能量作为过程变量

栏: 高效电机省钱吗? 是否最好更换负荷不足的电机? 能源部的倡议 调节泵输出:阀门vs.变频器

工业能源消耗每天都在成为一个更大的问题，这是应该的。出于种种原因，公司和个人都需要考虑如何使用能源，并尽一切努力从各个方面减少能源的使用。大约30年前，吉米·卡特总统将美国的能源独立描述为“道德上的战争”。尽管围绕这一声明的政治含义和动机发生了变化，但减少能源消耗的重要性并没有改变。对一些人来说，它可以被更新为减少我们的碳足迹是道德上的战争。对其他人来说，这个问题可能只是为了削减不断攀升的燃料成本。无论以何种方式，工厂控制系统都将面临额外的要求，以实现节能。

宏观层面:碳足迹

虽然很难预测未来的政治前景，但节能减排很可能会发生，主要有两个原因:为了盈利而削减成本，再加上政府强加的监管。目前，美国碳当量的年排放量为72亿吨，按照目前的趋势，到2030年，这一数字预计将增加到97亿吨。有各种各样的立法建议来控制排放水平，从大幅减少到简单地减缓增长速度。一个中期目标是将产出冻结在略低于当前水平的水平。这实际上意味着，在未来20年里，每年减少约30亿吨。

将排放量减少到目前的水平或低于目前的水平会增加成本，但从长远来看，一些努力也可以节省资金。一些行业领导者认为，这可以起到洗净作用，有益的成本降低可以减轻或掩盖遵守法规的成本。

霍尼韦尔过程解决方案战略和全球营销副总裁Harsh Chitale表示:“许多温室气体排放与能源或燃料消耗有关。“通过减少燃料或能源消耗，你可以同时减少碳排放和成本。节省的燃料可以弥补最初的投资。”

霍尼韦尔参与了麦肯锡公司(McKinsey & Company)最近发布的一项温室气体研究，并计算出能够节省超过成本的自筹资金项目将占约17亿吨碳当量，或保持当前水平所需减排量的一半以上。不幸的是，这种平衡可能会产生相当大的净成本，但当两者相互权衡时，如果在整个经济中蔓延，最终的结果将是成本中立。个别工厂的最终结果将取决于具体情况。

微观层面:你的植物

虽然将这些宏观目标牢记在心是有用的，但我们如何在工厂层面上使其更易于管理?

虽然能源消耗和节约的概念涵盖了过程和其他制造工厂的广泛领域，但为了本文的目的，我们将主要关注使用电机的辅助设备的电力消耗。虽然这听起来不多，但美国能源部(DOE)估计，电机驱动设备占工业部门用电量的64%。

该研究还指出，在美国能源最密集的行业中，电机系统每年消耗约2900亿千瓦时。如果这种消耗是24/7/365分布的，这意味着在任何给定的时刻，都有超过33,000兆瓦(50-60个典型燃煤电厂的100%输出)的电力在运行工业电动机。

先测量，再控制

电力消耗是过程工厂经营者通过节约能源来降低成本的最终前沿之一。从历史上看，驱动泵、压缩机、鼓风机等设备所消耗的能量基本上被视为固定成本。例如，一个泵有一个20马力的固定速度电机，它要么运行，要么不运行，这取决于工艺的需要。没有太多东西可以优化，或者看起来是这样。有人可能会建议使用效率更高的电机，但这是有效的。

电力消耗通常由维护部门或更大的电气部门监控，但不被视为流程的一部分，也没有进行任何详细的监控。西门子能源与自动化公司DCS营销顾问Moin Shaikh指出了这种分离的问题:“企业了解能源成本，但不知道如何在运营中精确定位。你有一个过程控制系统和能源管理系统，它们是完全不同的，或者在一个单独的环境中实施，而不是与过程联系在一起。为了与流程建立联系，它必须在一个系统中。然后，您可以将能源消耗与过程域联系起来，并了解在何处以及消耗了多少能源。”

大多数人从检查整体设施开始，而不是深入研究较小的单元。Shaikh补充说:“一旦你对你的过程有了一个与你的过程同步的智能电机控制和良好的能源管理系统，你就可以查看步骤，并知道过程的哪个部分负责使用什么能源。然后你就可以深入了解这个过程，并意识到在哪里可以节省成本。”

幸运的是，这一领域的技术正在进步，监测和控制单个电机和驱动系统的电力消耗的能力是可用的，而且通常是负担得起的。电机控制装置可以结合智能功能，并向工厂操作员和维护部门报告情况。典型的性能数据包括:

• 电能质量——电压波动、谐波问题、相位问题;

• 电机运行状况和趋势-传感器可以监测和趋势绕组温度，功耗，日志启动等;

• 负载和功率情况-战略设备的电机负载可以提供一个过程，如通过泵输送特定流量所需的功率，随着时间的变化趋势;和

• 作业效率:为了节约成本，最终的信息是效率，它支持作业成本计算、设备尺寸的适当性、额外产能的潜力等。

考虑增加这种功能的公司可能会发现，他们现有的控制网络基础设施无法胜任从工厂周围大量电机装置中增加通信的任务。智能电机控制系统可以毫不费力地对现有装置进行改造，数据可以通过数字通信(如Modbus或Profibus)发回DCS。这种方法大大减少了连接的数量。无线选项也可用。

运营商更多?

这些信息会很快出现在过程工业控制室的屏幕上吗?

“短期内不会，”谢赫说。“工厂的操作人员更少，而且从过程控制的角度来看，他们往往有太多的事情要看。你不能让他们有更多的负担。电气性能可能来自与过程相同的控制系统，但显示在不同的人机界面上。”

操作员将根据用电量调整设定值的过程很少。虽然毫无疑问存在一些，但这些国家已经有了控制措施。对于更典型的安装，问题就变成了:我们能否在减少电力使用的同时保持流程?

减载能力

在一些地区，电力公司可能会遇到这样的情况，即由于需求异常高或发电能力已经下线，他们会要求客户减少电力消耗。如果计划关闭发电系统，则可能需要提前一天或更长时间发出减载请求，或者在系统故障的情况下，可能只有几分钟的空闲时间。能够满足这些要求的公司通常会从公用事业公司获得某种类型的优惠待遇，通常是费率降低或能够在关闭期间有效地将电力出售给公用事业公司。

Square-D PowerLogic部门全国业务发展经理菲利普•巴顿表示:“加工工厂甚至大型制造工厂面临的一个大问题是需求响应。“公用事业和中介机构与他们的大客户签订了削减负荷的合同，这为许多大型加工厂承担重大能源管理项目提供了动力。公用事业公司要求客户为价格事件或可靠性事件减少负荷。价格事件指的是电力批发价格高企，通常会提前一天发出预警。可靠性事件是当他们失去一个发电机时，这些事件通常有更短的警告。”

显然，许多过程不能在短时间内简单地开始关闭工厂的部分，但是当电力消耗得到很好的监控和管理时，可能有选项可以关闭特定的变电站。拥有内部联产能力的大型加工厂可以在情况需要时从电网转移。

有时负荷减少也可能对电厂有利。Shaikh说:“许多工艺制造商大量购买电力，而电力价格一直在变化。”“一位客户告诉我，他们的费率每五分钟就会改变一次。如果工厂的一部分因为维护而关闭，通过他们的电力管理系统，他们知道他们不会使用40兆瓦的电力，他们可能会把电力卖给电网。你可以打电话给公用事业公司说，‘我们在接下来的16小时内不会使用40兆瓦的电力。’如果公用事业公司能把这些电力卖给其他客户，它就会给电厂加分。”

对这种能力的需求随着地点和季节的变化而变化，因此这可能不会为所有地区的项目提供重要的理由。

基准和优化

在尝试分析流程性能以进行基准测试、优化或探索流程修改时，拥有有关能耗的详细信息可以提供关键信息。在没有足够数据的情况下执行任何这些操作都会产生偶然的结果。

伊顿公司CurrentWatch传感器系列产品经理Jeff Otterstein说:“自从1992年《综合能源政策法案》(EPact)颁布以来，立法设定了提高能源效率的目标，并为节能提供了回扣和投资的激励措施，每个电气设备都应该研究降低总体成本的方法。”“电流传感器可以通过早期发现性能不佳和实时监控来提高对能耗和能源成本的认识。在战略点部署它们来监控整个过程单元甚至大型设备的单个部件的功耗并不困难。这些信息可以分析并用于匹配成本与操作或确定设备负载。这些数据对于历史趋势或确定控制和优化电力消耗的可能性非常有用。”

显然，减少和优化能源使用的技术是存在的。剩下的就是我们将其付诸实践的意愿。

作者信息

Peter Welander是过程工业编辑。打电话给他。PWelander@cfemedia.com．

高效电机省钱吗?

ABB美国低压电机经理吉姆•克拉克(Jim Clark)做了一个计算:“考虑到大约三分之二的总电力消耗是由电动机产生的，而且电动机通常在运行的前30到60天内消耗自己的能源价格，因此，最有效地利用这些能源应该是一个首要目标。”ABB在研发方面投入了大量资金，以确保其设计处于电力效率性能的领先地位。”

高效电机的成本将是它的总寿命成本的较大比例，但整个成本饼将是较小的。从长远来看，这才是真正的节约。

是否最好更换负荷不足的电机?

因此，如果一台25马力的电机所做的工作可以由一台20马力的电机完成，甚至更小的电机，这是一个好主意，把一个更适合负载的小单元?通常答案是肯定的，但并非总是如此，而且这种差异也不一定大到足以支付相关工作的费用。

传统和高效电机通常在满载的75%左右具有最高效率，并且曲线在50%和满载之间保持相当平坦，因此只要电机以50%或更高的速度运行，它就处于最佳效率带。

美国能源部建议，要做出明智的决定，需要以下几个关键信息:

负载在电机上;

该负载点的运行效率;

满负荷转速(rpm);而且,

建议更换电机的满负荷转速。

根据这些数据，可以使用直接千瓦比或电压补偿滑移分析来计算给定装置的实际比较。美国能源部通过其“马达挑战”项目提供了相关方程式，其中包括一个小型软件包来进行必要的计算。

能源部的倡议

美国能源部采取了一系列措施来帮助工业应用节约能源。“现在节约能源”项目帮助公司分析和优化各种形式的能源使用。该计划的一个关键要素包括进行工厂能源评估，以帮助制造设施确定节省能源和资金的直接机会，主要关注能源密集型系统，包括过程加热、蒸汽、泵、风扇和压缩空气。

美国能源部工业技术项目技术经理Paul Scheihing说:“现在就节约能源项目于2005年启动，目的是帮助制造工厂找到能够快速获得回报的节能项目。”“从那时起，我们已经完成了325项Save Energy Now评估，其中每年节省的能源成本已经达到9500万美元，另有2.7亿美元的节省正在计划或正在实施中。325家工厂确定的总潜在节能量为64万亿英热单位的天然气，相当于近100万典型美国家庭的天然气使用量。”

请参阅本期的“内部流程”部分，了解实际的“立即节能”项目案例研究。

调节泵输出:阀门vs.变频器

ITT PumpSmart控制部门的产品经理Dan Kernan表示:“过大的泵是行业内的一个常见问题，这种情况将继续下去。”“交付所需产品或流程的压力几乎总是压倒能源效率。如果给你的任务是设计一个泵系统，你不想做的一件事就是选择一个太小的泵。这是更容易节流一个超大泵比更换一个小泵。

对于这个问题，一个简单的解决方案是变速泵送，它可以灵活地为最大工况调整泵的尺寸，然后在正常运行时减慢泵的速度。这提供了一种更节能的方法来控制更广泛的范围。当然，泵系统中有许多变量会影响变速泵的使用，但在泵的使用寿命期间，变速泵是最具成本效益的解决方案。”

这种方法确实节省了能源，根据应用程序的不同，差异可以高达50-70%。当输出阀或阻尼器被控制电机的速度所取代时，控制泵的速度以匹配所需的流量是一件简单的事情。如果泵由PID回路调节，电机的功率确实是一个过程变量。

那么，定速电机还有发展空间吗?如果加载是一致的大多数时间和电机的大小适当的职责，变速驱动器可能是多余的，但随着变频器单位的成本下降，他们不再是奢侈品，他们曾经是。

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