夏廣宇　周勁松

引言

“十二五”期間，中國中央提出了把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)作為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要著力點(diǎn)。把深入貫徹節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境昨晚了我國的基本國策，提出了節(jié)約能源，降低溫室氣體排放強(qiáng)度，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，推廣低碳技術(shù)，積極應(yīng)對(duì)氣候變化，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與人口資源環(huán)境相協(xié)調(diào)，走可持續(xù)發(fā)展之路。裝卸機(jī)械在我國礦產(chǎn)運(yùn)輸、能源儲(chǔ)備、化工原料、電廠輸煤等行業(yè)都有著極為廣泛的應(yīng)用。裝卸機(jī)械在生產(chǎn)過程中需要使用大量的電力能源或非可再生化石能源，其電氣自動(dòng)化環(huán)保技術(shù)水平直接關(guān)系著電力能源節(jié)約及碳排放水平。另一方面，散料類裝卸機(jī)械在生產(chǎn)過程中會(huì)造成粉塵類污染，這是從設(shè)計(jì)階段到生產(chǎn)管理都不容忽視的，其節(jié)能減排的需求也對(duì)電氣自動(dòng)化行業(yè)提出了更高的要求。

1、裝卸機(jī)械環(huán)保能力現(xiàn)狀與分析

1.1裝卸機(jī)械簡(jiǎn)介

裝卸機(jī)械是為車、船或其他設(shè)備進(jìn)行裝卸作業(yè)的物料搬運(yùn)機(jī)械的行業(yè)統(tǒng)稱，其特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)自行取物。裝卸機(jī)械按裝卸的物料不同可分為成件物品裝卸和機(jī)械散狀物料裝卸機(jī)械兩種。成件物品裝卸機(jī)械主要用于袋裝、包裝、捆裝、箱裝的物品和木材、金屬型材、機(jī)器設(shè)備等成件物品的裝卸工作，一般用配有相應(yīng)取物裝置的各種起重機(jī)和起升車輛來完成。集裝箱和托盤所用的裝卸機(jī)械主要是集裝箱運(yùn)載橋、集裝箱門式起重機(jī)、跨車、叉車和托盤搬運(yùn)車等。散狀物料裝卸機(jī)械有車輛用（包括火車車皮）和船舶用之分，主要包括裝載機(jī)、裝車（船）機(jī)、卸車（船）機(jī)、翻車機(jī)、斗輪堆取料機(jī)、皮帶機(jī)等。

1.2裝卸機(jī)械環(huán)保能力現(xiàn)狀與分析

成件物品裝卸機(jī)械使用電力能源和石化能源為主，碳排放量主要集中在電廠發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的間接碳排放和裝卸機(jī)械本身內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的直接碳排放。機(jī)械散狀物料在生產(chǎn)工作的同時(shí)不但消耗能源，如果環(huán)保設(shè)施的建設(shè)不到位，還會(huì)造成粉塵污染，不但有害于周邊環(huán)境，還會(huì)對(duì)生產(chǎn)人員的健康造成損害。用電設(shè)備以集裝箱運(yùn)載橋（又稱岸橋）為例，單臺(tái)岸橋的總電力裝機(jī)容量在260kw左右，其中電機(jī)占大概200kw，其它設(shè)備用電占60kw。按岸橋每日平均有效工作時(shí)間18小時(shí)計(jì)算，單臺(tái)岸橋每年平均要消耗電能在1708200kw·h，相當(dāng)于683280kg標(biāo)準(zhǔn)煤。以此計(jì)算，每臺(tái)岸橋每年需要排放排放0.272kg碳粉塵、0.997kg二氧化碳（CO2）、0.03kg二氧化硫（SO2）、0.015kg氮氧化物（NOX）。石化能源設(shè)備以市場(chǎng)保有量最高的ZL-50型輪式裝載機(jī)為例，其全部動(dòng)力來自一臺(tái)162KW 的柴油機(jī)，在中等工作強(qiáng)度下每小時(shí)消耗柴油15升左右。按每日平均有效工作時(shí)間8小時(shí)計(jì)算，每年需要消耗柴油43800升。按IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)）核算方法計(jì)算，計(jì)算公式如下：E=∑Fa×EFa；公式中，E為移動(dòng)源CO2排放，kg；Fa為燃料用量，J；EFa為CO2排放因子，kg/J；a為燃料類型，如汽油、柴油、天然氣等。柴油的CO2排放因子為74100kg/TJ。將數(shù)據(jù)代入公式，可以得出每升柴油排放CO2為3.1863kg×0.84=2.6765kg。由此得出，每臺(tái)裝載機(jī)每年需要排放CO2117230.7kg。從單臺(tái)排量來看，裝卸機(jī)械排放量不算很高，但裝卸機(jī)械使用的行業(yè)都是基礎(chǔ)工業(yè)、建筑業(yè)等行業(yè)，所以裝備保有量非常大，僅以港口設(shè)備和輪式裝載機(jī)為例，我國目前有54個(gè)集裝箱碼頭，裝備了大量的集裝箱裝卸設(shè)備。輪式裝載機(jī)的工程應(yīng)用更為廣泛，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至自2011年底，我國輪式裝載機(jī)保有量151.4-164.1萬臺(tái)。其它類型的裝卸機(jī)械沒有詳細(xì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)支持，但可以看出裝卸機(jī)械數(shù)量非常龐大，碳排放的總量也非常驚人。綜上所述，裝卸機(jī)械的節(jié)能減排的實(shí)施可以為我國“十二五”節(jié)能減排計(jì)劃添磚加瓦。電氣自動(dòng)化技術(shù)作為裝卸機(jī)械的“大腦”和“肌肉”，是節(jié)能減排的主要執(zhí)行力，應(yīng)該在節(jié)能減排中發(fā)揮主導(dǎo)作用。

1、電氣自動(dòng)化技術(shù)在裝卸機(jī)械節(jié)能減排設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

1.1在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的可控性

對(duì)于使用電力驅(qū)動(dòng)的裝卸機(jī)械，可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)其用電設(shè)備的進(jìn)行歸納，總結(jié)出用電設(shè)備的分布圖（圖1）：

根據(jù)圖片的能源結(jié)構(gòu)可以分析得出，變頻電機(jī)用電量占總用電量的接近50%，是裝卸機(jī)械的主要用電設(shè)備，其它用電設(shè)備的總能源消耗量也很高。為了節(jié)能減排，必須對(duì)所有用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)可控性，這是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排自動(dòng)化的初始條件之一。只有在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)了可控性，才能使生產(chǎn)階段的能源限制成為可能。變頻電機(jī)是用電量最大的設(shè)備，在設(shè)計(jì)階段就要考慮如何降低其能源消耗。因?yàn)樽冾l電機(jī)都是使用變頻器驅(qū)動(dòng)的，所以需要在變頻器的用電來源的上端增加自動(dòng)化控制設(shè)備，是變頻器的消耗可控。在生產(chǎn)的空閑階段，要能夠?qū)⒆冾l器關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì)。對(duì)于風(fēng)機(jī)，水泵類設(shè)備，以往的設(shè)計(jì)可能會(huì)讓其在不適用的階段也一直處于在工作狀態(tài)，需要使用人工來關(guān)閉。在節(jié)能減排設(shè)計(jì)中，要對(duì)這類設(shè)備實(shí)現(xiàn)可控設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉?？照{(diào)和其他輔助設(shè)備用電情況往往容易被忽視，也要實(shí)現(xiàn)可控性，為智能控制做好準(zhǔn)備。

1.2提高電氣設(shè)備的能源利用率

裝卸機(jī)械在非生產(chǎn)工作狀態(tài)下可以采用關(guān)閉非必要設(shè)備的方法來實(shí)現(xiàn)節(jié)能，而在設(shè)備工作時(shí)間，則需要采用提高電氣設(shè)備能源利用率的方式，主要有以下幾項(xiàng)

1.2.1采用更加高效的電機(jī)

未來高效電機(jī)的節(jié)能潛力會(huì)有更廣闊的市場(chǎng)，其本身就具有部分節(jié)能的效果。自從1997年10月美國以法律形式（EPAct）推廣高效電動(dòng)機(jī)以來，在世界范圍內(nèi)推進(jìn)了高效電動(dòng)機(jī)的研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用。1999年歐盟提出了CEMEP-EU協(xié)議，將電機(jī)效率分為EFF 2-EFF13等多個(gè)等級(jí)，我國也在CEMEP-EU協(xié)議的基礎(chǔ)上制訂了國標(biāo)GB18613-2006“中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)”。由此可見高效電機(jī)將在未來的節(jié)能市場(chǎng)占據(jù)非常重要的角色。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)電機(jī)的能耗成本在整個(gè)電機(jī)生命周期成本中占 97%以上，而其采購和安裝維護(hù)成本僅占不到3%。高效電機(jī)產(chǎn)品通過電、磁、機(jī)械和通風(fēng)的優(yōu)化，優(yōu)質(zhì)材料及先進(jìn)制造工藝的使用，并結(jié)合先進(jìn)全面的試驗(yàn)及測(cè)試手段，可以切實(shí)有效地降低電動(dòng)機(jī)的各方面損耗，幫助用戶降低運(yùn)行成本，加快投資回收高效電機(jī)可以適合所有的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，電機(jī)功率損耗可降低高達(dá)45%。并且由于溫度降低，不僅延長(zhǎng)了電機(jī)和潤(rùn)滑劑的使用壽命，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了間接性經(jīng)濟(jì)能耗節(jié)約。

1.2.2推廣高低壓變頻節(jié)能

變頻器是電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的重要部件，它通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速使其“小馬拉大車”和變負(fù)載的情況得到很好改善。此外，交流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)是我國近年發(fā)展較快的新技術(shù)，變頻調(diào)速被列入國家重點(diǎn)組織實(shí)施的10項(xiàng)資源節(jié)能綜合利用技術(shù)改造示范工程之一。以典型的節(jié)能應(yīng)用產(chǎn)品高壓變頻器為例，其經(jīng)用戶認(rèn)可的節(jié)能效果達(dá)到30%-60%，而高壓變頻器在裝卸行業(yè)的普及率不到10%。但高壓變頻器應(yīng)用已從導(dǎo)入期進(jìn)入高速發(fā)展階段，隨著經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和國家節(jié)能減排力度的加強(qiáng)將促進(jìn)以高壓變頻器為代表的自動(dòng)化節(jié)能快速發(fā)展。

由于變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，在許多需要精確速度控制的應(yīng)用中，變頻器正在發(fā)揮著提升工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的顯著作用。變頻器用于機(jī)械控制風(fēng)機(jī)、泵類和壓縮機(jī)以及經(jīng)常處于低負(fù)荷率的電機(jī)。變頻器可以精確地根據(jù)要求使電氣傳動(dòng)設(shè)備以可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，有效的節(jié)約能源，對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類及壓縮機(jī)等應(yīng)用極為有效，節(jié)約能源最高可達(dá) 50%左右。

1.2.3選用更為高效的電源系統(tǒng)

2002年5月1日開始實(shí)施的中國強(qiáng)制認(rèn)證，把電源系統(tǒng)的PFC設(shè)計(jì)列為必備標(biāo)準(zhǔn)，這也是從節(jié)能方面的考慮。PFC分為主動(dòng)式PFC設(shè)計(jì)和被動(dòng)式PFC設(shè)計(jì)兩種。相對(duì)于被動(dòng)式PFC來說，主動(dòng)式PFC擁有更高的轉(zhuǎn)換效率，但是在電源的轉(zhuǎn)換中依然有百分之三十左右是被白白浪費(fèi)掉了。因此，如果能在設(shè)計(jì)時(shí)選配使用滿載、50%負(fù)載、20%負(fù)載效率均在80%以上和在額定負(fù)載條件下PF值大于0.9的電源，就可以使轉(zhuǎn)換效率提高10%以上，在減少電能的浪費(fèi)的同時(shí)還有如下優(yōu)點(diǎn)：1）降低能源消耗，節(jié)省電費(fèi)開支；2）降低電源發(fā)熱量，從而降低散熱支持；3）增強(qiáng)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性，減少維修保養(yǎng)成本；

1.3在設(shè)計(jì)階段對(duì)能源管理提供硬件支持

在裝卸機(jī)械長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的使用周期中，只有實(shí)現(xiàn)堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展，用統(tǒng)計(jì)學(xué)和大數(shù)據(jù)對(duì)能源消耗進(jìn)行分析，才能實(shí)現(xiàn)持續(xù)的節(jié)能降耗。這就需要在裝卸機(jī)械的設(shè)計(jì)階段就要在其自動(dòng)化系統(tǒng)集成專用的硬件設(shè)備，對(duì)今后生產(chǎn)中使用的能源管理系統(tǒng)提供硬件支持。專用的硬件集成方案可以使用工控方案，即使用專用的能源管理PLC或DCS硬件，來對(duì)能源消耗做記錄和分析。以年度為周期，將每日中各個(gè)設(shè)備所使用的能源及能源效率記錄到專用的數(shù)據(jù)庫中，然后將各個(gè)設(shè)備，不同企業(yè)的大數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫。將上傳數(shù)據(jù)由政府部門或者獨(dú)立的機(jī)構(gòu)對(duì)能源數(shù)據(jù)進(jìn)行管理分析。這樣就可以實(shí)現(xiàn)跨設(shè)備、跨企業(yè)甚至跨行業(yè)的節(jié)能減排綜合性整體控制和管理。從執(zhí)行機(jī)構(gòu)層面上，可以找出比較隱蔽的能源消耗欠缺點(diǎn)。在裝卸機(jī)械設(shè)備層面上，可以對(duì)不符合能源管理規(guī)定的執(zhí)行設(shè)備實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)。從企業(yè)管理層面上，可以督促企業(yè)選擇能耗更多的裝卸設(shè)備及設(shè)計(jì)方案，從而實(shí)現(xiàn)宏觀上的調(diào)控作用。

2、電氣自動(dòng)化技術(shù)在裝卸機(jī)械節(jié)能減排生產(chǎn)使用階段的應(yīng)用

2.1通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用優(yōu)化操作、優(yōu)化調(diào)度實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排

裝卸機(jī)械在獲得經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和資源優(yōu)化，生產(chǎn)階段可以通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用優(yōu)化操作、優(yōu)化調(diào)度的方式來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)執(zhí)行的設(shè)備，再生產(chǎn)階段可以通過智能化軟件分析，對(duì)生產(chǎn)過程的操作步驟建立數(shù)據(jù)庫。通過數(shù)據(jù)庫的分析結(jié)合設(shè)備動(dòng)作步序性分解查看，來確定全自動(dòng)操作最優(yōu)化方案。

2.2通過自動(dòng)化能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排

除了在執(zhí)行層面上采用先進(jìn)技術(shù)和優(yōu)化技術(shù)外，裝卸機(jī)械還應(yīng)該通過生產(chǎn)系統(tǒng)中集成的能源消耗管理的一體化綜合過程自動(dòng)化系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的自動(dòng)化控制。能源管理系統(tǒng)是以幫助裝卸機(jī)械在擴(kuò)大生產(chǎn)的同時(shí)，通過能源計(jì)劃、監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)、消費(fèi)分析、重點(diǎn)能耗設(shè)備管理和能源計(jì)量設(shè)備管理等多種手段，合理計(jì)劃和利用能源，降低單位產(chǎn)品能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益為目的信息化自動(dòng)管控系統(tǒng)。能源管理系統(tǒng)是耗能裝卸機(jī)械實(shí)現(xiàn)優(yōu)化資源配置、合理利用能源的系統(tǒng)節(jié)能戰(zhàn)略措施。通過能源管理系統(tǒng)可以對(duì)裝卸機(jī)械設(shè)備中不良的能源使用習(xí)慣和高能耗設(shè)備，以及高能耗運(yùn)轉(zhuǎn)周期等問題進(jìn)行深入挖掘和控制，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、優(yōu)良供能，提高工作效率并降低能耗，最終達(dá)到降低產(chǎn)品成本的目的，同時(shí)通過節(jié)能達(dá)到減排的目標(biāo)?，F(xiàn)在很多裝卸機(jī)械已經(jīng)具備了基礎(chǔ)能源設(shè)備，如智能儀表、物位計(jì)、流量開關(guān)等，而如何將數(shù)據(jù)用最快捷的方式進(jìn)行傳輸，并且實(shí)時(shí)監(jiān)控能源的消耗情況，成為能源系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。

2.3通過科學(xué)化管理使節(jié)能減排觀念深入人心

通過對(duì)裝卸機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化能耗管理數(shù)據(jù)的深入發(fā)掘，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中人力資源管理部分的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄的分析。就可以實(shí)現(xiàn)按單位設(shè)備、生產(chǎn)班組、操作司機(jī)等不同的編制進(jìn)行單位能耗的比較和分析，通過競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制對(duì)節(jié)能減排指標(biāo)不好的單位進(jìn)行監(jiān)督及考核，對(duì)達(dá)標(biāo)的單位和個(gè)人實(shí)行獎(jiǎng)勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)的節(jié)能減排科學(xué)化管理。使廣義上的節(jié)能減排在細(xì)節(jié)上落實(shí)到每臺(tái)裝卸設(shè)備，落實(shí)到每個(gè)人，使節(jié)能減排觀念深入人心。

4、結(jié)束語

綜上所述，電氣自動(dòng)化技術(shù)在裝卸機(jī)械節(jié)能減排中的應(yīng)用非常的廣泛，不論是在設(shè)計(jì)、制造階段還是在生產(chǎn)運(yùn)營階段都可以發(fā)揮重要的作用。我國的裝卸機(jī)械制造行業(yè)目前正在處于有生產(chǎn)密集型產(chǎn)品向技術(shù)密集型產(chǎn)品升級(jí)的關(guān)鍵階段，與發(fā)達(dá)國家裝卸機(jī)械整體制造水平的差距在逐步縮小，設(shè)備出口量逐年增加。另一方面，隨著全球變暖趨勢(shì)更加明顯，發(fā)達(dá)國家對(duì)裝卸機(jī)械等基礎(chǔ)工業(yè)設(shè)備的排放要求也越來越苛刻，進(jìn)口門檻也越來高。裝卸機(jī)械制造行業(yè)應(yīng)該抓住契機(jī)，加大節(jié)能減排技術(shù)的研發(fā)力度，實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

（作者單位：1.大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司裝卸設(shè)計(jì)院；2.國華徐州發(fā)電有限公司燃料生產(chǎn)部）

作者簡(jiǎn)介

夏廣宇.男（1980·7）籍貫：遼寧大連人，電氣工程師，現(xiàn)任職大連華銳重工集團(tuán)有限公司，學(xué)士學(xué)位，從事電氣及自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

周勁松.男（1969·5）籍貫：江蘇徐州人，現(xiàn)任職國華徐州發(fā)電有限公司電氣工程師，維修電工高級(jí)技師，學(xué)士學(xué)位，從事燃料電氣檢修管理工作.