明，就鋼鐵領(lǐng)域而言，開發(fā)和生產(chǎn)能源損耗較少的電磁鋼板等也是重要的課題。

產(chǎn)業(yè)綠色化的另一個(gè)重要要素是節(jié)能工廠。在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，為了控制能源消費(fèi)量，構(gòu)建高能效產(chǎn)業(yè)而正在推動(dòng)研發(fā)和開展相關(guān)活動(dòng)。本文將介紹面向節(jié)能工廠的技術(shù)和開展的相關(guān)活動(dòng)。

如圖1所示，發(fā)展節(jié)能工廠需要明白兩個(gè)觀點(diǎn)。一是通過(guò)實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)直接關(guān)聯(lián)的節(jié)能從而提高整個(gè)生產(chǎn)工藝的能效；二是實(shí)現(xiàn)充分應(yīng)用IoT（internet of things）的智能工廠。在綜合性地改善和分析生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)充分應(yīng)用IoT的智能工廠。

圖2是FEMS的定位示意圖，圖2中上方是智能電網(wǎng)的形象圖。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，能源的供應(yīng)和消費(fèi)的構(gòu)成要素之間的關(guān)系今后將更為密切。預(yù)計(jì)工廠內(nèi)部也將推動(dòng)應(yīng)用IoT，并作為FEMS（factory energy management system）而得到發(fā)展。FEMS應(yīng)看成是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)日程安排及其能耗的系統(tǒng)。是作為包含優(yōu)化生產(chǎn)日程安排、優(yōu)化品質(zhì)等在內(nèi)的系統(tǒng)發(fā)揮作用，是BEMS（building energy management system）所不具備的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的獨(dú)自功能。而且，F(xiàn)EMS基于管理理論，是具有可實(shí)現(xiàn)循環(huán)改善框架的系統(tǒng)。

圖1 與生產(chǎn)直接關(guān)聯(lián)的節(jié)能和智能工廠

介紹幾個(gè)事例。例如，以圖3的e-F@actory（三菱電機(jī)）概念為基礎(chǔ)，通過(guò)可以實(shí)現(xiàn)一次數(shù)據(jù)處理的邊緣計(jì)算，使生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與IT系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)以可視化為基礎(chǔ)的整個(gè)工廠的綜合優(yōu)化。在該公司的名古屋制作所和福山制作所已經(jīng)具體地應(yīng)用了e-F@actory。在實(shí)施e-F@actory的事例中，就能源而言，例如電流、電能、單位耗電等得到了管理，而且不僅僅停留于單純的能源指標(biāo)，生產(chǎn)信息、生產(chǎn)線的錯(cuò)誤信息（頻繁停機(jī)）也通過(guò)系統(tǒng)得到了管理，實(shí)現(xiàn)了高效生產(chǎn)。該系統(tǒng)功能還可應(yīng)對(duì)各種能源的計(jì)測(cè)、采集和課題的發(fā)現(xiàn)、分析改善的PDCA循環(huán)管理，開展充分應(yīng)用該功能的節(jié)能活動(dòng)，在削減電力消費(fèi)等方面獲得了顯著的效果。

作為其他系統(tǒng)的事例，還有富士通開發(fā)的系統(tǒng)（如圖4所示），該系統(tǒng)將生產(chǎn)線的可視化作為重要課題，共享大量的設(shè)備信息、設(shè)備維護(hù)信息、生產(chǎn)日程安排信息，改善了管理。據(jù)報(bào)告稱，在該公司的島根工廠充分應(yīng)用該系統(tǒng)功能，在應(yīng)對(duì)生產(chǎn)中需修理產(chǎn)品的修理工藝中，由于系統(tǒng)掌握了位置信息、生產(chǎn)管理信息，提高了直至出廠的作業(yè)流程效率，實(shí)現(xiàn)了包括能耗在內(nèi)的生產(chǎn)整體的高效化。另外，由富士電機(jī)開發(fā)的系統(tǒng)，還可應(yīng)對(duì)能源管理循環(huán)，具備可視化、分析（一目了然化）、優(yōu)化等功能?？梢暬?、分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化是如圖5所示的階段性程序。

圖2 FEMS的定位

2 開發(fā)和實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)直接關(guān)聯(lián)的節(jié)能技術(shù)

節(jié)能工廠是提高能效和生產(chǎn)效率的工廠，為了廣泛實(shí)現(xiàn)節(jié)能工廠，不僅要開發(fā)系統(tǒng)，開發(fā)與生產(chǎn)直接關(guān)聯(lián)的節(jié)能也至關(guān)重要。與生產(chǎn)直接關(guān)聯(lián)的節(jié)能技術(shù)，作為日本的優(yōu)秀表彰事例而公諸于世，現(xiàn)在介紹幾個(gè)表彰事例。

圖3 三菱電機(jī)FA統(tǒng)合綜合解決方案e-F@actory的概念圖

圖4 e-F@actory生產(chǎn)線的可視化

（1）在松下的山形工廠（鏡片工廠）事例中，通過(guò)可視化的分析和改善、通過(guò)LED、熱電轉(zhuǎn)換等節(jié)減能耗，提高了沉積工藝的生產(chǎn)效率，還開發(fā)了可削減能耗25%的高效鏡片成形機(jī)，將整個(gè)工廠的生產(chǎn)工藝革新為節(jié)能型（松下山形工廠:榮獲節(jié)能大獎(jiǎng)，被選為日本TOP 10優(yōu)秀事例）。

（2）工廠之間通過(guò)相互合作，充分應(yīng)用尚未被利用的LNG冷熱能而實(shí)現(xiàn)了顯著節(jié)能（三井化學(xué)、大阪石油化學(xué)、大阪燃?xì)?榮獲節(jié)能大獎(jiǎng)，被選為日本TOP 10優(yōu)秀事例）。乙烯生產(chǎn)設(shè)備在分離和精制產(chǎn)品乙烯時(shí)需要制冷機(jī)，使用已經(jīng)研發(fā)成功的技術(shù)，通過(guò)組合制冷壓縮機(jī)、透平膨脹機(jī)，確立了即使向乙烯生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)的天然氣量發(fā)生變化，也能確保必要的冷熱能的系統(tǒng)。

（3）通過(guò)在不同工廠之間的能源調(diào)配實(shí)現(xiàn)節(jié)能的事例以及用氨循環(huán)的方式將低位廢熱（300℃）用于發(fā)電實(shí)現(xiàn)節(jié)能的事例（住友化學(xué)、富士石油、千代田化工：榮獲優(yōu)秀節(jié)能機(jī)器獎(jiǎng)、被選為日本TOP 10優(yōu)秀事例）。把在各種溫度領(lǐng)域使用熱能的各個(gè)化學(xué)工廠和石油精制工廠視為一個(gè)工廠，優(yōu)化對(duì)熱能的利用。對(duì)最佳的熱傳遞分析采用了夾點(diǎn)技術(shù)（Pinch Technology）。設(shè)置傳熱管道和綜合能源監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了最佳的熱傳遞，并將降低成本的效果在工廠之間進(jìn)行合理分配。

（4）高效利用熱能有三個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，即積極利用廢熱，合理調(diào)整熱能供應(yīng)溫度（可使用低位熱能的地方不使用高位熱能），防止傳熱損耗。在大量使用蒸汽的石油精制工廠，通過(guò)精密診斷蒸汽泄漏、更新和管理疏水閥，防止因設(shè)備老化而導(dǎo)致效率下降，因而大幅度地減少了能耗（新日本石油室蘭·水島制油所、TLV公司：榮獲節(jié)能大獎(jiǎng)，被選為日本的TOP 10優(yōu)秀事例）。

（5）熱電聯(lián)產(chǎn)具有因綜合效率高、發(fā)電資源多重化從而提高能源供應(yīng)穩(wěn)定性等長(zhǎng)處，日本的熱電聯(lián)產(chǎn)雖有增加趨勢(shì)，但如果不能有效利用產(chǎn)生的熱能，反而會(huì)使效率下降。于是開發(fā)了使用FEMS合理產(chǎn)生熱能和電能的系統(tǒng)。

上面列舉了幾個(gè)重要的技術(shù)事例，這些技術(shù)的特點(diǎn)是，分析工廠整體能源消費(fèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，而且不局限于一個(gè)工廠，融合相鄰工廠作為一個(gè)整體提高能效。此外還有將發(fā)電廠的熱能用于其他公司而提高了工廠地區(qū)全體能效的技術(shù)，通過(guò)緊湊型工廠同時(shí)提高生產(chǎn)效率和能效等，這些把生產(chǎn)與能效直接相聯(lián)的技術(shù)得到開發(fā)和應(yīng)用。

另外如圖6所示，在屬于多能耗產(chǎn)業(yè)的鋼鐵領(lǐng)域，日本在煉鐵和煉鋼的工藝流程中開發(fā)了許多節(jié)能技術(shù)，提高了生產(chǎn)性，并普及推廣了在實(shí)際設(shè)備上的應(yīng)用。還有CDQ（coke dry quench）等已在中國(guó)普及推廣的技術(shù)。今后將推動(dòng)采用有效利用排熱的大型節(jié)能技術(shù)，期待為推進(jìn)節(jié)能和環(huán)保作出貢獻(xiàn)。

在這些技術(shù)中，SCOPE 21是作為日本政府的項(xiàng)目而開發(fā)的，該技術(shù)縮短了煉焦時(shí)間，擴(kuò)大了對(duì)低品位原料碳的利用，獲得了顯著的節(jié)能效果?，F(xiàn)在已開始在實(shí)際設(shè)備上采用該技術(shù)。

圖5 可視化、分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化

3 不斷發(fā)展的節(jié)能技術(shù)

開發(fā)和普及有助于推進(jìn)實(shí)現(xiàn)智能工廠的通用節(jié)能技術(shù)也很重要。

（1）可期待成為這種通用節(jié)能技術(shù)的設(shè)備就是熱泵。熱泵技術(shù)業(yè)已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在商務(wù)和家庭領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)并使用COP（性能系數(shù)）為6～7的非常高效的設(shè)備。產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域也期待通過(guò)熱泵來(lái)有效利用熱能。產(chǎn)業(yè)界有效利用熱能的關(guān)鍵是采用高溫領(lǐng)域的大容量熱泵，目前正在推動(dòng)研發(fā)。

圖7是產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域積極有效利用熱泵的事例之一。在食品生產(chǎn)中，在需要冷卻的工藝和需要加熱的工藝之間通過(guò)熱泵傳熱而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。

（2）蓄熱式燃燒裝置是在工業(yè)爐領(lǐng)域開發(fā)的具有飛躍性節(jié)能效果的設(shè)備之一。表示鋼鐵生產(chǎn)工藝節(jié)能技術(shù)的圖6也標(biāo)示了蓄熱式燃燒器加熱爐，這是使鋼鐵加熱爐大幅度地實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的技術(shù)，不僅限于鋼鐵生產(chǎn)，還廣泛地削減了工業(yè)爐的能耗。

蓄熱式燃燒裝置是將Ceramics Honey-Comb（蜂窩陶瓷）和Ceramics Ball（陶瓷球）等蓄熱體組裝于排氣及供氣系統(tǒng)內(nèi)的一對(duì)燃燒器，反復(fù)進(jìn)行通過(guò)輪換燃燒和排熱的蓄熱（輪換燃燒），將排熱作為第二熱源來(lái)使用，可實(shí)現(xiàn)高能效的燃燒。

為了將這一高效利用排氣的系統(tǒng)合理應(yīng)用于工業(yè)爐，如圖8所示，分析工業(yè)爐的能源使用和平衡至關(guān)重要。根據(jù)這一分析，還可以正確預(yù)測(cè)設(shè)置蓄熱式燃燒裝置的效果。而且根據(jù)實(shí)際情況，不單單設(shè)置蓄熱式燃燒裝置，再配合變更加熱模式等其他措施，可以制定最佳應(yīng)對(duì)措施。

圖6 鋼鐵的生產(chǎn)工藝和研發(fā)并付諸實(shí)施的節(jié)能技術(shù)（出處：日本鐵鋼聯(lián)盟）

圖7 產(chǎn)業(yè)用熱泵的應(yīng)用舉例（減少能耗28%）

（3）超越以往更多的有效利用廢熱，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的節(jié)能，這是重要的技術(shù)課題，現(xiàn)正在大量開發(fā)技術(shù)和計(jì)劃積極應(yīng)用。上述的產(chǎn)業(yè)用熱泵、使用低位廢熱的發(fā)電裝置和廢熱回收鍋爐等也是可有效利用廢熱的設(shè)備。而且將低壓蒸汽再生為高壓蒸汽的裝置也可防止產(chǎn)生廢熱，是為有效利用熱能而開發(fā)的技術(shù)，今后可望得到普及。

在石油精煉工廠，屬于主要設(shè)備的蒸餾塔將具有高溫能源潛力的餾出側(cè)的顯熱回收至具有低溫能源潛力的原料側(cè)，以此減少加熱爐的能耗。在石油精煉工廠為有效利用能源而大量設(shè)置了熱交換器，但這些熱交換的合理性及其效率將決定設(shè)備整體的能效高低。因此必須根據(jù)正確的分析，實(shí)現(xiàn)最佳熱交換及維持其性能。

圖8 改善工業(yè)爐的能效

圖9 能源管理和節(jié)能工廠

4 智能工廠和能源管理

智能工廠和FEMS是指包含能源管理循環(huán)在內(nèi)的系統(tǒng)。如圖9所示，能源管理設(shè)置了目標(biāo)，為了達(dá)標(biāo)，分析工廠和工藝，尋求改善可行性的過(guò)程就是能源管理。以此實(shí)現(xiàn)的結(jié)果和管理過(guò)程成為實(shí)現(xiàn)智能工廠的要素。

基于節(jié)能法推動(dòng)對(duì)工廠等用能單位實(shí)施等級(jí)評(píng)價(jià)是日本的節(jié)能政策中作為促進(jìn)能源管理的措施之一。采用標(biāo)桿值、改善率、能源管理水平等級(jí)等指標(biāo)，通過(guò)實(shí)施分為S、A、B、C等的等級(jí)評(píng)價(jià)（S是最優(yōu)秀的等級(jí)）、公布、指導(dǎo)等，推動(dòng)工廠等的節(jié)能管理和節(jié)能開發(fā)。

表1是日本節(jié)能法中的產(chǎn)業(yè)界各行業(yè)的目前標(biāo)桿值，是否已達(dá)到標(biāo)桿值是等級(jí)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。在充實(shí)節(jié)能法制度、充實(shí)對(duì)節(jié)能技術(shù)的支援措施和獎(jiǎng)勵(lì)措施的同時(shí)，還采用標(biāo)桿值明確標(biāo)示各工廠目前所處的位置。

應(yīng)用這些指標(biāo)，可以知道自己的等級(jí)，這對(duì)面向節(jié)能工廠實(shí)現(xiàn)積極應(yīng)用節(jié)能技術(shù)和提高技術(shù)水平意義重大。

Future and Innovation of Industry Energy Conservation

Ishihara
Japanese Energy Saving Center International Coordination Department

The article is based on implementing level evaluation of energy-using unit as one of measures promoting energy management in Japanese energy-saving policies. Green industry has several important elements, including energy-saving factory and intelligent factory. Achieving energysaving management through deploying energy between different factories.

Green Industry, Factory Cooperation, Energy Saving Management

表1 產(chǎn)業(yè)界各行業(yè)的標(biāo)桿值

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.12.007