电气自动化技术在装卸机械节能减排中的应用
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引言
“十二五”期间，中国中央提出了把建设资源节约型、环境友好型社会作为加快转变经济发展方式的重要着力点。把深入贯彻节约资源和保护环境昨晚了我国的基本国策，提出了节约能源，降低温室气体排放强度，发展循环经济，推广低碳技术，积极应对气候变化，促进经济社会发展与人口资源环境相协调，走可持续发展之路。装卸机械在我国矿产运输、能源储备、化工原料、电厂输煤等行业都有着极为广泛的应用。装卸机械在生产过程中需要使用大量的电力能源或非可再生化石能源，其电气自动化环保技术水平直接关系着电力能源节约及碳排放水平。另一方面，散料类装卸机械在生产过程中会造成粉尘类污染，这是从设计阶段到生产管理都不容忽视的，其节能减排的需求也对电气自动化行业提出了更高的要求。
1、装卸机械环保能力现状与分析
1.1装卸机械简介
装卸机械是为车、船或其他设备进行装卸作业的物料搬运机械的行业统称，其特点是能够实现自行取物。装卸机械按装卸的物料不同可分为成件物品装卸和机械散状物料装卸机械两种。成件物品装卸机械主要用于袋装、包装、捆装、箱装的物品和木材、金属型材、机器设备等成件物品的装卸工作，一般用配有相应取物装置的各种起重机和起升车辆来完成。集装箱和托盘所用的装卸机械主要是集装箱运载桥、集装箱门式起重机、跨车、叉车和托盘搬运车等。散状物料装卸机械有车辆用（包括火车车皮）和船舶用之分，主要包括装载机、装车（船）机、卸车（船）机、翻车机、斗轮堆取料机、皮带机等。
1.2装卸机械环保能力现状与分析
成件物品装卸机械使用电力能源和石化能源为主，碳排放量主要集中在电厂发电时产生的间接碳排放和装卸机械本身内燃机产生的直接碳排放。机械散状物料在生产工作的同时不但消耗能源，如果环保设施的建设不到位，还会造成粉尘污染，不但有害于周边环境，还会对生产人员的健康造成损害。用电设备以集装箱运载桥（又称岸桥）为例，单台岸桥的总电力装机容量在260kw左右，其中电机占大概200kw，其它设备用电占60kw。按岸桥每日平均有效工作时间18小时计算，单台岸桥每年平均要消耗电能在1708200kw・h，相当于683280kg标准煤。以此计算，每台岸桥每年需要排放排放0.272kg碳粉尘、0.997kg二氧化碳（CO2）、0.03kg二氧化硫（SO2）、0.015kg氮氧化物（NOX）。石化能源设备以市场保有量最高的ZL-50型轮式装载机为例，其全部动力来自一台162KW 的柴油机，在中等工作强度下每小时消耗柴油15升左右。按每日平均有效工作时间8小时计算，每年需要消耗柴油43800升。按IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）核算方法计算，计算公式如下：E=∑Fa×EFa；公式中，E为移动源CO2排放，kg；Fa为燃料用量，J；EFa为CO2排放因子，kg/J；a为燃料类型，如汽油、柴油、天然气等。柴油的CO2排放因子为74100kg/TJ。将数据代入公式，可以得出每升柴油排放CO2为3.1863kg×0.84=2.6765kg。由此得出，每台装载机每年需要排放CO2117230.7kg。从单台排量来看，装卸机械排放量不算很高，但装卸机械使用的行业都是基础工业、建筑业等行业，所以装备保有量非常大，仅以港口设备和轮式装载机为例，我国目前有54个集装箱码头，装备了大量的集装箱装卸设备。轮式装载机的工程应用更为广泛，据不完全统计，截至自2011年底，我国轮式装载机保有量151.4-164.1万台。其它类型的装卸机械没有详细数据统计支持，但可以看出装卸机械数量非常庞大，碳排放的总量也非常惊人。综上所述，装卸机械的节能减排的实施可以为我国“十二五”节能减排计划添砖加瓦。电气自动化技术作为装卸机械的“大脑”和“肌肉”，是节能减排的主要执行力，应该在节能减排中发挥主导作用。
1、电气自动化技术在装卸机械节能减排设计阶段的应用
1.1在设计阶段实现电气设备的可控性
对于使用电力驱动的装卸机械，可以在设计阶段对其用电设备的进行归纳，总结出用电设备的分布图（图1）：
根据图片的能源结构可以分析得出，变频电机用电量占总用电量的接近50%，是装卸机械的主要用电设备，其它用电设备的总能源消耗量也很高。为了节能减排，必须对所有用电设备实现可控性，这是实现节能减排自动化的初始条件之一。只有在设计阶段实现了可控性，才能使生产阶段的能源限制成为可能。变频电机是用电量最大的设备，在设计阶段就要考虑如何降低其能源消耗。因为变频电机都是使用变频器驱动的，所以需要在变频器的用电来源的上端增加自动化控制设备，是变频器的消耗可控。在生产的空闲阶段，要能够将变频器关闭，实现节能设计。对于风机，水泵类设备，以往的设计可能会让其在不适用的阶段也一直处于在工作状态，需要使用人工来关闭。在节能减排设计中，要对这类设备实现可控设计，实现自动关闭。空调和其他辅助设备用电情况往往容易被忽视，也要实现可控性，为智能控制做好准备。
1.2提高电气设备的能源利用率
装卸机械在非生产工作状态下可以采用关闭非必要设备的方法来实现节能，而在设备工作时间，则需要采用提高电气设备能源利用率的方式，主要有以下几项
1.2.1采用更加高效的电机
未来高效电机的节能潜力会有更广阔的市场，其本身就具有部分节能的效果。自从1997年10月美国以法律形式（EPAct）推广高效电动机以来，在世界范围内推进了高效电动机的研究、开发、生产和应用。1999年欧盟提出了CEMEP-EU协议，将电机效率分为EFF 2-EFF13等多个等级，我国也在CEMEP-EU协议的基础上制订了国标GB18613-2006“中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级”。由此可见高效电机将在未来的节能市场占据非常重要的角色。据相关统计，一台电机的能耗成本在整个电机生命周期成本中占 97%以上，而其采购和安装维护成本仅占不到3%。高效电机产品通过电、磁、机械和通风的优化，优质材料及先进制造工艺的使用，并结合先进全面的试验及测试手段，可以切实有效地降低电动机的各方面损耗，帮助用户降低运行成本，加快投资回收高效电机可以适合所有的驱动设计，电机功率损耗可降低高达45%。并且由于温度降低，不仅延长了电机和剂的使用寿命，同时还实现了间接性经济能耗节约。
1.2.2推广高低压变频节能
变频器是电动机系统节能的重要部件，它通过调节电动机的转速使其“小马拉大车”和变负载的情况得到很好改善。此外，交流电机调速驱动是我国近年发展较快的新技术，变频调速被列入国家重点组织实施的10项资源节能综合利用技术改造示范工程之一。以典型的节能应用产品高压变频器为例，其经用户认可的节能效果达到30%-60%，而高压变频器在装卸行业的普及率不到10%。但高压变频器应用已从导入期进入高速发展阶段，随着经济复苏和国家节能减排力度的加强将促进以高压变频器为代表的自动化节能快速发展。
由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。变频器用于机械控制风机、泵类和压缩机以及经常处于低负荷率的电机。变频器可以精确地根据要求使电气传动设备以可调节的转速运行，有效的节约能源，对风机、泵类及压缩机等应用极为有效，节约能源最高可达 50%左右。
1.2.3选用更为高效的电源系统
2002年5月1日开始实施的中国强制认证，把电源系统的PFC设计列为必备标准，这也是从节能方面的考虑。PFC分为主动式PFC设计和被动式PFC设计两种。相对于被动式PFC来说，主动式PFC拥有更高的转换效率，但是在电源的转换中依然有百分之三十左右是被白白浪费掉了。因此，如果能在设计时选配使用满载、50%负载、20%负载效率均在80%以上和在额定负载条件下PF值大于0.9的电源，就可以使转换效率提高10%以上，在减少电能的浪费的同时还有如下优点：1）降低能源消耗，节省电费开支；2）降低电源发热量，从而降低散热支持；3）增强电气自动化系统的可靠性，减少维修保养成本；
1.3在设计阶段对能源管理提供硬件支持
在装卸机械长达数十年的使用周期中，只有实现坚持科学发展，用统计学和大数据对能源消耗进行分析，才能实现持续的节能降耗。这就需要在装卸机械的设计阶段就要在其自动化系统集成专用的硬件设备，对今后生产中使用的能源管理系统提供硬件支持。专用的硬件集成方案可以使用工控方案，即使用专用的能源管理PLC或DCS硬件，来对能源消耗做记录和分析。以年度为周期，将每日中各个设备所使用的能源及能源效率记录到专用的数据库中，然后将各个设备，不同企业的大数据上传至云平台的数据库。将上传数据由政府部门或者独立的机构对能源数据进行管理分析。这样就可以实现跨设备、跨企业甚至跨行业的节能减排综合性整体控制和管理。从执行机构层面上，可以找出比较隐蔽的能源消耗欠缺点。在装卸机械设备层面上，可以对不符合能源管理规定的执行设备实现技术升级。从企业管理层面上，可以督促企业选择能耗更多的装卸设备及设计方案，从而实现宏观上的调控作用。
2、电气自动化技术在装卸机械节能减排生产使用阶段的应用
2.1通过自动化控制系统采用优化操作、优化调度实现节能减排
装卸机械在获得经济效益的同时实现节能降耗和资源优化，生产阶段可以通过自动化控制系统采用优化操作、优化调度的方式来实现。对于能够实现全自动执行的设备，再生产阶段可以通过智能化软件分析，对生产过程的操作步骤建立数据库。通过数据库的分析结合设备动作步序性分解查看，来确定全自动操作最优化方案。
2.2通过自动化能源管理系统实现节能减排
除了在执行层面上采用先进技术和优化技术外，装卸机械还应该通过生产系统中集成的能源消耗管理的一体化综合过程自动化系统来实现节能减排的自动化控制。能源管理系统是以帮助装卸机械在扩大生产的同时，通过能源计划、监控、统计、消费分析、重点能耗设备管理和能源计量设备管理等多种手段，合理计划和利用能源，降低单位产品能源消耗，提高经济效益为目的信息化自动管控系统。能源管理系统是耗能装卸机械实现优化资源配置、合理利用能源的系统节能战略措施。通过能源管理系统可以对装卸机械设备中不良的能源使用习惯和高能耗设备，以及高能耗运转周期等问题进行深入挖掘和控制，实现安全生产、优良供能，提高工作效率并降低能耗，最终达到降低产品成本的目的，同时通过节能达到减排的目标。现在很多装卸机械已经具备了基础能源设备，如智能仪表、物位计、流量开关等，而如何将数据用最快捷的方式进行传输，并且实时监控能源的消耗情况，成为能源系统未来的发展方向。
2.3通过科学化管理使节能减排观念深入人心
通过对装卸机械设备自动化能耗管理数据的深入发掘，结合数据库中人力资源管理部分的相关数据记录的分析。就可以实现按单位设备、生产班组、操作司机等不同的编制进行单位能耗的比较和分析，通过竞争机制对节能减排指标不好的单位进行监督及考核，对达标的单位和个人实行奖励，从而实现的节能减排科学化管理。使广义上的节能减排在细节上落实到每台装卸设备，落实到每个人，使节能减排观念深入人心。
4、结束语
综上所述，电气自动化技术在装卸机械节能减排中的应用非常的广泛，不论是在设计、制造阶段还是在生产运营阶段都可以发挥重要的作用。我国的装卸机械制造行业目前正在处于有生产密集型产品向技术密集型产品升级的关键阶段，与发达国家装卸机械整体制造水平的差距在逐步缩小，设备出口量逐年增加。另一方面，随着全球变暖趋势更加明显，发达国家对装卸机械等基础工业设备的排放要求也越来越苛刻，进口门槛也越来高。装卸机械制造行业应该抓住契机，加大节能减排技术的研发力度，实现技术升级，在保护环境的同时创造更大的经济价值。
（作者单位：1.大连华锐重工集团股份有限公司装卸设计院；2.国华徐州发电有限公司燃料生产部）
作者简介
夏广宇.男（1980・7）籍贯：辽宁大连人，电气工程师，现任职大连华锐重工集团有限公司，学士学位，从事电气及自动化系统设计工作。
周劲松.男（1969・5）籍贯：江苏徐州人，现任职国华徐州发电有限公司电气工程师，维修电工高级技师，学士学位，从事燃料电气检修管理工作.