产业领域节能化的未来和创新

石 原

日本节能中心国际协力部

产业领域节能化的未来和创新

石 原

日本节能中心国际协力部

基于日本对用能单位实施等级评价是节能政策中作为促进能源管理的措施之一，产业绿色化的重要要素有节能工厂和智能工厂，通过不同工厂之间的能源调配实现节能管理。

产业绿色化；工厂合作；节能管理

1 产业绿色化和节能工厂

产业的绿色化是多方面的，其中之一是环境方面，即实现低环境负荷型产业。例如，能在大气污染和节能的境界发挥作用并具有高能效和高环境性能的锅炉的普及等，就是该领域的重要课题之一。而且，从制造业的观点出发，生产低环境负荷型产品，是绿色产业的重要任务。如开发和生产节能性高的LED照明，就钢铁领域而言，开发和生产能源损耗较少的电磁钢板等也是重要的课题。

产业绿色化的另一个重要要素是节能工厂。在产业领域，为了控制能源消费量，构建高能效产业而正在推动研发和开展相关活动。本文将介绍面向节能工厂的技术和开展的相关活动。

如图1所示，发展节能工厂需要明白两个观点。一是通过实现与生产直接关联的节能从而提高整个生产工艺的能效；二是实现充分应用IoT（internet of things）的智能工厂。在综合性地改善和分析生产系统的基础上，实现充分应用IoT的智能工厂。

图2是FEMS的定位示意图，图2中上方是智能电网的形象图。随着信息技术的发展，能源的供应和消费的构成要素之间的关系今后将更为密切。预计工厂内部也将推动应用IoT，并作为FEMS（factory energy management system）而得到发展。FEMS应看成是实现优化生产日程安排及其能耗的系统。是作为包含优化生产日程安排、优化品质等在内的系统发挥作用，是BEMS（building energy management system）所不具备的产业领域的独自功能。而且，FEMS基于管理理论，是具有可实现循环改善框架的系统。

图1 与生产直接关联的节能和智能工厂

介绍几个事例。例如，以图3的e-F@actory（三菱电机）概念为基础，通过可以实现一次数据处理的边缘计算，使生产现场与IT系统相连接，实现以可视化为基础的整个工厂的综合优化。在该公司的名古屋制作所和福山制作所已经具体地应用了e-F@actory。在实施e-F@actory的事例中，就能源而言，例如电流、电能、单位耗电等得到了管理，而且不仅仅停留于单纯的能源指标，生产信息、生产线的错误信息（频繁停机）也通过系统得到了管理，实现了高效生产。该系统功能还可应对各种能源的计测、采集和课题的发现、分析改善的PDCA循环管理，开展充分应用该功能的节能活动，在削减电力消费等方面获得了显著的效果。

作为其他系统的事例，还有富士通开发的系统（如图4所示），该系统将生产线的可视化作为重要课题，共享大量的设备信息、设备维护信息、生产日程安排信息，改善了管理。据报告称，在该公司的岛根工厂充分应用该系统功能，在应对生产中需修理产品的修理工艺中，由于系统掌握了位置信息、生产管理信息，提高了直至出厂的作业流程效率，实现了包括能耗在内的生产整体的高效化。另外，由富士电机开发的系统，还可应对能源管理循环，具备可视化、分析（一目了然化）、优化等功能。可视化、分析、预测和优化是如图5所示的阶段性程序。

图2 FEMS的定位

2 开发和实现与生产直接关联的节能技术

节能工厂是提高能效和生产效率的工厂，为了广泛实现节能工厂，不仅要开发系统，开发与生产直接关联的节能也至关重要。与生产直接关联的节能技术，作为日本的优秀表彰事例而公诸于世，现在介绍几个表彰事例。

图3 三菱电机FA统合综合解决方案e-F@actory的概念图

图4 e-F@actory生产线的可视化

（1）在松下的山形工厂（镜片工厂）事例中，通过可视化的分析和改善、通过LED、热电转换等节减能耗，提高了沉积工艺的生产效率，还开发了可削减能耗25%的高效镜片成形机，将整个工厂的生产工艺革新为节能型（松下山形工厂:荣获节能大奖，被选为日本TOP 10优秀事例）。

（2）工厂之间通过相互合作，充分应用尚未被利用的LNG冷热能而实现了显著节能（三井化学、大阪石油化学、大阪燃气:荣获节能大奖，被选为日本TOP 10优秀事例）。乙烯生产设备在分离和精制产品乙烯时需要制冷机，使用已经研发成功的技术，通过组合制冷压缩机、透平膨胀机，确立了即使向乙烯生产设备供应的天然气量发生变化，也能确保必要的冷热能的系统。

（3）通过在不同工厂之间的能源调配实现节能的事例以及用氨循环的方式将低位废热（300℃）用于发电实现节能的事例（住友化学、富士石油、千代田化工：荣获优秀节能机器奖、被选为日本TOP 10优秀事例）。把在各种温度领域使用热能的各个化学工厂和石油精制工厂视为一个工厂，优化对热能的利用。对最佳的热传递分析采用了夹点技术（Pinch Technology）。设置传热管道和综合能源监视系统，实现了最佳的热传递，并将降低成本的效果在工厂之间进行合理分配。

（4）高效利用热能有三个重点内容，即积极利用废热，合理调整热能供应温度（可使用低位热能的地方不使用高位热能），防止传热损耗。在大量使用蒸汽的石油精制工厂，通过精密诊断蒸汽泄漏、更新和管理疏水阀，防止因设备老化而导致效率下降，因而大幅度地减少了能耗（新日本石油室兰·水岛制油所、TLV公司：荣获节能大奖，被选为日本的TOP 10优秀事例）。

（5）热电联产具有因综合效率高、发电资源多重化从而提高能源供应稳定性等长处，日本的热电联产虽有增加趋势，但如果不能有效利用产生的热能，反而会使效率下降。于是开发了使用FEMS合理产生热能和电能的系统。

上面列举了几个重要的技术事例，这些技术的特点是，分析工厂整体能源消费实现优化，而且不局限于一个工厂，融合相邻工厂作为一个整体提高能效。此外还有将发电厂的热能用于其他公司而提高了工厂地区全体能效的技术，通过紧凑型工厂同时提高生产效率和能效等，这些把生产与能效直接相联的技术得到开发和应用。

另外如图6所示，在属于多能耗产业的钢铁领域，日本在炼铁和炼钢的工艺流程中开发了许多节能技术，提高了生产性，并普及推广了在实际设备上的应用。还有CDQ（coke dry quench）等已在中国普及推广的技术。今后将推动采用有效利用排热的大型节能技术，期待为推进节能和环保作出贡献。

在这些技术中，SCOPE 21是作为日本政府的项目而开发的，该技术缩短了炼焦时间，扩大了对低品位原料碳的利用，获得了显著的节能效果。现在已开始在实际设备上采用该技术。

图5 可视化、分析、预测和优化

3 不断发展的节能技术

开发和普及有助于推进实现智能工厂的通用节能技术也很重要。

（1）可期待成为这种通用节能技术的设备就是热泵。热泵技术业已应用于各个领域，在商务和家庭领域已经开发并使用COP（性能系数）为6～7的非常高效的设备。产业领域也期待通过热泵来有效利用热能。产业界有效利用热能的关键是采用高温领域的大容量热泵，目前正在推动研发。

图7是产业领域积极有效利用热泵的事例之一。在食品生产中，在需要冷却的工艺和需要加热的工艺之间通过热泵传热而实现了节能。

（2）蓄热式燃烧装置是在工业炉领域开发的具有飞跃性节能效果的设备之一。表示钢铁生产工艺节能技术的图6也标示了蓄热式燃烧器加热炉，这是使钢铁加热炉大幅度地实现了节能的技术，不仅限于钢铁生产，还广泛地削减了工业炉的能耗。

蓄热式燃烧装置是将Ceramics Honey-Comb（蜂窝陶瓷）和Ceramics Ball（陶瓷球）等蓄热体组装于排气及供气系统内的一对燃烧器，反复进行通过轮换燃烧和排热的蓄热（轮换燃烧），将排热作为第二热源来使用，可实现高能效的燃烧。

为了将这一高效利用排气的系统合理应用于工业炉，如图8所示，分析工业炉的能源使用和平衡至关重要。根据这一分析，还可以正确预测设置蓄热式燃烧装置的效果。而且根据实际情况，不单单设置蓄热式燃烧装置，再配合变更加热模式等其他措施，可以制定最佳应对措施。

图6 钢铁的生产工艺和研发并付诸实施的节能技术（出处：日本铁钢联盟）

图7 产业用热泵的应用举例（减少能耗28%）

（3）超越以往更多的有效利用废热，可实现大规模的节能，这是重要的技术课题，现正在大量开发技术和计划积极应用。上述的产业用热泵、使用低位废热的发电装置和废热回收锅炉等也是可有效利用废热的设备。而且将低压蒸汽再生为高压蒸汽的装置也可防止产生废热，是为有效利用热能而开发的技术，今后可望得到普及。

在石油精炼工厂，属于主要设备的蒸馏塔将具有高温能源潜力的馏出侧的显热回收至具有低温能源潜力的原料侧，以此减少加热炉的能耗。在石油精炼工厂为有效利用能源而大量设置了热交换器，但这些热交换的合理性及其效率将决定设备整体的能效高低。因此必须根据正确的分析，实现最佳热交换及维持其性能。

图8 改善工业炉的能效

图9 能源管理和节能工厂

4 智能工厂和能源管理

智能工厂和FEMS是指包含能源管理循环在内的系统。如图9所示，能源管理设置了目标，为了达标，分析工厂和工艺，寻求改善可行性的过程就是能源管理。以此实现的结果和管理过程成为实现智能工厂的要素。

基于节能法推动对工厂等用能单位实施等级评价是日本的节能政策中作为促进能源管理的措施之一。采用标杆值、改善率、能源管理水平等级等指标，通过实施分为S、A、B、C等的等级评价（S是最优秀的等级）、公布、指导等，推动工厂等的节能管理和节能开发。

表1是日本节能法中的产业界各行业的目前标杆值，是否已达到标杆值是等级评价的重要指标。在充实节能法制度、充实对节能技术的支援措施和奖励措施的同时，还采用标杆值明确标示各工厂目前所处的位置。

应用这些指标，可以知道自己的等级，这对面向节能工厂实现积极应用节能技术和提高技术水平意义重大。

Future and Innovation of Industry Energy Conservation

Ishihara
Japanese Energy Saving Center International Coordination Department

The article is based on implementing level evaluation of energy-using unit as one of measures promoting energy management in Japanese energy-saving policies. Green industry has several important elements, including energy-saving factory and intelligent factory. Achieving energysaving management through deploying energy between different factories.

Green Industry, Factory Cooperation, Energy Saving Management

表1 产业界各行业的标杆值

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.12.007