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十堰西门子总代理商
产品时间:2020-11-23
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能效红利

 

对于企业乃至整个经济体而言,高效使用各种能源的能力,正日益成为至关重要的竞争优势。新的自动化控制和预测性负载管理系统,不仅能在此发挥重要作用,而且能够快速收回成本。

先进的能源管理、热能回收利用以及自动化技术将f | glass公司的能耗降低了五分之一左右。

在德国南部古镇乌尔姆附近的Gardena工厂,在名副其实的高压环境下,工作以轻快的节奏进行着。每年,这家工厂的93台注塑机要将9400公吨塑料变成5亿个零部件,如修枝剪和手推割草机的手柄等。工厂每星期开工7天,其中周一至周五是三班倒满负荷生产,而周末则稍微轻松一些,只有少数机器和工人上工。

这是一种非常清晰的模式,而工厂的耗电量也有着同样的规律。Gardena工厂是富世华集团旗下的公司,在平常工作日,其平均耗电量在2000到2300千瓦之间。周末的耗电量则降至1000或2000千瓦,具体取决于工作量。

这种有规律的需求模式是供电公司所适应的。它知道在一个星期内,用电需求的变化规律,并制定相应的供电计划。这种模式也反映在供电公司与Gardena工厂的供电合同准则中。一方面,工厂同任何私人家庭一样必须为用电支付电费。另一方面,供电企业得保证随时为Gardena工厂提供最高2680千瓦的电能。

但超出这个限值哪怕一次,也会令工厂付出高昂代价。Gardena工厂负责自动化和负载管理的Jürgen Röck解释道:“供电公司限定了我们在15分钟时间段内的平均用电量。如果我们在哪怕一个时间段内超出了规定的最大用电量,那么,我们将为此支付高额费用,因为如果那样的话,供电公司将提高当年余下时间的保证最大供电量,当然,我们也不得不支付相应的费用。”

这样的事曾在几年前发生过。那是在复活节假期结束后,Gardena工厂的机器重新开工时,由于机器同时启动要消耗特别多的电能,因此耗电量在短期内激增至3200千瓦。Gardena工厂想避免再次发生这种事。于是,这家公司决定采用新的负载管理技术。2010年春,工程师在Gardena工厂的变压器上安装了9台西门子Sentron PAC 3200监控装置。这些装置可以测定电流、电压和功率。测量值会被发送给Simatic S7-400控制器,由后者生成当前15分钟时间段的用电需求预测。其目标显而易见:平均用电量绝不可超过2680千瓦限值。

身为电气技术人员,Röck可以随时查看工厂的当前状态。只要在他的台式机上打开西门子Simatic WinCC Powerrate应用即可。他说:“绿色区域表示我们已经用了多少电能,橙色线条表示当前时间段剩余时间内的用电需求预测。因此,我们能立即看出是否有超出最高限值的危险。”

如果过于接近限值,那么,系统将自动作出响应。控制器将逐步降低用电量,直至用电回归正常范围。它将按200千瓦一级,逐级降低从过程水(用于冷却注塑机模具)中回收热能的系统的功耗。这样做所导致的短期温度升高不会构成问题。同样,用于塑料颗粒的烘干机也可以灵活响应负载管理需求。可以按28千瓦一级,分4级降低其功耗。

许多企业已实现了高效、节能的生产过程——但仍有巨大潜力尚待挖掘。

事实证明,这个控制系统非常有效。自其安装以来,用电量从未超出规定的最大值。Röck表示:“由于我们已经使用了大量西门子设备,因此,负载管理系统的安装并未花费多少成本。譬如,我们能够使用现有的S7通信系统,在西门子控制器之间传送数据。由于其能降低尖峰负载,这个负载管理系统将在一年内收回成本。”

Gardena工厂打算进一步扩展其能源监控系统。譬如,在不久的将来,Röck将能使用Win CC来持续追踪压缩空气和供热系统的运行状况。尽管他不能利用这个工具来左右用电量,但其读数将为他提供关于可能的管道泄漏或消耗大量电能的泵机的宝贵线索。

避免负载尖峰。用电需求管理之所以成为工业界的热门话题,是因为生产过程中的负载尖峰会令工厂付出巨额代价。但在未来,企业将不仅有能力避免异常需求尖峰,而且还能够利用智能负载管理系统,正好在电网超量供电时使用电能。西门子能源德国业务主管Frank Büchner博士说:“如果将用电密集型生产过程改到供电充足、电价低廉的时段,那么,这将在无形中协助稳定电网。这样做的企业也能受惠于低廉电价,并且减轻对供电现状的依赖——它们可以为可持续能源转型政策的成功作重要贡献。”

除负载管理之外,企业也越来越多地投资于提高能效的举措,它们的努力获得了丰厚回报。据德国联邦统计局计算,从1990年到2012年期间,德国的能源生产率提高了46%。因此,如今在德国开展经营活动的普通企业,其生产产品或提供服务所需耗用的一次能源已大大减少。德国联邦政府的目标是到2020年,将能源生产率提高至1990年时的两倍。

在实现这一目标的过程中,监控系统将扮演重要角色,因为它们可显示哪些地方存在能源浪费。至关重要的因素是,使用高效组件和系统来回收利用未使用的能量,如废热。通过利用这些方式提高效率,企业不仅能减少温室气体排放、保护环境,而且有助于保障其自身利益,因为在能源价格不断上涨的时代,能否最大限度地提高能效,将直接决定一家企业在国际市场上的命运。

在西门子的数十座工厂,譬如一个医疗设备生产基地(上右图),节能增效技术投资已在短短几年内收回成本。

对于正向可持续能源供应转型的德国,情况更是如此。西门子德国*执行官Rudolf Martin Siegers指出:“德国企业支付的电费,已比欧洲平均电价高出24%,更是美国企业的三倍。因此,节能投资绝不是额外开支——相反,这是企业的生存之道。”

尽管如此,这一领域仍有巨大潜力尚待挖掘。据斯图加特大学生产能效研究所(EEP)、德国工业联合会(BDI)、德国能源署(dena)和TüV Rheinland于2013年12月首次联合发布的《德国工业能效指数》称,企业在提高能效方面的投资依然太少,尽管这些投资能够创造丰厚利润。

研究人员对机器生产、金属冶炼以及塑料和玻璃制品等行业的80家企业进行了调查。斯图加特大学生产能效研究所的Robert Kasprowicz在报告中称,“约三分之二的企业打算仅将其投资的不到5%投入能效领域。只有9%的企业计划将其投资的20%以上用于节能领域。”

这种不情愿的态度,源于许多企业都要求在短短30到36个月内完全收回投资,它们并不准备做更长久的投资,尽管大多数情况下,总占有成本分析表明这样的投资是值得的。在总结这项研究的结果时,Kasprowicz是这样说的,“人人都在谈论节能增效,但实际投入远远不够。”

继2013年底开展的首次研究之后,参与机构打算每隔6个月发布一份新的研究报告,并根据研究结果,同时结合Ifo经济研究所计算出的商业气候指数,计算出能反映能效领域的发展现状和趋势的能效指标。

通过充分利用废热,可将工业能耗降低12%。

弗劳恩霍夫制造工程和自动化研究所(IPA)的Sylvia Wahren也认为,能效领域的改进空间巨大。Wahren是一位能效专家,她也为企业提供项目顾问服务,她说:“关于能效的讨论热火朝天,然而,大多数企业并未完全明白其中的道理。譬如,对140摄氏度以上的废热进行回收利用,将获得多达320拍焦耳的热能可供使用。这相当于德国工业能耗的12%左右。”在她看来,许多企业采取了成本低、见效快的举措,如高效照明系统,但却不愿利用蒸汽轮机或有机兰金循环来进行废热发电。

通过采取节能增效措施,位于柏林的西门子燃气轮机工厂,每年可节省27万欧元的能源成本。

而无论如何,后者也是一种可选方案。位于德国Osterweddingen的f|glass公司就是这样的典型例子。每天,这家公司位于马格德堡附近的生产工厂要生产出最多700公吨的特种玻璃,其中一些是专供太阳能行业使用。这座工厂拥有全球现代化程度最高、同时也是能效最高的玻璃生产基地之一。得益于其全自动生产系统、先进的能源管理,以及智能热能回收利用,这座工厂的玻璃生产能耗比类似企业低大约20%。

为了实现这样的能效水平,沿工厂长约700米的生产线部署了3000多个测量点,这些测量点向SIMATIC PCS 7过程控制系统输送数据,后者则保证全年全天候不间断地运行。工厂采用的节能增效技术包括,西门子生产的最高发电容量为3200千瓦的蒸汽轮机,它可以将熔炉产生的大部分500摄氏度废热转换为电能。仅这台轮机的发电量,就能满足工厂玻璃生产用电需求的四分之一。

竞争力的关键要素。工厂的过程控制系统还保证了优化的能源管理。一定程度上归功于西门子提供的高能效变频传动系统,这个过程控制系统能将用电量降至最低。因而,提高能效和削减成本是帮助f | glass公司在全球市场上立于不败的因素之一。对于玻璃行业,这种类型的解决方案特别有益。同水泥生产、基本化学制品生产和金属冶炼等行业一样,玻璃生产行业也是能源密集型行业之一,这些行业的总能耗占德国最终能耗的12%左右。

EEP专家预计,只要采用先进的工艺工程技术,到2035年,这些行业则可以将其能耗最多减少14%。他们开展的调查表明,塑料和玻璃生产商已经准备这样做。这些领域的企业正打算加大对节能增效技术的投资。Siegers指出:“对于这些企业而言,能效扮演着越来越重要的角色。它们已经认识到,能源和资源的使用效率是其竞争力的关键要素。”

生产厂房也能为提高能效作出贡献,西门子在其生产基地证明了这一点。2005年,西门子发起了一个分5阶段进行的“节能增效计划”,首先是“能效检查”,然后是能源使用情况和节能增效潜力分析,最后是实施和监控已经部署到位的改进措施。西门子楼宇科技的Peter Marburger负责监管这个项目,他说:“通过采取各种各样的改进措施,包括优化能源采购、改进基础设施、提高生产作业能效、以及改变工厂工人行为等,不一而足。截至目前,我们已经对大约100座工厂进行了‘能效检查’,我们还在26座工厂采取了旨在提高能效的举措。西门子能够实现其为自身定下的从2006年到2011年将二氧化碳排放量降低20%的目标,这个计划功不可没。”

4年收回投资。位于德国克雷费尔德的西门子铁路技术工厂,是节能增效计划产生丰厚回报的好例子。在一次性投资约400万欧元之后,这座工厂的年二氧化碳排放量减少了2300吨,每年节省能源成本近70万欧元。其所采取的最重要的措施是,安装了一套燃气热电联产(CHP)设备、一个实现了热能回收利用的新通风系统、以及一个能源监控系统——它可以记录工厂的当前能源使用情况,这些记录可用于考量节能增效项目的绩效。得益于这些举措,其能源成本降低了15%,二氧化碳排放量减少了20%。

在其他工厂,西门子也取得了类似成效。譬如,在位于柏林的西门子燃气轮机工厂,每年可节省27万欧元能源成本,减排二氧化碳约1100吨。在巴伐利亚州小镇Kemnath,节能增效措施每年可帮助西门子的一座医疗设备工厂节省50多万欧元能源成本,减排二氧化碳约2700吨,减排幅度高达25%左右,远远高于西门子最初设定的目标。在大多数这样的工厂,节能增效技术投资都能在大约4年后收回成本。Marburger总结道:“我们正面临一种模式的转变。过去,我们为可持续发展买单,现在,可持续发展为自己买单。”

燃烧吧,效率

 

不论是废钢回收利用,还是针对传统热风炉工艺,西门子技术正在帮助降低炼钢厂的能耗。其结果是:节约资源、减少排放、合理降低运营成本。

电弧炼钢炉。几乎每一栋建筑物和每一辆汽车都需要使用钢材。全球年钢产量达15亿吨以上。

一台威力无比的电弧炼钢炉内,一场风暴正在肆虐。每隔几秒钟,就会发出震耳欲聋的爆炸声和嘶嘶作响的嘈杂音。火红的钢水在炉内沸腾翻滚,犹如涌动的火山岩浆。直径与检修孔盖厚度差不多的石墨电极,以高压形式向电弧炼钢炉内输入电能,燃起熊熊烈焰,使炉内温度达到1540摄氏度以上,令废钢熔化,炼成新钢。这类电炉的耗电量往往比一座小城镇还大。不过,利用常规热风炉来冶炼铁矿石的传统炼钢工艺,也要消耗大量能源。在超过1400摄氏度的高温下工作,这种高度堪比高层建筑的炼钢炉,可以利用铁矿石、煤炭、焦炭等原料,冶炼出生铁,以供进一步加热精炼成钢材。

因而不足为奇的是,除了为轮船、汽车、铁路和桥梁等提供基本材料外,钢铁工业也会因耗用电能和煤炭而产生大量的二氧化碳。位于奥地利林茨的西门子奥钢联钢铁科技有限公司的炼钢和ECO解决方案技术与创新管理部门主管Alexander Fleischanderl博士表示:“炼钢厂排放的二氧化碳,占全球二氧化碳总排放量的6.7%。”然而,他不愿将炼钢厂视为环境的敌人,因为用钢铁制成的产品也是不可或缺的节能工具。譬如,风电机组、太阳能发电系统和高效燃气轮机等都离不开钢铁部件。此外,最近几十年,钢铁制造商已经降低了能耗,从而大大减少了二氧化碳的排放量。Fleischanderl指出:“在欧洲,50年前,生产一吨成品,要耗用大约30千兆焦耳能量,1990年,这个数字为24千兆焦耳。如今,每吨成品的能耗已降至不足18千兆焦耳。现在,一座产能为500万公吨最终产品的一般综合炼钢厂,每年要排放约800万吨二氧化碳,比1960年减少了37%。”

不过,仍有尚需改进之处。这主要是因为大部分废热都未能得到利用。Markus Dorndorf博士是西门子电炉炼钢业务部的研发主管,他说:“炼钢耗用的能源,有近三分之一是从温度高达1400摄氏度左右的电弧炉,以烟气排放的形式被浪费了。”但如果将这些废热用于驱动蒸汽轮机,那么,由此生产的电能,可以满足10%的用电需求。为此,Stahlwerk Thüringer GmbH——一家坐落于埃尔富特以南约60公里处的电炉炼钢厂——请西门子设计并提供了一个通过在热源与蒸汽轮机之间安装熔盐储罐,来保证稳定供应电能的能量回收系统。

上图:西门子提供的全新电弧炉,利用了过程废气来预热废钢以供熔炼。这可将能耗降低20%以上。
下图:巨型石墨电极将废钢加热至1540摄氏度,将之炼成新的优质钢材。

如果利用过程废热来预热废钢,还可以大幅降低二氧化碳的排放量——西门子新打造的Simetal EAF Quantum电弧炼钢炉,便采用了这样的技术。目前,西门子正在墨西哥为钢铁制造商TYASA公司建造的*座此种类型的高性能炼钢炉,计划于2014年上半年投入运行。相比于传统解决方案,EAF Quantum电弧炼钢炉的能耗会降低20%。除此之外,相比于传统电弧炼钢炉,它还具备诸多其他优点,包括冶炼周期更短、熔化电极使用寿命更长,以及摊销期限更短等。

将烟气用作资源。采用热风炉工艺,在将铁矿石炼成生铁的过程中,也可以大大减少温室气体的排放量。要挖掘减排潜力,烧结工艺首当其冲。烧结是将铁矿石、诸如焦炭或煤炭等燃料以及助熔剂等的混合物放到炉床上,并从上方加热,从而使之固结。Fleischanderl说:“在一座普通炼铁厂,这道工艺每小时会产生超过100万立方米的烟气,这些气体中含有因不完全燃烧而生成的一氧化碳及其他污染物。”但借助西门子的“选择性烟气再循环(SWGR)”技术,可将多达50%的烟气送回烧结工艺。然后,一氧化碳将被再一次用作燃料,从而将焦炭的需求量和二氧化碳的排放量降低10%左右。产生的烟气越少,所需的烟气净化成本就越低。短短几年来,在奥地利林茨的奥钢联集团旗下的烧结厂以及其他地方,SWGR已经取得了不俗的成效。此外,结合使用曾为Fleischanderl赢得西门子“2013年度发明家大奖”的西门子MEROS烟气净化技术,林茨烧结厂还清除了多达99%的污染物(包括硫氧化物、氮氧化物、重金属和诸如二恶英等有机化合物)或将之转化为无害物质。譬如,MEROS系统使用了氢氧化钙及其他物质,将二氧化硫转化为石膏,而重金属和二恶英,则被封存于诸如平炉焦炭(HOK)或活性焦炭等干燥吸附剂中。将所需吸附剂高速吹入烟气流中,然后用水喷淋添加剂与烟气的混合物,使其温度降至90摄氏度左右。Fleischanderl表示:“这样做能加快预期的化学反应。”然后,分离出颗粒物质,由于这些物质依然含有活性添加剂,因此可以多次将之重复循环到烟气流中。西门子已经在奥地利和中国建造了三套MEROS设备,并且接到订单要在土耳其提供1套,在意大利提供4套MEROS设备。

MEROS烟气净化技术,可从炼钢厂废气中清除多达99%的污染物。

在接下来的工序中,将利用热风炉把铁烧结矿和助熔剂熔炼成生铁,以供炼钢之用。这个过程也会产生废气,直接将之烧掉是可耻的做法。要知道,这些可燃烧的过程废气含有大量一氧化碳。如今,通常的做法是将之输入燃气发电设备用于发电,目前其发电效率不足40%。无论如何,这些废气的利用率可以进一步提高。Fleischanderl说:“借助生物发酵技术,可以利用细菌,将一氧化碳转化为乙醇及其他有价值的工业化学品。”为此,西门子与Lanza-Tech公司展开了合作。Lanza-Tech公司是美国一家从事气体发酵技术的公司。利用可燃烧的过程废气来生产生物乙醇,可以实现60%以上的效率,并且不会对农作物种植构成竞争。目前已在中国建成一个示范系统,并投入运行。

用矿渣生产水泥。哪怕是矿渣——一种高炉炼铁的副产品,也蕴含着巨大的潜力有待挖掘。在全球范围内,每年要产生将近4亿公吨矿渣。传统工艺的做法是将温度高达约1500摄氏度、还在嘶嘶作响的矿渣分离并倒入装有冷水的水槽中。由此形成的粒状物料主要用于生产水泥。但采用西门子新研制的一项技术,可以在干燥状态下将矿渣粒化,从而可以从中回收大量热能。Fleischanderl指出:“这种干式粒化工艺,采用空气来冷却矿渣。将矿渣放到转盘中,仅靠离心力作用,将之粒化。”

可以通过多种途径重复利用过程废气——譬如,用于发电或用作燃料。

在这个过程中,冷却空气的温度将升高至600摄氏度左右。接下来,如果让这些空气流经热交换器,那么,其中蕴含的热能可以被用来产生水蒸汽,后者可以被直接用作热源甚至用于发电。采用这种方法,可以从每公吨高炉矿渣中回收约1.5千兆焦耳能量,或者生产400多度电能。若以热风炉而论,依据热风炉的大小,这代表着1万到3万千瓦的发电容量。这样一来,便无需花费不菲的成本来处理冷却水,以及建造成本高昂的冷却塔。此外,粒状物料也不必进行烘干处理。对于每一公吨矿渣,这又能节约至少130度电能。鉴于这些优点,目前西门子正计划与奥钢联集团合作在林茨建造一个示范系统。

在转炉——外形类似汤釜的巨型容器——中,从热风炉出来的生铁与废钢、助熔剂、合金添加剂以及氧气等混合,被炼成目标钢种。针对这道工艺,西门子工程师也开发了相应的节能技术,并且这项节能技术甚至有助于提高炼钢的灵活性。得益于Jet Process技术,转炉不仅能冶炼生铁,还能冶炼更大量的废钢,并且冶炼效率也比以前更高。在这个过程中,通过位于底部的风口(喷嘴),将煤炭、氧气和石灰石等炉料加入熔化的生铁中,同时,通过喷枪从顶部射入温度高达1300摄氏度左右的富氧热空气。位于林茨的西门子奥钢联钢铁科技有限公司的Gerald Wimmer博士是这项技术的开发者之一,他说:“相比于传统转炉,这项技术能够更加均匀地搅拌各种炉料,从而使碳更有效地转化为二氧化碳。”此外,转化过程中释放的热能,被回收用于炼钢熔池,而不是随废气消散掉。

上图:废钢在特殊高炉中熔化。下图:基于ESP技术的带钢生产非常高效。下图:炼钢专家和发明家Alexander Fleischanderl博士。

从高炉到轧制钢板。近几年,西门子掌握了一项非常高效、节能的技术,可用于加工刚炼好的钢水,譬如,将之轧制成钢板。这项名为“Arvedi ESP(无头带钢生产)”的技术,由意大利钢铁制造商Arvedi公司开发。现行的惯常做法是,将从钢水直接铸出的炽热钢带不作剪切,而是临时存放并冷却。与此不同,这项技术却是立即进行下一步加工。西门子林茨销售经理Andreas Jungbauer解释道:“从板坯浇铸,到带钢轧制,再到生产出带卷,整个过程在一条连贯的生产线上不间断地进行。”归功于这项工艺,轧制设备在重新将钢带加热至所需的1200摄氏度,以进行轧制时,仅需稍事加热即可。实际上,这可将有关能耗最多降低45%。相比于传统设备,这项技术还可将二氧化碳排放量最多降低39%,同时将营运成本削减37%。此外,无头带钢生产不会因剪切带钢而产生废料。目前,意大利克雷莫纳的一座钢铁厂正在使用西门子的这项技术。西门子为中国的两座钢铁厂提供的无头带钢生产系统,也有望于2015年投产。

最后,在整个钢铁制造过程中,自动化系统能够节约大量能源。Fleischanderl说:“过去10年,我们一直着眼于提高产量和加快生产速度。然而现在,出现了严重的产能过剩,炼钢厂利用率往往只有70%或80%。”西门子提供的“Green Button”系列解决方案,可帮助多个工业领域在当前利用率的基础上,优化工业过程的能效。

譬如,可以为除尘设备自动减速,或关闭暂时不需要使用的泵和风扇。据初步的实地测试表明,这样的举措,可将有关能耗降低多达40%。Fleischanderl指出,Precon便是一个这样的例子。Precon是一个自动化解决方案,可优化用来净化转炉烟气的静电除尘器的电源供给。他说:“如果钢铁行业为节约能源、原材料以及最大限度减排,而采用当前市场上的所有西门子技术,那么,事实上,这将是你所能做的一切。这样做,既可提高经济效益,又切实可行。”

未来,风电场和太阳能电站提供的氢气和电能,将在钢铁冶炼领域发挥重要作用。

他坚信,只有通过向可再生能源转型,才能取得更大的突破。譬如,可以利用风电场或太阳能电站提供的电能,来满足电弧炉的用电需求。此外,利用可再生能源生产的氢气,也可以取代生铁冶炼过程中使用的大量煤炭和焦炭。

同这些原料一样,氢气既是一种燃料,也是一种化学还原剂,可以与铁矿石中的氧化铁进行氧化反应。采用这样的炉料,炼钢厂烟囱里冒出来的将不再是二氧化碳,而只是水蒸汽。当然,要实现这一点,首先必须有数量足够的氢气可用。不过,按照Fleischanderl的说法,只要再过几十年,这将成为现实。他认为,炼钢厂的转炉工艺不是大问题。他补充道:“我们已经为此做好了充分准备。”

Andrea Hoferichter

 

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