魏銀萍

(陜西延長石油興化新能源有限公司，陜西 興平 713100)

0 引 言

能源是人類社會活動的重要物質基礎。近年來，隨著化石能源資源供應的日益緊張和生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，節(jié)約能源已成為我國可持續(xù)發(fā)展的一項長期發(fā)展戰(zhàn)略，國家出臺了一系列關于節(jié)能的政策法規(guī)，將節(jié)能作為我國能源消費革命的主陣地。電機作為重點工業(yè)用能設備，其高效節(jié)能技術的推廣應用可有效減少不必要的電力和能源浪費。為貫徹落實國家節(jié)能減排規(guī)劃和工業(yè)節(jié)能規(guī)劃，推動高效電機開發(fā)和推廣應用，促進電機產業(yè)升級，全面提高電機能效水平，進而實現工業(yè)經濟綠色高質量發(fā)展，2021年10月工業(yè)和信息化部、市場監(jiān)督管理總局聯合發(fā)布的《電機能效提升計劃(2021—2023年)》提出，2023年高效節(jié)能電機年產量達到1.7×108kW，在役高效節(jié)能電機占比達20%以上，實現年節(jié)電量490×108kW·h，相當于年節(jié)約標煤15 000 kt、年減排CO228 000 kt。

陜西興化集團有限責任公司(簡稱興化集團)始建于1965年，主要生產氨醇、硝酸銨、純堿、氯化銨等傳統化工產品，近年來逐步向有機化工方向轉型，其生產裝置大多建成時間較早，所用電機效率低、能耗大。為積極響應國家節(jié)能降碳政策、踐行企業(yè)環(huán)境保護主體責任，于2021年開始開展電機節(jié)能改造工作。通過對現有各生產裝置電機實際運行情況的充分摸排與論證，結合外部市場調研、技術比選情況，確定先以陜西延長石油興化新能源有限公司(簡稱興化新能源公司)2017年1月建成投產的100 kt/a煤基乙醇裝置作為電機節(jié)能改造的示范點，最終實現由點及面在興化集團內部全面推行。煤基乙醇裝置完成節(jié)能電機更換后，發(fā)現其總用電負荷下降，但個別節(jié)能電機能耗存在不降反升的現象，后經工藝人員、設備人員和電機廠家三方協作，這些節(jié)能電機能耗得以下降。以下對有關情況作一介紹。

1 節(jié)能電機簡介

1.1 節(jié)能電機節(jié)能原理

高效節(jié)能電機采用新設計、新工藝、新材料等，通過降低電磁能、熱能和機械能損耗等來提高電機的輸出效率，進而實現節(jié)能。高效節(jié)能電機與傳統電機相比，通常情況下其效率可提高4%左右。

電機在能量轉化過程中會產生能量損耗。電機的能量損耗一般分為定子鐵損耗、定子銅損耗、機械損耗、轉子銅損耗、附加損耗，有針對性的能效提升措施主要有：① 將熱軋電工鋼改為低損耗、高磁感的冷軋無取向電工鋼，可降低定子鐵損耗；② 增加定子有效材料用量、改進線圈結構方式，可降低定子銅損耗；③ 適當減小風扇尺寸、改進風扇結構或改善通風結構等，可降低機械損耗；④ 增加轉子有效材料用量，可降低轉子銅損耗；⑤ 改變定子繞組形式、改善定子與轉子槽配合或適當加大氣隙，可降低附加損耗。這五種方法中，有的方法對電機能效的提升效果不明顯，有的需要投入的成本又太大，基本上只有通過適當減小風扇尺寸、改進風扇結構或改善通風結構的方式(降低機械損耗)制作的節(jié)能電機綜合節(jié)能效果最好，此舉幾乎可在制作成本不變的情況下提高電機能效約35%。

1.2 電機能效分級

自2021年6月1日起，《電動機能效限定值及能效等級》(GB 18613—2020)正式實施。GB 18613—2020能效三級、能效二級、能效一級標準分別與國際電機標準IEC60034-01之IE3、IE4、IE5保持了一致，即IE3成為我國最低的三相異步電動機能效限定值(三級能效)，低于IE3能效限定值的三相異步電動機(如YE2系列電動機等)不允許再生產銷售；而GB 18613—2020能效三級標準分別相當于原《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》(GB 18613—2012)能效二級水平、《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》(GB 18613—2006)能效一級水平。

1.3 節(jié)能電機的優(yōu)勢

1.3.1 節(jié)能效果好

電機效率是指電機輸出功率與輸入功率之比，普通電機的效率一般在75%～92%之間，剩余25%～8%的部分在設備運行過程中以摩擦、阻力、發(fā)熱等形式被消耗掉，從而造成一定的電能浪費。高效節(jié)能電機則是通過對電機零部件制作及組裝過程的不斷優(yōu)化改進來提升電機的運行效率，以降低系統電耗、實現節(jié)能目標。據統計，高效節(jié)能電機相較于普通電機效率平均可提高4%左右，消耗電量降低15%左右，系統熱損降低的同時可延長電機使用壽命，使電機更耐用、運行更可靠，長期運行成本低，節(jié)能效益可觀。除能量轉化效率高外，高效節(jié)能電機在整個配套系統優(yōu)化方面也有一定的能效優(yōu)勢，其所具有的高傳輸比可優(yōu)化整個電力傳輸系統，通過牽動上下游控制模塊進一步提升節(jié)能效果。

1.3.2 環(huán)保效益好

高效節(jié)能電機的應用，可顯著降低系統運行電耗，從而降低發(fā)電原料煤消耗，減少環(huán)境污染，促進碳減排，順應綠色、低碳、環(huán)保的發(fā)展趨勢，可提高我國產業(yè)與經濟的全球競爭力。

2 煤基乙醇裝置電機節(jié)能改造實施情況

為積極響應國家關于節(jié)能降碳的號召，興化集團綜合研判生產裝置運行實際、充分調研電機節(jié)能改造配套技術，于2021年起將“先示范后推廣，逐步淘汰低能效等級、實施高效節(jié)能電機改造”作為企業(yè)一項節(jié)能重點工作深入開展。經充分論證，電機節(jié)能改造示范點選取了電機數量較多、改造實施難度較低、運行效益論證相對容易的100 kt/a煤基乙醇裝置。

2.1 原電機運行狀況及改造的可行性

煤基乙醇裝置原設計電機效率大多在75%～90%之間，能效低于GB 18613—2020能效三級標準。煤基乙醇裝置投運至今已6 a多，近年來裝置運行中多臺電機出現過不同程度的溫度升高、聲音變大等現象，電力部門在對電機進行例行檢查中發(fā)現，部分電機零部件已出現老化現象，這給裝置的安全穩(wěn)定運行帶來一定的隱患。

參照相關要求，高效節(jié)能電機替換的適用范圍是電機負載率在50%以上、年運行時間>3 000 h的恒轉矩負載。煤基乙醇裝置年均生產負荷>80%，運行時間約7 500 h，電機整體運行負荷較高，滿足節(jié)能電機替換要求。

2.2 高效節(jié)能電機的選定、采購、更換

考慮到煤基乙醇裝置原有電機均為臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司生產，其在電機行業(yè)的業(yè)績和口碑俱佳，為保證與原有設備配套的一致性，本次電機節(jié)能改造最終確定采用臥龍電氣驅動集團的IE5型高效節(jié)能電機。

煤基乙醇裝置在用電機68臺，電機節(jié)能改造于2021年完成論證，并被列入興化新能源公司2022年專項工程；2023年3月，煤基乙醇裝置68臺高效節(jié)能電機完成制作并到貨，工藝、檢修、電氣三方專業(yè)人員提前充分論證了更換方案，嚴格執(zhí)行“備機不過夜”制度，確保當天更換的電機調試完成而具備備用條件。最終經過半個多月的周密組織實施，高效、有序地完成了所有節(jié)能電機更換工作并正常投運。

3 節(jié)能效果

2023年4月興化新能源公司68臺節(jié)能電機更換施工完成并投用，運行電耗降低，改造示范效應明顯，技術人員對電機更換前后相同生產負荷(80%)下煤基乙醇裝置電耗進行了統計與對比分析：電機更換前的2023年3月21—23日電耗分別為162 975 kW·h、163 800 kW·h、163 569 kW·h，日均電耗為163 448 kW·h；電機更換后的2023年5月1—3日電耗分別為158 904 kW·h、159 620 kW·h、158 489 kW·h，日均電耗為159 004 kW·h?？梢钥吹剑鼡Q為節(jié)能電機后，相同負荷下日用電量平均下降4 444 kW·h，電機能耗較改造前下降2.7%，低于預期節(jié)能目標5%。

更換為節(jié)能電機后，煤基乙醇裝置按年運行330 d、電價0.55元/(kW·h)計，全年節(jié)電產生的直接效益約4444×330×0.55÷10000=80.66萬元。本次節(jié)能電機更換投資費用350萬元，年投資收益率約80.66÷350=23.04%。

4 節(jié)能電機應用中問題解決與探討

本批次更換的節(jié)能電機投用后，運行中主要存在兩方面的問題，一是少部分節(jié)能電機能耗水平高于舊電機，二是整體節(jié)能水平低于預期。為此，工藝上協同檢修、電氣及電機廠家技術人員通過現場查看、實際檢測、分析探究及實施改進等，以盡量解決上述問題，具體過程總結如下。

4.1 部分電機能耗不降反升問題

節(jié)能電機投運后，工藝上統計分析其總體節(jié)能效果時發(fā)現，68臺節(jié)能電機中，有45臺節(jié)能效果明顯，有18臺電機更換前后能耗變化不大，還有5臺電機能耗不降反升(變電所查看到電機能耗與電流變化趨勢一致)。為查明原因，興化新能源公司聯系電機廠家用福祿克435型三相電能質量分析儀對更換前后電流呈不同變化趨勢的2臺電機進行了電能分析，實測結果統計如表1。

表1 不同負載率下新/舊電機電能分析統計數據

節(jié)能電機出廠能效檢測報告是在額定功率(100%負荷)下完成的，正常生產中煤基乙醇裝置負荷穩(wěn)定在50%以上，本次實際測量分別在50%負荷、75%負荷下進行。從實測結果(見表1)來看：1#泵電機更換后電流下降，負荷在50%以上即顯示出節(jié)能效果，表明1#泵新電機在實際運行中實現了節(jié)能效果；2#泵電機更換后電流不降反升，且負荷加至75%時仍無法呈現節(jié)能效果。

為此，技術人員經過聽(異響)、摸(溫度)、測(振動)，并對節(jié)能電機電能質量反復測試后，初步得出2#泵新電機電流偏高的原因主要有兩方面——一是電機和泵裝配精度可能出現了偏差，二是低負荷工況下新電機功率因數下降趨勢較舊電機更加明顯而偏離了其節(jié)能運行區(qū)間。安排對2#泵電機進行二次安裝、找正、調平后，技術方再次對2#泵電機進行檢測，檢測數據如表2?？梢钥吹剑褐匦掳惭b、找正、調平后，2#泵新電機電流明顯下降，但在低負荷下無法呈現節(jié)能效果，只有在負荷提至75%后節(jié)能效果才開始顯現。同時，對其余4臺能耗出現不降反升的新電機均進行了重新安裝、找正、找平，投用后運行效果與2#泵新電機基本一致。

表2 修正后不同負載下2#泵電機電能分析統計數據

針對修正后節(jié)能電機在低負荷下仍無節(jié)能效果顯現的問題，雙方技術人員再次開展深入交流，最終在對比了電機技術參數和煤基乙醇裝置實際運行工況后，得出如下結論：興化新能源公司煤基乙醇裝置作為國內首套工業(yè)示范裝置，實際運行工況與原始設計差異較大，尤其是其羰基化加氫系統負荷常年在60%～80%之間，導致該系統的部分機泵實際運行負荷遠低于設計值，加之機泵和電機設計時自帶20%裕量，實際工況與額定工況的嚴重偏離使得部分電機存在“大馬拉小車”的現象，這部分節(jié)能電機只有在裝置接近滿負荷運行時才能顯現出節(jié)能效果。

4.2 整體節(jié)能水平低于預期問題

經測算，高效節(jié)能電機平均節(jié)能約4%，而興化新能源公司煤基乙醇裝置節(jié)能電機投運后核算節(jié)能僅2.7%，整體節(jié)能水平低于預期目標。針對這一問題，在分析與總結部分電機能耗不降反升問題及其解決過程后，經與廠家再次深入探討，最終得出如下結論：一是高效節(jié)能電機能效判定標準是以電機在額定功率下的運行工況為前提的，即電機出廠能效檢測是在電機額定功率下進行的，想要達到預期的節(jié)能效果，須使電機處于額定工況下運行，但實際生產中化工裝置尤其是新建示范性裝置負荷常受很多因素影響而難以穩(wěn)定達到額定工況，節(jié)能標準的制定與生產實際的脫節(jié)導致實際節(jié)能效果不及預期；二是興化新能源公司的煤基乙醇裝置作為示范性裝置，后期技改及運行與原始設計工況偏差較大，新節(jié)能電機選型時參照的是舊電機技術參數而未考慮工藝技改方面的影響，少部分電機選型偏大，投運后出現“大馬拉小車”的現象，導致其節(jié)能效果不明顯。

綜上，節(jié)能電機節(jié)能效果與其實際負載率有很大關系，負載率越高，節(jié)能效果越明顯，而實際運行中煤基乙醇裝置負荷受多種因素影響難以維持高負荷運行。針對這一實際情況，雙方技術人員提出后續(xù)改進建議：一是給電機增加變頻器，通過變頻器的精準調節(jié)使其與系統負荷的匹配更加合理，消除“大馬拉小車”現象，從而實現整體效能提升目標；二是后續(xù)項目節(jié)能電機設計時技術方可將電機節(jié)能負荷區(qū)間取在額定工況的60%～80%，這樣對實際生產的意義更大，預計電機的實際節(jié)能效果更佳。

5 結束語

興化新能源公司煤基乙醇裝置完成電機節(jié)能改造后，同等負荷下系統總用電量下降，但個別電機能耗存在不降反升現象，后經工藝人員、設備人員和電機廠家三方檢測及調整，此種問題得到改善。另外，本次電機節(jié)能改造工作雖取得了一定成效，但未達預期目標，究其原因有二——一是部分電機實際運行工況嚴重偏離額定工況，二是節(jié)能電機出廠檢測標準(在額定工況下進行)往往與化工生產實際不符，這是本次電機節(jié)能改造未達預期目標的主要原因。相信上述節(jié)能電機節(jié)能效果的評定以及改造過程中存在的問題及對其解決途徑的總結，可為煤基乙醇裝置節(jié)能電機如何實現高效運行提供一些優(yōu)化思路，也可為其他生產裝置高效節(jié)能電機更換工作提供一些參考與借鑒。