秦宏波

(上海市能效中心，上海 200040)

0 引言

电动机广泛应用于工业、商业、农业、公用设施和家用电气等领域，用于拖动风机、泵、压缩机等各种设备。电机系统包括电动机、被拖动装置、传动控制系统及管网负荷，其用电量在各个国家的总用电量中均占有相当大的比重。根据美国能源部的统计数据，电机系统用电量占全美用电量的50%，占其工业用电量的70%。根据欧盟的统计数据，电机系统用电量占欧盟总用电量的42%，占其工业用电量的69%。根据国家发展和改革委员会2003年的调查结果，电机系统耗电约占我国用电量的60%以上。其中，风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的10.4%、20.9%、9.4% 和 6%［1］。国际铜业协会进行的“全国电机现状市场调研”结果显示:2007年，我国各类电动机装机总容量约为7.28亿kW，耗电量约为19 566 kWh。

由于电机系统消耗了大部分的工业用电，因此提高该系统的能效水平对于各国的能源节约和环境保护具有重要意义。欧盟预测，对不同功率的电机效率提高1% ～6%，可节能3%，每年可节约电能276亿kWh，相当于5座100万kW电站的供电能力。根据国际铜业协会预测，在我国通过提高电动机的能效标准和推广高效电动机的应用，到2011年可累计节电764亿kWh，减排二氧化碳7 640万t。

1 我国电机系统能效现状

改革开放以来，我国制造业有了长足发展，近些年企业通过自主研发和消化吸收，电动机、风机、泵、压缩机等相关产业的产品性能、质量有了显著提高，对推动电机系统的节能工作起了很大的促进作用。但与发达国家相比，我国的电机系统尚存在很大的节能潜力和技术升级空间，主要表现如下:

(1)电动机和被拖动设备效率低。

我国生产和在用的电动机以Y系列为主，占据了近90%的市场份额，其效率平均值为87.3%。美国高效电动机效率平均值为90.3%，该效率为美国能源政策法令所规定的市场准入水平，美国超高效电机的效率平均值为91.7%。我国Y系列电动机效率比美国等先进国家的高效水平平均低3%，比美国超高效水平平均低4.4%。虽然目前国内已有40多家企业能够生产高效电动机，但高效电动机的市场规模依然较小，仅占整个市场的10.4%，且相当一部分高效电动机出口海外，真正的国内需求较少。

风机、泵、压缩机产品效率比国外先进水平低2%～4%，虽然设计水平与国外先进水平相当，但制造技术和工艺有差距。

(2)系统运行效率低。系统匹配不合理，“大马拉小车”现象严重，设备长期低负荷运行。系统调节方式落后，大部分风机、泵类采用机械节流方式调节，效率比调速方式约低30%。电机系统就运行效率而言要比国外先进水平低10%～20%。

(3)节能技术和装备水平相对落后。

电机传动调速及系统控制技术与国外相比差距较大，电力电子变频调速技术与国际先进水平相差5～10年，国外变频调速技术和产品主导我国电机系统市场，采用IGBT/IGCT电力电子器件的高压变频器及技术主要靠国外进口，价格较贵;而且，安全可靠性方面还有待进一步提高，企业不愿承担经济和技术风险。因此，采用变频调速的电机系统仍为少数，不到总量的10%。

根据美国和欧盟电机挑战计划，以及近年来在进行的大量电机系统节能测试评估和节能改造项目的经验，空气压缩机系统的节能潜力多为10%～50%，泵系统的节能潜力为20% ～40%，风机系统的节能潜力为20%～60%。由于这三个系统就占了全国耗电量的40.7%，因此开展电机系统节能对我国“十一五”期间单位GDP能耗下降20%的节能目标，实现建设节约型企业、发展循环经济和清洁生产的任务具有重要意义。

2 各国电机系统节能推进措施和项目

由于电机系统耗电在世界各国均占有相当大的比重，随着能源形势的日益紧张，世界各国，特别是发达国家均开展了电机系统节能工作。美国于1999年起动了“电机挑战计划”，美国能源部成立了工业技术办公室，专门致力于开展电机系统节能的推进，开发了大量有关泵、风机和空压机系统节能的技术资料和MotorMater、PSAT、FSAT、AirMaster等进行系统分析的软件，并专门成立专家组和工业评估中心，为企业提供技术培训、节能评估和开发示范项目等服务。

欧盟也于2003年起动了“电机挑战计划”，促进其电机系统节能工作的开展。除此之外，欧美等发达国家还通过制定相关的财税政策，利用合同能源管理等市场机制来推动企业实施电机系统节能项目。

在联合国工业发展组织(UNIDO)的支持下，我国于2001年底以上海市和江苏省为试点，实施了为期3年的中国电机系统节能项目。其目的是将美国电机挑战计划的成功经验引入我国，通过专家培训、企业技术人员培训、现场测试评估、开发示范项目等措施，提高我国电机系统节能评估和实施项目的能力。在项目期间，上海市节能服务中心于2002年6月成功完成了上海第一个以合同能源管理方式实施的节能改造项目，通过对上海新亚药业有限公司循环水系统的节能改造，节能量超过60%。接下来通过项目复制完成了上海虹港大酒店、永安百货、上海南方商城等中央空调系统的系统节能改造，节能效果均非常显著。

2005年6月，在联合国开发署(UNDP)和全球环境基金(GEF)的支持下，我国起动了为期12年的终端能效项目，项目中涉及到电机系统的子项目有C01(开发电机系统节能培训教材)、A06(制定和示范实施现有和新增电机系统优化设计准则)、A07(电机系统节能服务机构的能力建设)和A15(企业电机系统节能的培训和教育)4个子项目，具体如下:

(1)C01子项目的工作任务是开发电机系统节能培训教材，作为国家和地方节能中心开展电机系统节能的培训教材。培训对象为政府主管节能管理人员、企业节能管理工程技术人员和能源服务机构的工程技术人员等。

(2)A06子项目的工作目标是:根据目前国内电机系统设计的特点，在广泛征求设计院、高校、研究所、电机制造商意见的基础上，制定新增和现有电机系统优化设计准则，并选择4家设计院通过对其高级设计人员进行对新增和现有电机系统优化设计准则的示范实施。

(3)A07子项目的目标是通过国际专家对四家节能服务机构(上海市节能服务中心，江苏省节能服务中心，北京动力源科技股份有限公司，湖北三环发展股份有限公司)技术人员的技术培训，全面提升四家节能服务机构在风机系统、泵系统、压缩空气系统和高效电机等节能服务方面的能力，再通过这些机构为企业提供有针对性的、高质量的电机系统节能培训和服务，促进企业加强电机系统节能管理和实施节能项目，不断提高电机系统的运行效率和能源利用水平，实现显著的经济效益和环境效益。

(4)A15的主要目的是根据C01子项目编写出的电机系统节能培训教材，选择6个省级节能中心，对其辖区政府主管节能管理人员、企业节能管理工程技术人员和能源服务机构的工程技术人员进行技术培训。

除此之外，国家能源标准化委员会近两年还修订了电机系统的产品能效限定值和节能评价值标准、电机系统的经济运行标准、监测标准等相关标准，并制定了电动机的能效标识，从标准制定上促进我国电机系统节能技术的推进。

国家“节能中长期规划”中明确电机系统节能是我国十大重点节能工程之一，为了推进其开展，我国相关部委积极研究制定相关的财税政策和市场机制来推进电机系统节能工作。上海从2007年就开始了节能技改项目的奖励政策，规定节能量折算成标准煤超过500 t的项目，每吨标准煤按照300元进行补贴。同时，对以合同能源管理方式实施的项目，且符合相关条件的，对合同能源管理公司进行一定的前期节能诊断补贴。

3 电机系统节能潜力分析方法

电能在电机系统的流向依次为电机起动器、供电线路、电机速度控制装置、电动机、联轴器、拖动设备(泵、风机等)、流体系统，一直到终端负载，每个环节均有效率损失。因此，电机系统节能的目的是要达到整个系统效率的提高，它不仅追求电机和拖动设备等每个环节效率的最大化，而且要达到整体效率的最大化。由于电机系统是服务于终端负载的，因此对电机系统节能潜力的分析应与电能的流向相反，以终端负载为起点进行逆向分析。具体如图1所示。

图1 电机系统电能流向和节能分析方向图

目前，针对电机系统节能可以选择的节能技术有很多，但并不是每一项节能技术用在任何一个系统中都会起到很好的节能效果。提高电机系统效率的最有效方法就是应用系统的方法对系统进行评估，不仅需要分析系统的供应端和使用端，还要分析两者之间的相互作用，把关注的重点从单一设备转移到整个系统。典型的系统分析方法通常需要进行以下工作:(1)分析当前的工艺生产需求，以及未来的生产发展需求;(2)了解系统当前的运行状态和参数;(3)收集系统运行数据并对其进行分析;(4)提出替代的系统设计方案和改进;(5)对潜在的节能方案进行比较，确定技术上最可行、投资回报最合理的方案;(6)对确定的方案进行实施;(7)继续检测和优化系统;(8)继续运行并维护系统，保证系统高效运行。

4 电机系统节能技术

对于电机系统节能，可用的节能技术和措施，总的来讲可分为以下两类:

(1)提高系统中单台设备的运行效率。如选用高效低耗的机电设备，电动机加装节能控制器，更换裕量过大的设备，开展有效的设备运行管理等。提高设备效率的本质在于降低设备自身的损失，当系统已经比较符合节能要求时，只要对这些设备进行简单的更换调整，就可使系统成为一个较佳系统，收到良好的节能效果。但提高单体设备效率在技术上毕竟有限，对一个具体系统来说，其实际带来的经济效益往往不是很可观。

(2)系统改造。若在对系统进行分析时发现系统因结构不合理、设备不配套、调节方式不恰当等而导致系统低效率运行时，则需要对其进行系统改造。系统改造的目的在于如何使总的输入能量尽量降低，输出能量尽量提高，以及尽可能多地回收能量，而较少考虑单台设备本身的效率。如改变工艺流程结构、选择合适的调节方法、减少调节损失;改变操作条件、确定最佳运行参数、使设备发挥最大效能;调整系统结构和设备的组合方式、合理配套，降低不必要的能耗等。

对于一个具体的电机系统节能改造项目，可能有多个节能技术方案可供选择。需要强调指出的是，节能改造技术方案的最终确定，不可简单地根据各可选方案的节能效果来决断，也不可因片面追求节能效果，而不考虑经济收益、产品产量和质量及工作环境等情况。应该根据有关经济原则，综合考虑产品的产量和质量、环境条件、技术的复杂程度和可靠性等多种因素，在此基础上对各方案进行技术经济综合评估，并确定最终的、最佳的节能改造技术方案。

5 示范项目

上海市节能服务中心近年来一直致力于电机系统节能项目的前期评估和示范项目，在实施电机系统节能项目和终端能效项目期间，吸收国外成功的系统测试诊断评估的经验，完成了约300个风机、泵和空气压缩机系统的测试评估工作，基本上包含了上海市的工业、商业和市政领域的电机系统，其中很多项目得到了成功实施。比较有代表性的节能项目如表1所示。

表1 有代表性的电机系统节能项目表

6 结语

通过上述分析可以看出，电机系统虽然在电力消耗中占据较大的比重，但具有非常大的节能潜力和复制性，已成为国内外政府和企业关注的重点。要在我国全面推进电机系统节能工作，需要政府主管部门、企业、供应商、节能评估机构和第三方节能检测机构等多方共同努力。上海市从2009年开始重点推进电机系统的节能，起动了年耗电量500万kWh以上重点耗电企业的电能平衡工作，通过整合系统节能潜力评估机构平台、供应商平台、第三方节能量检测机构平台，对企业进行节能工作提供前期节能诊断、中期节能改造和后期节能量认证的整个过程进行支持，这无疑将对企业降本增效、节能减排和发展循环经济起到非常重要的推动作用。

［1］中国电机系统节能项目组.中国电机系统能源效率与市场潜力分析［M］.北京:机械工业出版社，2001.

［2］中国节能协会节能服务产业委员会.电机系统节能实施手册［G］.2008.

［3］国际铜业协会.电机系统节能培训教材［G］.2008.