能耗測量有助于工業節能
2014-08-16
時下，能效前所未有地成為一個倍受關注的議題。我們都非常深刻地意識到化石燃料燃燒所導致的氣候改變和環境污染等問題，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，許多工業生產工藝都設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，理所當然，許多制造工藝可以在不影響產量和生產質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約的目的；例如，可能有連續運轉的電動機或加熱器，事實上只有部分生產周期需要它們。而其他潛在節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查來發現。調節任何系統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將采用更高的能源監控標準，但是現有設施沒有配備此類基礎計量裝置，而這些設施中的大部分會被繼續使用許多年。
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年啟動了優化和降低公司能耗的項目，并將其列為集團內部可持續發展策略。INERGY是世界領先的汽車油箱研發和制造商，尤其是高級塑料油箱。INERGY Automotive Systems于2000年由Plastic Omnium和Solvay合資創建，主營塑料油箱系統。時至今日，該公司已經發展成領先的一級供應商，向全球主要汽車制造商供應塑料油箱系統。INERGY Automotive Systems的總部設在法國巴黎，目前在全球18個國家擁有24個生產基地。2009年，INERGY為全球主要汽車制造商生產供應了900萬臺油箱系統，銷售額達9億歐元。
該項目就是當下知名的INeco：創建INERGY能耗優化以提高能效，當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，這個數值大約相當于一個6萬人口的歐洲城鎮所消耗的電量。INeco項目和整體部署由Stéphane Duval和JosephBrossard負責。項目初期對INERGY工廠的主要現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，并將分析結果用作行動方案基礎。當然，每家工廠的電網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據。為了對當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。
監控器安裝
最初考慮采用傳統的電纜電量計量解決方案，但經過證實，在如此短的時期內安裝這種計量系統，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，唯一現實的替代方案就是LEM的Wi-LEM無線電能表。Wi-LEM電能表節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線附近，以便安置連續回路傳感器或串聯傳感器。它們可以讓INERGY將測量節點自由安裝在每個配電柜最方便接觸的位置，最關鍵的是，不需要停機。盡管該系統的安裝如此簡便，其測量節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狀網絡傳輸數據。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；“網狀”表明測量節點和中央數據收集點之間的無線數據收集網絡是自組織型的。LEM采用了一種非常可靠的、工業級的、IEEE 802.15.4網狀網絡標準之上的協議來保證數據傳輸。無電纜安裝并不意味著該系統只能用于臨時性安裝。許多用戶可能需要通過在關鍵節點安裝長期監控器來繼續詳盡的能耗調查，以此確保維持節約以及不重蹈費電模式。可靠的無線網狀網絡符合工廠數據收集系統安裝最新規范，因此它也是長期監控的理想選擇。
2009年9月，首個包含40個測量節點的Wi-LEM臨時性網絡在Pfastatt工廠布設。該Wi-LEM采用了3相Δ配置，測量范圍高達2000A。這些傳感器節點采用了LEM的Rogowski線圈，這是一種Perfect Loop技術，沒有不連續線圈卡環。這種創新傳感器的測量頻率設置為每天240個電流值，連續測量3周，得到龐大的數據——20萬多個瞬時電流值。這樣一來，INERGY團隊不得不設計了一種方法，最大程度地從該數據集中提取信息和價值。最早的預防措施是對數據進行快速的“合理性檢查”。對這些電流測量值積分轉換得到的用電量應該與供電公司收費單上的數值相當。這兩個數值的一致性高于97％，這再次證明該數據是合理的，因此INERGY團隊繼續開展該項目的分析階段。
數據分析
收集的電流數據被存放在單個大型數據庫內，這個數據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、正在制造哪些產品，每個時刻對應一個電流數據點。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、模塑后冷卻。數據分析顯示，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）的能耗測量結果與理論能耗進行了對比，結果表明存在節約空間。為優化性能而開展的測量有了這個發現以后，引領設備供應商探討如何降低此類設備能耗。不是所有發現都與具體的制造工藝相關；標準商業建筑系統如果沒有得到適當管理，也會浪費能源。數據庫數據顯示，INERGY的一些HVAC（加熱、通風和空調）、照明系統被設置為全天連續運行，不管這些設備的服務區是否有員工在場、或者是否需要調控溫度。
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設在美國Anderson和墨西哥Ramos的工廠，這再次證實了它的優勢。Wi-LEM無線電能表的初始體驗是可重復的，證明該單元的安裝和配置非常簡便。INERGY團隊同時還發現，無線網絡的射頻信號非常強，即使在電噪聲工業環境下，依然足以保證數據傳輸。Wi-LEM在網狀網絡中采用了無照發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，該廠配電柜采用的是雙重絕緣金屬門；網絡任何點都不存在連接問題。
總體數據得出如下結論：無需可觀基礎建設支出即可大體節約15％。實現這些節約所需的測量通常簡單、具備常識就行：旦獲取數據，可以顯示必須采取的措施。
因此，理所當然，許多制造工藝可以在不影響產量和生產質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約的目的；例如，可能有連續運轉的電動機或加熱器，事實上只有部分生產周期需要它們。而其他潛在節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查來發現。調節任何系統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將采用更高的能源監控標準，但是現有設施沒有配備此類基礎計量裝置，而這些設施中的大部分會被繼續使用許多年。
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年啟動了優化和降低公司能耗的項目，并將其列為集團內部可持續發展策略。INERGY是世界領先的汽車油箱研發和制造商，尤其是高級塑料油箱。INERGY Automotive Systems于2000年由Plastic Omnium和Solvay合資創建，主營塑料油箱系統。時至今日，該公司已經發展成領先的一級供應商，向全球主要汽車制造商供應塑料油箱系統。INERGY Automotive Systems的總部設在法國巴黎，目前在全球18個國家擁有24個生產基地。2009年，INERGY為全球主要汽車制造商生產供應了900萬臺油箱系統，銷售額達9億歐元。
該項目就是當下知名的INeco：創建INERGY能耗優化以提高能效，當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，這個數值大約相當于一個6萬人口的歐洲城鎮所消耗的電量。INeco項目和整體部署由Stéphane Duval和JosephBrossard負責。項目初期對INERGY工廠的主要現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，并將分析結果用作行動方案基礎。當然，每家工廠的電網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據。為了對當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。
監控器安裝
最初考慮采用傳統的電纜電量計量解決方案，但經過證實，在如此短的時期內安裝這種計量系統，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，唯一現實的替代方案就是LEM的Wi-LEM無線電能表。Wi-LEM電能表節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線附近，以便安置連續回路傳感器或串聯傳感器。它們可以讓INERGY將測量節點自由安裝在每個配電柜最方便接觸的位置，最關鍵的是，不需要停機。盡管該系統的安裝如此簡便，其測量節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狀網絡傳輸數據。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；“網狀”表明測量節點和中央數據收集點之間的無線數據收集網絡是自組織型的。LEM采用了一種非常可靠的、工業級的、IEEE 802.15.4網狀網絡標準之上的協議來保證數據傳輸。無電纜安裝并不意味著該系統只能用于臨時性安裝。許多用戶可能需要通過在關鍵節點安裝長期監控器來繼續詳盡的能耗調查，以此確保維持節約以及不重蹈費電模式。可靠的無線網狀網絡符合工廠數據收集系統安裝最新規范，因此它也是長期監控的理想選擇。
2009年9月，首個包含40個測量節點的Wi-LEM臨時性網絡在Pfastatt工廠布設。該Wi-LEM采用了3相Δ配置，測量范圍高達2000A。這些傳感器節點采用了LEM的Rogowski線圈，這是一種Perfect Loop技術，沒有不連續線圈卡環。這種創新傳感器的測量頻率設置為每天240個電流值，連續測量3周，得到龐大的數據——20萬多個瞬時電流值。這樣一來，INERGY團隊不得不設計了一種方法，最大程度地從該數據集中提取信息和價值。最早的預防措施是對數據進行快速的“合理性檢查”。對這些電流測量值積分轉換得到的用電量應該與供電公司收費單上的數值相當。這兩個數值的一致性高于97％，這再次證明該數據是合理的，因此INERGY團隊繼續開展該項目的分析階段。
數據分析
收集的電流數據被存放在單個大型數據庫內，這個數據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、正在制造哪些產品，每個時刻對應一個電流數據點。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、模塑后冷卻。數據分析顯示，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）的能耗測量結果與理論能耗進行了對比，結果表明存在節約空間。為優化性能而開展的測量有了這個發現以后，引領設備供應商探討如何降低此類設備能耗。不是所有發現都與具體的制造工藝相關；標準商業建筑系統如果沒有得到適當管理，也會浪費能源。數據庫數據顯示，INERGY的一些HVAC（加熱、通風和空調）、照明系統被設置為全天連續運行，不管這些設備的服務區是否有員工在場、或者是否需要調控溫度。
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設在美國Anderson和墨西哥Ramos的工廠，這再次證實了它的優勢。Wi-LEM無線電能表的初始體驗是可重復的，證明該單元的安裝和配置非常簡便。INERGY團隊同時還發現，無線網絡的射頻信號非常強，即使在電噪聲工業環境下，依然足以保證數據傳輸。Wi-LEM在網狀網絡中采用了無照發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，該廠配電柜采用的是雙重絕緣金屬門；網絡任何點都不存在連接問題。
總體數據得出如下結論：無需可觀基礎建設支出即可大體節約15％。實現這些節約所需的測量通常簡單、具備常識就行：旦獲取數據，可以顯示必須采取的措施。
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