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能耗測量有助于工業(yè)節(jié)能
2014-08-16
時下，能效前所未有地成為一個倍受關(guān)注的議題。我們都非常深刻地意識到化石燃料燃燒所導(dǎo)致的氣候改變和環(huán)境污染等問題，以及降低我們碳足跡的必要性。即使沒有其他壓力，日漸增加的成本也足以引起注意；最近幾年，電耗平均每年增長5％至10％。然而，許多工業(yè)生產(chǎn)工藝都設(shè)計于尚未強制推行盡可能“綠色”和盡可能降低單位能耗的時代。
因此，理所當(dāng)然，許多制造工藝可以在不影響產(chǎn)量和生產(chǎn)質(zhì)量的前提下大幅降低能源投入。某些時候，僅通過檢查就可以達到節(jié)約的目的；例如，可能有連續(xù)運轉(zhuǎn)的電動機或加熱器，事實上只有部分生產(chǎn)周期需要它們。而其他潛在節(jié)約措施不是那么顯而易見，只能通過對所涉及工藝做更詳盡的調(diào)查來發(fā)現(xiàn)。調(diào)節(jié)任何系統(tǒng)的基本原則是詳細了解其運行方式，而這則需要測量；19世紀著名的物理學(xué)家Lord Kelvin說過，“如果您不能準確測量，那么您就無法改進。”令人驚訝的是，許多高耗能工藝的能源計量投入可能相對不足。許多國家的最新建筑法規(guī)將采用更高的能源監(jiān)控標準，但是現(xiàn)有設(shè)施沒有配備此類基礎(chǔ)計量裝置，而這些設(shè)施中的大部分會被繼續(xù)使用許多年。
汽車油箱制造
能源消耗被列入汽車部件制造和整車裝配公司——INERGY Automotive Systems的最高日程，該公司于2008年啟動了優(yōu)化和降低公司能耗的項目，并將其列為集團內(nèi)部可持續(xù)發(fā)展策略。INERGY是世界領(lǐng)先的汽車油箱研發(fā)和制造商，尤其是高級塑料油箱。INERGY Automotive Systems于2000年由Plastic Omnium和Solvay合資創(chuàng)建，主營塑料油箱系統(tǒng)。時至今日，該公司已經(jīng)發(fā)展成領(lǐng)先的一級供應(yīng)商，向全球主要汽車制造商供應(yīng)塑料油箱系統(tǒng)。INERGY Automotive Systems的總部設(shè)在法國巴黎，目前在全球18個國家擁有24個生產(chǎn)基地。2009年，INERGY為全球主要汽車制造商生產(chǎn)供應(yīng)了900萬臺油箱系統(tǒng)，銷售額達9億歐元。
該項目就是當(dāng)下知名的INeco：創(chuàng)建INERGY能耗優(yōu)化以提高能效，當(dāng)時該集團總用電量約為228000千度——該公司的能耗模式幾乎全部是電能，這個數(shù)值大約相當(dāng)于一個6萬人口的歐洲城鎮(zhèn)所消耗的電量。INeco項目和整體部署由Stéphane Duval和JosephBrossard負責(zé)。項目初期對INERGY工廠的主要現(xiàn)有制造工藝進行一系列能源審計，最先審計位于法國Pfastatt的生產(chǎn)基地。
首次審計開展于2009年，審計目的為：收集為期3周的詳細能耗信息；對收集的信息進行分析，并將分析結(jié)果用作行動方案基礎(chǔ)。當(dāng)然，每家工廠的電網(wǎng)輸入端都配置有電表，以便為供電公司提供收費賬單，但是，審計需要更多電量輔助計量解決方案，用以收集每臺機器和每項工藝的瞬時電流數(shù)據(jù)。為了對當(dāng)前工廠開展能量審計，項目要求配置臨時性電量計量方案；因此，其安裝和拆卸必須簡單快捷。
監(jiān)控器安裝
最初考慮采用傳統(tǒng)的電纜電量計量解決方案，但經(jīng)過證實，在如此短的時期內(nèi)安裝這種計量系統(tǒng)，實施困難，成本昂貴。而市面上幾乎沒有“即插即用”的測量解決方案，唯一現(xiàn)實的替代方案就是LEM的Wi-LEM無線電能表。Wi-LEM電能表節(jié)點為開口鐵心式電流傳感器；無需任何連接就可以將它們夾在導(dǎo)線附近，以便安置連續(xù)回路傳感器或串聯(lián)傳感器。它們可以讓INERGY將測量節(jié)點自由安裝在每個配電柜最方便接觸的位置，最關(guān)鍵的是，不需要停機。盡管該系統(tǒng)的安裝如此簡便，其測量節(jié)點的電能計量精度仍然高于IEC 62053-21標準，1％甚至更高。
Wi-LEM名稱中的“無線”部分指它通過無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。這種傳輸方式有兩個好處；無線運行意味著任何臨時性安裝都不需要電纜；“網(wǎng)狀”表明測量節(jié)點和中央數(shù)據(jù)收集點之間的無線數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)是自組織型的。LEM采用了一種非?？煽康摹⒐I(yè)級的、IEEE 802.15.4網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標準之上的協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸。無電纜安裝并不意味著該系統(tǒng)只能用于臨時性安裝。許多用戶可能需要通過在關(guān)鍵節(jié)點安裝長期監(jiān)控器來繼續(xù)詳盡的能耗調(diào)查，以此確保維持節(jié)約以及不重蹈費電模式?？煽康臒o線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)符合工廠數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)安裝最新規(guī)范，因此它也是長期監(jiān)控的理想選擇。
2009年9月，首個包含40個測量節(jié)點的Wi-LEM臨時性網(wǎng)絡(luò)在Pfastatt工廠布設(shè)。該Wi-LEM采用了3相Δ配置，測量范圍高達2000A。這些傳感器節(jié)點采用了LEM的Rogowski線圈，這是一種Perfect Loop技術(shù)，沒有不連續(xù)線圈卡環(huán)。這種創(chuàng)新傳感器的測量頻率設(shè)置為每天240個電流值，連續(xù)測量3周，得到龐大的數(shù)據(jù)——20萬多個瞬時電流值。這樣一來，INERGY團隊不得不設(shè)計了一種方法，最大程度地從該數(shù)據(jù)集中提取信息和價值。最早的預(yù)防措施是對數(shù)據(jù)進行快速的“合理性檢查”。對這些電流測量值積分轉(zhuǎn)換得到的用電量應(yīng)該與供電公司收費單上的數(shù)值相當(dāng)。這兩個數(shù)值的一致性高于97％，這再次證明該數(shù)據(jù)是合理的，因此INERGY團隊繼續(xù)開展該項目的分析階段。
數(shù)據(jù)分析
收集的電流數(shù)據(jù)被存放在單個大型數(shù)據(jù)庫內(nèi)，這個數(shù)據(jù)庫同時還存放了該廠所有工藝的每分鐘信息；正在使用哪些系統(tǒng)、正在制造哪些產(chǎn)品，每個時刻對應(yīng)一個電流數(shù)據(jù)點。INERGY的油箱制造基于吹塑工藝：高能耗因素包括模塑材料加熱、壓縮空氣供應(yīng)、模塑后冷卻。數(shù)據(jù)分析顯示，吹塑機占該公司總能耗的45％：審計前不知道確切數(shù)值。壓縮機為吹塑提供高壓（13 bar），它們消耗大量能源——分析顯示，壓縮空氣泄露浪費了大量能源。同時將冷卻水工藝（冷卻器、泵）的能耗測量結(jié)果與理論能耗進行了對比，結(jié)果表明存在節(jié)約空間。為優(yōu)化性能而開展的測量有了這個發(fā)現(xiàn)以后，引領(lǐng)設(shè)備供應(yīng)商探討如何降低此類設(shè)備能耗。不是所有發(fā)現(xiàn)都與具體的制造工藝相關(guān)；標準商業(yè)建筑系統(tǒng)如果沒有得到適當(dāng)管理，也會浪費能源。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)顯示，INERGY的一些HVAC（加熱、通風(fēng)和空調(diào)）、照明系統(tǒng)被設(shè)置為全天連續(xù)運行，不管這些設(shè)備的服務(wù)區(qū)是否有員工在場、或者是否需要調(diào)控溫度。
因為Wi-LEM單元是便攜式的，在Pfastatt工廠的審計完成后，很快被拆卸下來，并在接下來的二次審計中被重新安裝在INERGY設(shè)在美國Anderson和墨西哥Ramos的工廠，這再次證實了它的優(yōu)勢。Wi-LEM無線電能表的初始體驗是可重復(fù)的，證明該單元的安裝和配置非常簡便。INERGY團隊同時還發(fā)現(xiàn)，無線網(wǎng)絡(luò)的射頻信號非常強，即使在電噪聲工業(yè)環(huán)境下，依然足以保證數(shù)據(jù)傳輸。Wi-LEM在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中采用了無照發(fā)射機可以采用的最大RF輸出，100mW。這種特性的價值在對美國Anderson工廠的審計中得到了體現(xiàn)，該廠配電柜采用的是雙重絕緣金屬門；網(wǎng)絡(luò)任何點都不存在連接問題。
總體數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論：無需可觀基礎(chǔ)建設(shè)支出即可大體節(jié)約15％。實現(xiàn)這些節(jié)約所需的測量通常簡單、具備常識就行：旦獲取數(shù)據(jù)，可以顯示必須采取的措施。
因此，理所當(dāng)然，許多制造工藝可以在不影響產(chǎn)量和生產(chǎn)質(zhì)量的前提下大幅降低能源投入。某些時候，僅通過檢查就可以達到節(jié)約的目的；例如，可能有連續(xù)運轉(zhuǎn)的電動機或加熱器，事實上只有部分生產(chǎn)周期需要它們。而其他潛在節(jié)約措施不是那么顯而易見，只能通過對所涉及工藝做更詳盡的調(diào)查來發(fā)現(xiàn)。調(diào)節(jié)任何系統(tǒng)的基本原則是詳細了解其運行方式，而這則需要測量；19世紀著名的物理學(xué)家Lord Kelvin說過，“如果您不能準確測量，那么您就無法改進。”令人驚訝的是，許多高耗能工藝的能源計量投入可能相對不足。許多國家的最新建筑法規(guī)將采用更高的能源監(jiān)控標準，但是現(xiàn)有設(shè)施沒有配備此類基礎(chǔ)計量裝置，而這些設(shè)施中的大部分會被繼續(xù)使用許多年。
汽車油箱制造
能源消耗被列入汽車部件制造和整車裝配公司——INERGY Automotive Systems的最高日程，該公司于2008年啟動了優(yōu)化和降低公司能耗的項目，并將其列為集團內(nèi)部可持續(xù)發(fā)展策略。INERGY是世界領(lǐng)先的汽車油箱研發(fā)和制造商，尤其是高級塑料油箱。INERGY Automotive Systems于2000年由Plastic Omnium和Solvay合資創(chuàng)建，主營塑料油箱系統(tǒng)。時至今日，該公司已經(jīng)發(fā)展成領(lǐng)先的一級供應(yīng)商，向全球主要汽車制造商供應(yīng)塑料油箱系統(tǒng)。INERGY Automotive Systems的總部設(shè)在法國巴黎，目前在全球18個國家擁有24個生產(chǎn)基地。2009年，INERGY為全球主要汽車制造商生產(chǎn)供應(yīng)了900萬臺油箱系統(tǒng)，銷售額達9億歐元。
該項目就是當(dāng)下知名的INeco：創(chuàng)建INERGY能耗優(yōu)化以提高能效，當(dāng)時該集團總用電量約為228000千度——該公司的能耗模式幾乎全部是電能，這個數(shù)值大約相當(dāng)于一個6萬人口的歐洲城鎮(zhèn)所消耗的電量。INeco項目和整體部署由Stéphane Duval和JosephBrossard負責(zé)。項目初期對INERGY工廠的主要現(xiàn)有制造工藝進行一系列能源審計，最先審計位于法國Pfastatt的生產(chǎn)基地。
首次審計開展于2009年，審計目的為：收集為期3周的詳細能耗信息；對收集的信息進行分析，并將分析結(jié)果用作行動方案基礎(chǔ)。當(dāng)然，每家工廠的電網(wǎng)輸入端都配置有電表，以便為供電公司提供收費賬單，但是，審計需要更多電量輔助計量解決方案，用以收集每臺機器和每項工藝的瞬時電流數(shù)據(jù)。為了對當(dāng)前工廠開展能量審計，項目要求配置臨時性電量計量方案；因此，其安裝和拆卸必須簡單快捷。
監(jiān)控器安裝
最初考慮采用傳統(tǒng)的電纜電量計量解決方案，但經(jīng)過證實，在如此短的時期內(nèi)安裝這種計量系統(tǒng)，實施困難，成本昂貴。而市面上幾乎沒有“即插即用”的測量解決方案，唯一現(xiàn)實的替代方案就是LEM的Wi-LEM無線電能表。Wi-LEM電能表節(jié)點為開口鐵心式電流傳感器；無需任何連接就可以將它們夾在導(dǎo)線附近，以便安置連續(xù)回路傳感器或串聯(lián)傳感器。它們可以讓INERGY將測量節(jié)點自由安裝在每個配電柜最方便接觸的位置，最關(guān)鍵的是，不需要停機。盡管該系統(tǒng)的安裝如此簡便，其測量節(jié)點的電能計量精度仍然高于IEC 62053-21標準，1％甚至更高。
Wi-LEM名稱中的“無線”部分指它通過無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。這種傳輸方式有兩個好處；無線運行意味著任何臨時性安裝都不需要電纜；“網(wǎng)狀”表明測量節(jié)點和中央數(shù)據(jù)收集點之間的無線數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)是自組織型的。LEM采用了一種非?？煽康摹⒐I(yè)級的、IEEE 802.15.4網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標準之上的協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸。無電纜安裝并不意味著該系統(tǒng)只能用于臨時性安裝。許多用戶可能需要通過在關(guān)鍵節(jié)點安裝長期監(jiān)控器來繼續(xù)詳盡的能耗調(diào)查，以此確保維持節(jié)約以及不重蹈費電模式?？煽康臒o線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)符合工廠數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)安裝最新規(guī)范，因此它也是長期監(jiān)控的理想選擇。
2009年9月，首個包含40個測量節(jié)點的Wi-LEM臨時性網(wǎng)絡(luò)在Pfastatt工廠布設(shè)。該Wi-LEM采用了3相Δ配置，測量范圍高達2000A。這些傳感器節(jié)點采用了LEM的Rogowski線圈，這是一種Perfect Loop技術(shù)，沒有不連續(xù)線圈卡環(huán)。這種創(chuàng)新傳感器的測量頻率設(shè)置為每天240個電流值，連續(xù)測量3周，得到龐大的數(shù)據(jù)——20萬多個瞬時電流值。這樣一來，INERGY團隊不得不設(shè)計了一種方法，最大程度地從該數(shù)據(jù)集中提取信息和價值。最早的預(yù)防措施是對數(shù)據(jù)進行快速的“合理性檢查”。對這些電流測量值積分轉(zhuǎn)換得到的用電量應(yīng)該與供電公司收費單上的數(shù)值相當(dāng)。這兩個數(shù)值的一致性高于97％，這再次證明該數(shù)據(jù)是合理的，因此INERGY團隊繼續(xù)開展該項目的分析階段。
數(shù)據(jù)分析
收集的電流數(shù)據(jù)被存放在單個大型數(shù)據(jù)庫內(nèi)，這個數(shù)據(jù)庫同時還存放了該廠所有工藝的每分鐘信息；正在使用哪些系統(tǒng)、正在制造哪些產(chǎn)品，每個時刻對應(yīng)一個電流數(shù)據(jù)點。INERGY的油箱制造基于吹塑工藝：高能耗因素包括模塑材料加熱、壓縮空氣供應(yīng)、模塑后冷卻。數(shù)據(jù)分析顯示，吹塑機占該公司總能耗的45％：審計前不知道確切數(shù)值。壓縮機為吹塑提供高壓（13 bar），它們消耗大量能源——分析顯示，壓縮空氣泄露浪費了大量能源。同時將冷卻水工藝（冷卻器、泵）的能耗測量結(jié)果與理論能耗進行了對比，結(jié)果表明存在節(jié)約空間。為優(yōu)化性能而開展的測量有了這個發(fā)現(xiàn)以后，引領(lǐng)設(shè)備供應(yīng)商探討如何降低此類設(shè)備能耗。不是所有發(fā)現(xiàn)都與具體的制造工藝相關(guān)；標準商業(yè)建筑系統(tǒng)如果沒有得到適當(dāng)管理，也會浪費能源。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)顯示，INERGY的一些HVAC（加熱、通風(fēng)和空調(diào)）、照明系統(tǒng)被設(shè)置為全天連續(xù)運行，不管這些設(shè)備的服務(wù)區(qū)是否有員工在場、或者是否需要調(diào)控溫度。
因為Wi-LEM單元是便攜式的，在Pfastatt工廠的審計完成后，很快被拆卸下來，并在接下來的二次審計中被重新安裝在INERGY設(shè)在美國Anderson和墨西哥Ramos的工廠，這再次證實了它的優(yōu)勢。Wi-LEM無線電能表的初始體驗是可重復(fù)的，證明該單元的安裝和配置非常簡便。INERGY團隊同時還發(fā)現(xiàn)，無線網(wǎng)絡(luò)的射頻信號非常強，即使在電噪聲工業(yè)環(huán)境下，依然足以保證數(shù)據(jù)傳輸。Wi-LEM在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中采用了無照發(fā)射機可以采用的最大RF輸出，100mW。這種特性的價值在對美國Anderson工廠的審計中得到了體現(xiàn)，該廠配電柜采用的是雙重絕緣金屬門；網(wǎng)絡(luò)任何點都不存在連接問題。
總體數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論：無需可觀基礎(chǔ)建設(shè)支出即可大體節(jié)約15％。實現(xiàn)這些節(jié)約所需的測量通常簡單、具備常識就行：旦獲取數(shù)據(jù)，可以顯示必須采取的措施。
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