電能替代潛力挖掘功能服務(wù)技術(shù)報(bào)告

電能替代潛力挖掘功能服務(wù)技術(shù)報(bào)告

目錄1 調(diào)研目的 調(diào)研目的本項(xiàng)目通過全面摸排梳理省內(nèi)典型港區(qū)生產(chǎn)作業(yè)用能場景，對港口電氣化設(shè)備及生產(chǎn)棉紡電氣化設(shè)備進(jìn)行帶電氣化經(jīng)濟(jì)性比較，分類指定推廣策略的方式完成能效提升與電能替代。此項(xiàng)目也可間接推進(jìn)除岸電建設(shè)外的其它綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)在港區(qū)的應(yīng)用，有利于鞏固國網(wǎng)公司售電市場、擴(kuò)展業(yè)務(wù)范圍、提升客戶服務(wù)新能力，帶動(dòng)公司相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，培育新的市場業(yè)態(tài)，增加新的效益增長點(diǎn)。港口項(xiàng)目主要調(diào)研內(nèi)容包括如下內(nèi)容：（1）調(diào)研需求：（a）調(diào)研收集港口運(yùn)輸車輛的電氣化數(shù)據(jù)；（b）調(diào)研收集港口起重設(shè)備的電氣化數(shù)據(jù)；（c）調(diào)研收集港口傳輸類機(jī)械的電氣化數(shù)據(jù)。（d）調(diào)研收集棉紡生產(chǎn)設(shè)備的電氣化數(shù)據(jù)；（e）調(diào)研收集棉紡生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)碾姎饣瘮?shù)據(jù)；（2）各類電氣化的性能比較：（a）通過調(diào)研、對接港口及棉紡行業(yè)用戶收集到的電氣化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)化分析；（b）對各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)做大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。（3）制定分類推廣策略：（a）針對港口及棉紡行業(yè)類客戶的特殊性，確定港口及棉紡行業(yè)各類型的機(jī)械化產(chǎn)品電氣化推廣策略；港口電能替代潛力挖掘港口行業(yè)現(xiàn)場調(diào)研情況能效評價(jià)與電能替代優(yōu)化實(shí)施項(xiàng)目系統(tǒng)針對港區(qū)機(jī)械作業(yè)進(jìn)行調(diào)研?；谖覈劭诘难b卸作業(yè)，機(jī)械的裝載與卸載工作一直是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，決定著技術(shù)流程是否科學(xué)合理和工藝技術(shù)是否完善。雖然相較于過去我國機(jī)械作業(yè)裝卸的吞吐速度已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大幅度提升，但是由于我國港口貿(mào)易往來的更加頻繁，目前的提升速度仍然無法及時(shí)滿足需求，制約了我國的對外輸出。在這種情況下，我國的機(jī)械裝卸工藝已經(jīng)不能滿足于現(xiàn)狀，而是要不斷地進(jìn)行優(yōu)化，從而更好地適應(yīng)我國港口貿(mào)易的發(fā)展，由此對新生圩港口進(jìn)行調(diào)研內(nèi)容：隨著港口業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，港口運(yùn)輸業(yè)務(wù)相關(guān)的機(jī)械設(shè)備多且雜，記錄港口的現(xiàn)階段節(jié)能現(xiàn)狀。依據(jù)港口現(xiàn)狀提出基于目前新生圩港口的水平運(yùn)輸各類機(jī)械設(shè)備技術(shù)的優(yōu)化。港口場景介紹港位于南京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，距長江出?？?47公里,可直通世界各大港口，在長江散貨、件雜貨中轉(zhuǎn)運(yùn)輸中發(fā)揮重要作用，是長江下游重要的大宗散貨中轉(zhuǎn)港。隨著長江12.5米深水航道的建設(shè)，新生圩港將成為最深入我國內(nèi)陸腹地的"海港“。但是隨著港區(qū)的開發(fā)區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整，港口與開發(fā)區(qū)從原先"港產(chǎn)互動(dòng)"關(guān)系走向"港產(chǎn)分離”，需在國家碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略和新一輪城市轉(zhuǎn)型背景下重新認(rèn)識(shí)港口的作用以及港口與城市的關(guān)系。港口行業(yè)響應(yīng)碳達(dá)峰、碳中和要求的主要措施如今，距2030年前實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放達(dá)到峰值已不滿10年，但當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，能源消費(fèi)總量仍處于上升通道，如果允許二氧化碳排放峰值過高，將導(dǎo)致后續(xù)碳中和的難度增加，因此“十四五”時(shí)期既是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)也是創(chuàng)造碳中和條件的關(guān)鍵期、窗口期，各行各業(yè)都需要為國家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)做出應(yīng)有的努力和貢獻(xiàn)，港口所屬的水運(yùn)業(yè)也不例外。電能占終端能源消費(fèi)的比重代表電力替代煤炭、石油、天然氣等其它能源的程度，是衡量一個(gè)國家終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和電氣化程度的重要指標(biāo)。電能是清潔、高效、便利的終端能源載體，在大力推進(jìn)低碳發(fā)展，大規(guī)模開發(fā)可再生能源，積極應(yīng)對氣候變化的全球發(fā)展趨勢下，提高電能占終端能源消費(fèi)比重已成為世界各國的普遍選擇。2020年我國電能占終端能源消費(fèi)的比重達(dá)到27%，2021年4月19日國家能源局發(fā)布的《2021年能源工作指導(dǎo)意見》將“電能占終端能源消費(fèi)比重力爭達(dá)到28%左右”設(shè)定為2021年主要預(yù)期目標(biāo)?！段覈茉措娏Πl(fā)展展望2020》預(yù)測，在我國電能將逐步成為最主要的能源消費(fèi)品種，2025年后電力將取代煤炭在終端能源消費(fèi)中的主導(dǎo)地位，2025年、2035年、2050年和2060年電能占終端能源消費(fèi)的比重將有望分別達(dá)到約32%、45%、60%和70%；交通運(yùn)輸部門電能占能源消費(fèi)比重提升最快，將從2020年的3%提升到2060年的53%。我國港口裝卸生產(chǎn)能源消耗占港口生產(chǎn)綜合能源消耗的約2/3，主要是港口機(jī)械的能源消耗，目前這部分能耗中近50%為化石能源，這是港口機(jī)械電氣化的潛力所在。根據(jù)動(dòng)力電池技術(shù)以及充電技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合港口機(jī)械作業(yè)工況考慮，大多當(dāng)前使用化石能源的港口機(jī)械已經(jīng)具備了采用動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)的技術(shù)可行性；我國一些港口機(jī)械供應(yīng)廠商對于港口機(jī)械使用動(dòng)力電池質(zhì)量的承諾，也使得這些廠商提供的港口機(jī)械具備了經(jīng)濟(jì)可行性。主要裝卸作業(yè)介紹主要機(jī)械有：港口集裝箱牽引車、輪胎式門式起重機(jī)（RTG）、港口重卡、集卡、挖掘機(jī)裝載機(jī)等。機(jī)械設(shè)備經(jīng)濟(jì)性對比以及新技術(shù)應(yīng)用港口集裝箱牽引車（港口集裝箱牽引車以下簡稱牽引車）是適用于港口集裝箱碼頭水平運(yùn)輸?shù)奶厥忸愋偷臓恳\(yùn)輸設(shè)備，具有運(yùn)輸距離短、運(yùn)行區(qū)間固定、低速重載、連續(xù)工作等特點(diǎn)，主要用于裝卸集裝箱，也用于裝卸件雜貨。2020年我國港口大約使用了8800臺(tái)集裝箱牽引車，其中約6900臺(tái)使用柴油驅(qū)動(dòng)，約1800臺(tái)使用液化天然氣驅(qū)動(dòng)，約300臺(tái)使用動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)（含211臺(tái)自動(dòng)化集裝箱碼頭使用的自動(dòng)導(dǎo)引車AGV），另有16臺(tái)使用氫燃料電池驅(qū)動(dòng)。使用柴油驅(qū)動(dòng)的集裝箱牽引車單臺(tái)年平均消耗柴油約30噸，是專業(yè)化集裝箱碼頭二氧化碳直接排放和大氣污染物排放的主要來源之一。部分使用動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車的碼頭，對動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)牽引車和柴油驅(qū)動(dòng)牽引車進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測試和綜合成本對比分析。一個(gè)南方港口的大型專業(yè)化集裝箱碼頭在完成前期充電樁的建設(shè)、現(xiàn)場設(shè)備的調(diào)試以及操作人員培訓(xùn)等工作后，以苛刻的現(xiàn)場作業(yè)工況，檢驗(yàn)了技術(shù)參數(shù)如表1所示的某廠家2臺(tái)國產(chǎn)動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車的技術(shù)性能，實(shí)測結(jié)果如表2.2.1.1所示。表1測試的2臺(tái)動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車的技術(shù)性能表2.2.1.1電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車的實(shí)測結(jié)果該碼頭選用了20臺(tái)柴油驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車進(jìn)行了相應(yīng)實(shí)測，電池和柴油驅(qū)動(dòng)牽引車實(shí)測結(jié)果如表2.2.1.2所示，表2.2.1.2電池和柴油驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車實(shí)測結(jié)果表中柴油價(jià)格以該港2018年9月-2019年3月含稅柴油采購價(jià)6463元/t計(jì)算，相當(dāng)于5.43元/L。結(jié)果表明，使用電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車替代柴油驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車，每公里費(fèi)用下降69.46%，單箱能耗費(fèi)用下降68.92%。按照我國當(dāng)前柴油和電力二氧化碳排放因子分別取3.145t二氧化碳/t柴油和6.101t二氧化碳/MWh測算，使用電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車替代柴油驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車，每公里二氧化碳排放下降45.50%，單箱二氧化碳排放下降44.52%。考慮到集裝箱牽引車設(shè)計(jì)使用壽命為10年，電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車單臺(tái)含稅購置價(jià)格850000元，原廠電池質(zhì)保5年，后5年需更換動(dòng)力電源，價(jià)格為498000元，單臺(tái)購置總成本1348000元，月折舊費(fèi)9393.39元；柴油驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車單臺(tái)含稅購置價(jià)格365350元，設(shè)計(jì)使用壽命10年發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱各大修一次，費(fèi)用約70000元，單臺(tái)購置總成本435350元，月折舊費(fèi)3033.69元。此外，考慮到電池驅(qū)動(dòng)牽引車的電驅(qū)動(dòng)總成及電動(dòng)空壓機(jī)質(zhì)保5年20萬公里，日常只需定期檢查，維護(hù)成本較低，電池驅(qū)動(dòng)牽引車廠家提供的信息，單臺(tái)維保材料費(fèi)預(yù)計(jì)255元/月、維保人工費(fèi)約800元/月；該碼頭實(shí)際統(tǒng)計(jì)的單臺(tái)柴油驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車維保材料費(fèi)（不含輪胎費(fèi)）為1822.22元/月、維保人工費(fèi)為766元/月。結(jié)合測試結(jié)果，基于上述基本信息并考慮到每臺(tái)電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車每天需要充電2小時(shí)，在相同集裝箱牽引車出勤的情況下，電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車的保有量將比柴油驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車增加1/12，相應(yīng)的購置費(fèi)、換電池費(fèi)用、維保人工費(fèi)將上升1/12，按照該碼頭統(tǒng)計(jì)單臺(tái)集裝箱牽引車月均作業(yè)3183TEU，對電池和柴油驅(qū)動(dòng)牽引車月均綜合成本進(jìn)行分析的結(jié)果如表2.2.1.3所示；表2.2.1.3電池和柴油驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車單臺(tái)月綜合成本分析鑒于缺少電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車維保實(shí)踐，為保守測算計(jì)，單臺(tái)或者（1+1/12）臺(tái)電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車月度維保材料費(fèi)，取柴油驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車月度維保材料費(fèi)實(shí)際統(tǒng)計(jì)值。使用電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車需要配套建設(shè)充電樁，1臺(tái)300kW雙槍一體式直流充電樁服務(wù)5-8臺(tái)電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車，一套充電樁約15萬元；使用柴油驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車需要配套加油站、油車和加油工等，上述分析沒有考慮由此導(dǎo)致的成本差異。電池和柴油驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車單臺(tái)月綜合成本初步分析結(jié)果表明，當(dāng)前在我國集裝箱港口使用電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車取代柴油驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車，不但有利于港口適應(yīng)國家碳達(dá)峰碳中和的要求，而且具有較好的經(jīng)濟(jì)可行性，此外，還有益于港口集裝箱牽引車司機(jī)的職業(yè)健康。如果考慮到電池充電是消納富余風(fēng)電光伏發(fā)電量的手段，采用換電方式（需要適當(dāng)多購電池并建立換電站），而不是增加電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車保有量，來消除電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車每天需要充電2小時(shí)的影響，可能使用電池驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車取代柴油驅(qū)動(dòng)集裝箱牽引車的經(jīng)濟(jì)可行性會(huì)更好。輪胎式門式起重機(jī)（RTG）輪胎式門式起重機(jī)占據(jù)著集裝箱裝卸機(jī)型中重要地位，是目前世界上通用且較為成熟的裝卸機(jī)型。當(dāng)前，RTG技術(shù)發(fā)展較為成熟，在諸多集裝箱碼頭得到了廣泛運(yùn)用。然而，雖然RTG在集裝箱裝卸過程當(dāng)中運(yùn)用較為普遍，但是存在能量消耗大與噪音污染大等弊端，與建設(shè)和諧社會(huì)、綠色社會(huì)、節(jié)能社會(huì)理念存在沖突，集裝箱碼頭若繼續(xù)采用該工作模式是對節(jié)能減排以及環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生阻礙作用。此外，隨著國際燃油價(jià)格的飆升，國內(nèi)燃油供需壓力大，必定直接增加了企業(yè)的經(jīng)營成本。如何在保障工作量的同時(shí)降低企業(yè)運(yùn)營成本并保持節(jié)能減排，是每一個(gè)企業(yè)必須要重點(diǎn)考慮的問題。因此，在保持RTG現(xiàn)有模式的優(yōu)勢基礎(chǔ)之上，實(shí)行油改電既可以達(dá)到降低營運(yùn)成本又可以起到減少噪音污染等效果，對于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)具有重要的作用。針對于RTG設(shè)備的節(jié)能：我國“十一五”規(guī)劃綱要提出能耗降低及主要污染物排放總量指標(biāo)。其中對主要耗油設(shè)備RTG進(jìn)行“油改電”，就是重要技術(shù)改造措施之一?！坝透碾姟狈桨妇褪菫镽TG提供市電，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)組，有效地解決柴油發(fā)電機(jī)組帶來的高能耗、高維護(hù)成本、高噪音等問題。原有RTG的能耗占港口總能耗三分之一，同時(shí)RTG供電采用403kW的發(fā)電機(jī)機(jī)組，為維持附屬設(shè)施供電,發(fā)動(dòng)機(jī)基本每月工作達(dá)500h，待時(shí)時(shí)間長，空耗高，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，因此實(shí)施這一技改迫在眉睫。目前國內(nèi)各大港口考察，對目前高架滑線式、低滑觸線式、電纜卷筒式等方式是目前最新的節(jié)能方式。1．高架滑線方式（如上海外高橋2期運(yùn)用）高架滑線式方案是采用35m的高塔架，此高度遠(yuǎn)高于RTG的高度。塔架占用堆場面積較大，高塔架投資成本較高，對惡劣氣候影響因素較為敏感，特別對防風(fēng)、防雷擊的要求較為嚴(yán)格，高空滑觸線在遇風(fēng)情況擺度控制在20mm，對于北方多風(fēng)氣候，控制擺度在20mm內(nèi)難度很大；在90度轉(zhuǎn)場時(shí)仍需柴油發(fā)動(dòng)機(jī)供電，滑線維護(hù)困難。根據(jù)公司場地波浪形分布和RTG的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)兩臺(tái)RTG在波形谷底相互行走大車時(shí)，兩臺(tái)RTG頂部梯子之間最大只有300mm的間隔，大車相互錯(cuò)車時(shí)會(huì)發(fā)生掛碰事故。高架滑線工程改造投資大；技術(shù)要求高；日常維護(hù)困難；90°轉(zhuǎn)場時(shí)需要司機(jī)自行到設(shè)備頂部進(jìn)行電源切換，存在一定安全隱患。2．直流滑線方式（如深圳媽灣碼頭試驗(yàn)使用）無論是高架還是低架直流滑線，供電方式都是一樣，都是在廂變中安裝大型的直流電源，為場地設(shè)備供電，也就是同一個(gè)廂變系統(tǒng)下的所有設(shè)備共用直流母線，從成本節(jié)約上可以實(shí)現(xiàn)二次節(jié)能。雖然高架直流滑線可以使RTG不用切換電源直接過集卡通道，但是高架直流滑線和高架交流滑線同樣有較多問題。低架直流雖然從理論上可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換電源，但是目前還在實(shí)驗(yàn)中，技術(shù)未都成熟。兩種直流滑線都是裸線外露，觸電危險(xiǎn)程度大，設(shè)備改造復(fù)雜，工程投資大；一旦電源出現(xiàn)故障，因?yàn)槎嗯_(tái)設(shè)備共用直流母線，所以影響范圍大。3．低架交流滑線和電纜卷筒低架交流滑線和電纜卷筒兩種改造方式如圖2.2.2.1示。低滑觸線式和電纜卷筒式兩種方案的核心都是以專用供電設(shè)備提供市電來替代燃油消耗，達(dá)到為RTG提供動(dòng)力的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，區(qū)別在于RTG移動(dòng)中供電設(shè)備是采用低架滑觸線和設(shè)備自身攜帶。具體的比較見表2.2.2.2。目前低架交流滑觸線供電方式相比于其他方式較為節(jié)能。港口電動(dòng)重卡、集卡經(jīng)濟(jì)全球化促進(jìn)港口等物流中心不斷發(fā)展，港口牽引車作為港口重要的運(yùn)輸機(jī)械，需求量也持續(xù)攀升，但傳統(tǒng)牽引車無法適用港口的工作環(huán)境且能高，對港口造成嚴(yán)重污染。十九大以來，生態(tài)文明建設(shè)的新理念、新思想、新戰(zhàn)略對交通運(yùn)輸行業(yè)的綠色發(fā)展提出了新的要求，綠色港口、智慧港口等新概念也逐步深入人心，成為發(fā)展的潮流。主流汽車廠也將目光聚焦于新能源純電領(lǐng)域。目前，國內(nèi)港口集裝箱智能化水平運(yùn)輸?shù)能囕v主要是智能自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV），導(dǎo)航和導(dǎo)引系統(tǒng)是AGV的關(guān)鍵技術(shù)。目前AGV的導(dǎo)航或?qū)б夹g(shù)主要是RFID磁釘導(dǎo)航，在AGV的行駛路線上預(yù)埋金屬磁釘，并在磁釘上加載導(dǎo)引頻率，通過對導(dǎo)引頻率的識(shí)別來實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)引，但其導(dǎo)引路徑難以更改擴(kuò)展，回路、交叉等復(fù)雜路徑設(shè)計(jì)困難，易產(chǎn)生路徑?jīng)_突及碰撞問題。遇到雨雪天氣時(shí)，磁釘受雨水或積雪覆蓋，存在信號(hào)衰減及AGV車輛無法運(yùn)行的可能性，使其環(huán)境適應(yīng)性降低。AGV底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，售價(jià)極高，單車成本在700萬元左右，采用該類智能化車輛，需對港口的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大量改動(dòng)，且磁釘成本高，鋪設(shè)密度大，導(dǎo)致基礎(chǔ)建設(shè)投入高，成本回收周期長，存在較大運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)?；谏鲜鲈蚝透劭谛枨螅统杀靖攮h(huán)境適應(yīng)性的無人駕駛純電動(dòng)集卡應(yīng)運(yùn)而生。無人駕駛純電動(dòng)集卡采用高精度地圖+多源復(fù)合導(dǎo)航定位技術(shù)，僅需對港口的運(yùn)輸環(huán)境進(jìn)行地圖重建，同時(shí)在必要的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置可視化標(biāo)識(shí)物，就可實(shí)現(xiàn)港區(qū)的高精度導(dǎo)航定位。該方式基礎(chǔ)建設(shè)投入少，導(dǎo)航路線調(diào)整優(yōu)化靈活，柔性化程度高，適用于現(xiàn)有港口升級(jí)改造為智能化港口，改造成本低，運(yùn)營投入小，環(huán)境適應(yīng)性好，具備全天候全氣候作業(yè)條件，運(yùn)行效率更高。電動(dòng)挖掘機(jī)常規(guī)液壓挖掘機(jī)經(jīng)過了一百多年的發(fā)展，為人類的建設(shè)做出了巨大的貢獻(xiàn)。由于作業(yè)工況的多樣性，其號(hào)稱工程機(jī)械之王，幾乎只要有運(yùn)輸?shù)牡胤骄湍芸吹酵诰驒C(jī)的身影。但是其缺點(diǎn)也明顯。首先是能量利用率低，常規(guī)挖掘機(jī)裝備的是柴油機(jī)，而柴油機(jī)的燃油效率只有33%左右，最高不超過40%；其次是柴油機(jī)的排放物會(huì)污染大氣，這些污染物主要包括：一氧化碳（CO）、未燃碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）以及顆粒物（PM）。這些尾氣成分是當(dāng)前空氣污染的重要來源，時(shí)刻威脅著人類健康。有的發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)制定政策，逐步淘汰柴油工程機(jī)械的使用。再次是石油是不可再生資源，遲早會(huì)枯竭?？偠灾?，柴油工程機(jī)械不符合綠色、節(jié)能、環(huán)保的要求。隨著環(huán)保要求越來越嚴(yán)，2017年國家提出了“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”戰(zhàn)略。2018年有的地區(qū)已經(jīng)出臺(tái)政策限制燃油工程機(jī)械的使用，比如深圳于2018年4月出臺(tái)了《2018年“深圳藍(lán)”可持續(xù)行動(dòng)計(jì)劃》，電動(dòng)工程機(jī)械零排放的優(yōu)勢將越來越明顯。相對于燃油挖掘機(jī)，電動(dòng)挖掘機(jī)單位時(shí)間使用成本更低，并且維護(hù)保養(yǎng)成本也更低。對于挖掘機(jī)持有人來說，在挖掘機(jī)完成的工作量一定的情況下，使用成本更低則利潤更高。機(jī)器使用成本低對租賃客戶也很有吸引力。電動(dòng)挖掘機(jī)零排放更加符合國家節(jié)能環(huán)保政策要求，有助于打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)。相比柴油機(jī)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，低速扭矩更大，使得整機(jī)操控性能更好。電機(jī)運(yùn)行噪聲低，使得整機(jī)的噪聲水平更低。總之，電動(dòng)挖掘機(jī)在使用區(qū)域、使用成本、節(jié)能環(huán)保、操作體驗(yàn)以及低噪聲方面比柴油挖掘機(jī)更具有優(yōu)勢。電動(dòng)挖掘機(jī)與常規(guī)挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別在于動(dòng)力系統(tǒng)。常規(guī)挖掘機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)由柴油機(jī)提供動(dòng)力，柴油機(jī)將柴油化學(xué)能轉(zhuǎn)化成飛輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能輸出給液壓主泵，同時(shí)通過皮帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)把電能輸送給24V鉛酸電池及各車載電器設(shè)備。常規(guī)挖掘機(jī)的技術(shù)路線見圖2.2.4.1。常規(guī)挖掘機(jī)所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，包括工作裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)。液壓泵是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，是所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。電動(dòng)挖掘機(jī)在技術(shù)路線上可以有多種方案，以下3種技術(shù)路線圖。方案1動(dòng)力電池系統(tǒng)是整機(jī)能量源，動(dòng)力電池把電能輸送給電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓主泵，液壓泵再把能量輸送到各執(zhí)行元件，如液壓油缸、回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)和行走液壓馬達(dá)。動(dòng)力電池系統(tǒng)屬于高壓系統(tǒng)，通過DCDC轉(zhuǎn)換把高壓電轉(zhuǎn)換為24V低壓電，從而為各車載電器設(shè)備提供電源。在方案1里，液壓主泵驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)和常規(guī)挖掘機(jī)是一樣的，分別是回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和工作裝置。不同的是方案1的液壓主泵由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而常規(guī)挖掘機(jī)的液壓主泵由柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。方案1中低壓電源由DCDC轉(zhuǎn)換而來，而常規(guī)挖掘機(jī)的低壓電源由柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電來產(chǎn)生。見圖2.2.4.2方案一。方案2是在方案1的基礎(chǔ)上增加一個(gè)電機(jī)，把原來由液壓主泵驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)改為由電機(jī)2驅(qū)動(dòng)，其余部分與方案1完全相同。見圖2.2.4.3方案二：方案3是在方案2的基礎(chǔ)上，把原來由液壓主泵驅(qū)動(dòng)的行走機(jī)構(gòu)改為由電機(jī)3驅(qū)動(dòng)，其余部分與方案2完全相同。見圖2.2.4.4方案三：柴油機(jī)的效率不高，只有33%左右。而我國電動(dòng)汽車電機(jī)的效率最低指標(biāo)為：電機(jī)功率在5~150kW之間，效率大于93%，效率高于85%的高效率區(qū)占電機(jī)整個(gè)運(yùn)行區(qū)間的50%以上。電機(jī)的效率明顯遠(yuǎn)高于柴油機(jī)。方案1用1個(gè)電機(jī)代替柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，能量利用率可以提高一倍以上。液壓主泵驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)時(shí)會(huì)產(chǎn)生溢流，這樣會(huì)造成能量浪費(fèi)，并且液壓泵和液壓馬達(dá)本身效率也沒有電機(jī)高，方案2回轉(zhuǎn)采用電驅(qū)動(dòng)方式能夠提高效率，并且在回轉(zhuǎn)制動(dòng)過程中，電機(jī)2起發(fā)電作用，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能回充給動(dòng)力電池系統(tǒng)，電機(jī)2起到能量回收的作用。由于挖掘機(jī)的工作方式是定點(diǎn)作業(yè)方式，行走不是常用動(dòng)作，方案3采用電機(jī)3來驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)節(jié)能效果并不明顯。大型電缸目前還處于研究階段，性能和耐久性還不能滿足中大型挖掘機(jī)的需求。綜上所述，方案1技術(shù)難度最低，并且也起到一定的節(jié)能效果，適合于小型和微型挖掘機(jī)。由于整機(jī)還保留有液壓系統(tǒng)，方案3的行走由液壓驅(qū)動(dòng)改為電驅(qū)動(dòng)意義并不明顯。與方案2比，節(jié)能效果不明顯，反而增加了新的系統(tǒng)，增加可靠性風(fēng)險(xiǎn)。從技術(shù)難易程度和節(jié)能效果來考慮，方案2是現(xiàn)階段中大型挖掘機(jī)的最優(yōu)方案。電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和電控技術(shù)是電動(dòng)汽車的核心技術(shù)。同樣，三電技術(shù)也是電動(dòng)工程機(jī)械的核心技術(shù)。近幾年來，動(dòng)力電池發(fā)展迅猛無論是能量密度、循環(huán)壽命，還是安全性能都有了極大的提高。目前純電動(dòng)汽車裝機(jī)容量最多的動(dòng)力電池是三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池。在能量密度方面，三元鋰離子電池能量密度比磷酸鐵鋰電池略高。2018年磷酸鐵鋰電池單體能量密度達(dá)到了160Wh/kg左右。而在循環(huán)壽命和安全性能方面，磷酸鐵鋰電池優(yōu)于三元鋰離子電池?？紤]到續(xù)航里程問題，目前市場上的純電動(dòng)乘用車傾向于使用三元鋰離子電池，而純電動(dòng)商用車如純電動(dòng)大巴等普遍使用的是磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命高達(dá)4000次以上。電動(dòng)卡車和電動(dòng)大巴在使用工況方面更接近于工程機(jī)械，為了降低風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高開發(fā)速度，電動(dòng)挖掘機(jī)可以直接選用電動(dòng)卡車或電動(dòng)大巴批量使用的電池包，然后用這些電池包組成新的動(dòng)力電池系統(tǒng)，并重新開發(fā)一個(gè)新的BMS系統(tǒng)。挖掘機(jī)的使用壽命可長達(dá)10年，假設(shè)電動(dòng)挖掘機(jī)每天都要作業(yè)，每天充電一次，磷酸鐵鋰電池4000次的循環(huán)壽命可供電動(dòng)挖掘機(jī)使用10年以上。如前文所述，電動(dòng)挖掘機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、液壓主泵及其驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)組成。電動(dòng)機(jī)及其控制器是電動(dòng)車輛的核心技術(shù)之一。目前電動(dòng)汽車使用的電動(dòng)機(jī)類型主要有永磁同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)，也有極少數(shù)電動(dòng)專用車使用的是開關(guān)磁阻電機(jī)，但國內(nèi)市場上大部分的電動(dòng)汽車使用的都是永磁同步電機(jī)。由于永磁同步電機(jī)使用量大，范圍廣，從小功率、低扭矩的電動(dòng)乘用車到大扭矩、高功率的電動(dòng)大巴和電動(dòng)卡車的各個(gè)型號(hào)的車型都在使用，所以對于電動(dòng)工程機(jī)械電動(dòng)機(jī)選型來說相對容易一些。永磁同步電機(jī)具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍，在電動(dòng)車輛牽引電機(jī)中是強(qiáng)有力的競爭者。目前國內(nèi)電機(jī)制造商所生產(chǎn)的電機(jī)扭矩可高達(dá)2000N·m，功率可高達(dá)230kW。2018年中國挖掘機(jī)市場上使用數(shù)量最大的是50t以下型號(hào)，50t以下型號(hào)占全年總銷量的95%以上。50t挖掘機(jī)液壓主泵的最大扭矩在1500N·m以內(nèi)，完全可以選型到合適的電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)裝載機(jī)為保護(hù)人們賴以生存的環(huán)境，國家大力開展節(jié)能減排各項(xiàng)舉措。集裝箱港口為響應(yīng)國家號(hào)召，提出綠色碼頭計(jì)劃，大力開展港口設(shè)備油改電關(guān)鍵舉措，電動(dòng)集裝箱堆高機(jī)的應(yīng)用成為必然的趨勢。電動(dòng)堆高機(jī)系統(tǒng)原理；鋰電池組直流電源先進(jìn)入各個(gè)電機(jī)控制器（見圖2.2.5.1）?？刂破飨喈?dāng)于變頻器，將直流電源轉(zhuǎn)化為三相交流電，驅(qū)動(dòng)各個(gè)電機(jī)（三相交流電機(jī)），從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)構(gòu)的工作。動(dòng)力電池系統(tǒng)（見表2.2.5.2）采用目前技術(shù)成熟、安全性且性價(jià)比高的磷酸鐵鋰電池，因磷酸鐵鋰晶格穩(wěn)定性較好，鋰離子的嵌入與脫出對晶格的影響小，具有良好的可逆性，在100%充電條件下，可以放電2000次以上，能夠?qū)崿F(xiàn)一小時(shí)快速充滿。電池組直流電源先進(jìn)入行駛控制器。行駛控制器相當(dāng)于變頻器，將直流電源轉(zhuǎn)化為三相交流電，驅(qū)動(dòng)行駛電機(jī)（三相交流電機(jī)）。行駛系統(tǒng)由電機(jī)直驅(qū)的方式，通過傳動(dòng)軸將電機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋相連，無變速箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單，整體效率高。電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由行駛控制器控制。該部分應(yīng)滿足電動(dòng)堆高機(jī)的動(dòng)力性能要求：空載時(shí)最高車速≥20km/h；空載時(shí)0~20km/h，加速時(shí)間≤8s；最大爬坡度的空載≤25%，滿載≥20%。舉升系統(tǒng)的電機(jī)控制器將電池組提供的直流電源轉(zhuǎn)換成三相交流電，提供給油泵馬達(dá)電機(jī)，油泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)油馬達(dá)（雙向），提供液壓動(dòng)力。當(dāng)起升上升時(shí)，油泵正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)油缸上升完成舉升，此時(shí)消耗電池組電量。當(dāng)起升下降時(shí)，油泵反轉(zhuǎn)，油缸內(nèi)壓力油通過馬達(dá)回油箱，將下降的勢能轉(zhuǎn)化為電能。由于油泵反轉(zhuǎn)，油泵電機(jī)此時(shí)作為發(fā)電機(jī)，對電池組反向充電。輔助系統(tǒng)由輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵，主要滿足吊具動(dòng)作、后橋轉(zhuǎn)向、前橋制動(dòng)及制動(dòng)系統(tǒng)冷卻要求。輔助電機(jī)控制器將電池組直流電源轉(zhuǎn)換成三相交流電，提供給輔助電機(jī)（三相交流電機(jī)）。電動(dòng)堆高機(jī)冷卻系統(tǒng)采用閉式強(qiáng)制水冷方式，由散熱器、電子風(fēng)扇、電子水泵、行駛電機(jī)控制器、舉升電機(jī)控制器、輔助電機(jī)控制器、行駛電機(jī)、舉升電機(jī)、輔助電機(jī)、膨脹水箱和管路及接頭組成。采用的充電方案，充電各部件如下：部件1，空箱堆高機(jī)，門架應(yīng)包含充電自動(dòng)插拔的安裝位置，并為充電自動(dòng)插拔裝置油缸提供一路液壓油，以及連接到接線箱部分的電纜。部件2，充電自動(dòng)插拔裝置（機(jī)上部分），通過螺栓，固定在空箱堆高機(jī)門架上。部件3，自動(dòng)插拔裝置（機(jī)下部分）。部件4，定位支架，可采用空集裝箱或者相當(dāng)尺寸的鋼結(jié)構(gòu)門框，使門架停留在相對固定的位置、充電自動(dòng)插拔裝置的機(jī)上及機(jī)下部分能夠很好地連接。部件5，充電設(shè)備（充電樁）。全電驅(qū)動(dòng)不采用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)無尾氣排放，具有能量回收系統(tǒng)，可以回收下降勢能和剎車能量。各個(gè)工作系統(tǒng)動(dòng)力獨(dú)立設(shè)計(jì)，優(yōu)化控制進(jìn)一步節(jié)省能量消耗，提高續(xù)航時(shí)間。設(shè)備可以識(shí)別當(dāng)前作業(yè)模式，精準(zhǔn)預(yù)測剩余作業(yè)時(shí)長。設(shè)備預(yù)置節(jié)能模式、普通模式及強(qiáng)勁模式，操作手可以根據(jù)作業(yè)情況自由選擇。結(jié)合碼頭終端操作系統(tǒng)（TerminalOperatingSystem，TOS）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備協(xié)作，根據(jù)設(shè)備的剩余電量、位置自動(dòng)調(diào)配作業(yè)。目前試運(yùn)行電動(dòng)堆高機(jī)作業(yè)耗電量為23.3kW/h，單箱電量為0.85kW，而柴油動(dòng)力堆高機(jī)油耗約14L/h，單箱油耗約0.43L/h，對比單箱可每小時(shí)節(jié)約成本1.93元。動(dòng)力系統(tǒng)采用電機(jī)和鋰電池組成，基本免維護(hù)，無發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱維護(hù)工作量大幅度下降。液壓系統(tǒng)由閥控改為泵控，減少液壓控制閥組，液壓維護(hù)相對簡單。電池5年質(zhì)保，質(zhì)保期內(nèi)免費(fèi)更換。綜合統(tǒng)計(jì)單箱作業(yè)成本可下降大約60%。也存在三點(diǎn)不足之處:（1）電動(dòng)堆高機(jī)各電池、電機(jī)等系統(tǒng)避震性能不足，在路面坑洼的堆場作業(yè)故障率相對較高，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。（2）雨季對設(shè)備作業(yè)及充電影響較大，電氣系統(tǒng)需進(jìn)一步提高防水性能。（3）動(dòng)力電池整機(jī)成本占比較高，且目前無電池回收相關(guān)制度，舊電池存在一定污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。總體來說，電動(dòng)集裝箱堆高機(jī)具有節(jié)能環(huán)保、智能化、維護(hù)簡單、運(yùn)營成本低等特點(diǎn)，具有廣泛的適用性，相比較傳統(tǒng)燃油動(dòng)力堆高機(jī)還是具有一定的優(yōu)勢，充分響應(yīng)國家節(jié)能減排的號(hào)召，滿足了港口建設(shè)綠色碼頭的需要。港口應(yīng)用推廣策略推動(dòng)港口機(jī)械普及使用電力港口用能結(jié)構(gòu)優(yōu)化是港口節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的重要途徑之一，為適應(yīng)我國改善環(huán)境空氣質(zhì)量的新需求，落實(shí)我國控制溫室氣體排放新承諾，助力我國能源安全，行業(yè)主管部門需要結(jié)合國家能源轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢，主動(dòng)引導(dǎo)港口開發(fā)與應(yīng)用新能源或清潔能源，港口企業(yè)需要積極履行社會(huì)責(zé)任，充分利用自身的優(yōu)勢條件，與新能源產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，不斷拓展開發(fā)和應(yīng)用新能源或清潔能源的范圍和途徑。港口機(jī)械（起重機(jī)械、連續(xù)輸送機(jī)械、裝卸搬運(yùn)車輛以及專用裝卸機(jī)械）使用電網(wǎng)電力、蓄電池電力或燃料電池電力是應(yīng)對節(jié)能減排和環(huán)保護(hù)境挑戰(zhàn)的有效手段。能夠改用電網(wǎng)電力的集裝箱門式起重機(jī)和移動(dòng)起重機(jī)等港口機(jī)械，在前期“油改電”的要求下，實(shí)施改造具備技術(shù)和商業(yè)可行性的大多設(shè)備，已經(jīng)完成了相應(yīng)的改造。實(shí)踐證明，綜合考慮購置和使用成本，當(dāng)前蓄電池電力驅(qū)動(dòng)的空箱堆高機(jī)、重箱叉車等起重機(jī)械已經(jīng)具備技術(shù)和商業(yè)可行性，蓄電池電力驅(qū)動(dòng)的集裝箱卡車等裝卸搬運(yùn)車輛也已經(jīng)具備技術(shù)和商業(yè)可行性，氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的集裝箱卡車等裝卸搬運(yùn)車輛或者港作拖輪已經(jīng)具備技術(shù)可行性。隨著我國應(yīng)對環(huán)境空氣質(zhì)量挑戰(zhàn)形勢的變化，各地將會(huì)劃定排放控制區(qū)，要求以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，淘汰老舊港口機(jī)械的步伐將不斷加快，可以選擇使用蓄電池取代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)對相應(yīng)的港口機(jī)械進(jìn)行改造或者直接選用蓄電池電力驅(qū)動(dòng)新港口機(jī)械。在可以方便且可廉價(jià)獲取氫燃料的地區(qū)，如果氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的集裝箱卡車等裝卸搬運(yùn)車輛具備了商業(yè)可行性，則可考慮進(jìn)行示范應(yīng)用。為此，建議“十四五”時(shí)期難以使用電網(wǎng)電力驅(qū)動(dòng)的港口機(jī)械，使用具有技術(shù)和商業(yè)可行性的蓄電池電力驅(qū)動(dòng)或者氫燃料電池驅(qū)動(dòng)設(shè)備；在有條件的地區(qū)，開展氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的集裝箱卡車等裝卸搬運(yùn)車輛應(yīng)用示范。不再推廣應(yīng)用液化天然氣（LNG）動(dòng)力港口機(jī)械和港作拖輪2013年交通運(yùn)輸部發(fā)布了《交通運(yùn)輸部關(guān)于推進(jìn)水運(yùn)行業(yè)應(yīng)用液化天然氣的指導(dǎo)意見》，基于液化天然氣是國家優(yōu)先推廣的清潔能源，把推進(jìn)水運(yùn)行業(yè)應(yīng)用液化天然氣作為建設(shè)綠色水運(yùn)的抓手，使用液化天然氣取代柴油能夠有效減少硫氧化物和顆粒物的排放，但是鑒于我國發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平有待提升，一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣燃料比控制不好，與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，難以減少氮氧化物排放，而氮氧化物是導(dǎo)致二次生成顆粒物的前體物，也是當(dāng)前我國面臨的臭氧污染生成的前體物；另一方面，難以有效控制液化天然氣的逃逸以及不完全燃燒導(dǎo)致的甲烷排放，鑒于甲烷的20年全球增溫潛勢是同等重量二氧化碳的72倍，100年全球增溫潛勢是同等重量二氧化碳的25倍，基于目前的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，使用液化天然氣取代柴油實(shí)際上難以有效減少溫室氣體的排放。實(shí)際上，在推進(jìn)水運(yùn)行業(yè)應(yīng)用液化天然氣的過程中，由于液化天然氣的供應(yīng)難以有效保障、價(jià)格起伏變化大、加注基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和建設(shè)不到位等原因，盡管交通運(yùn)輸部采取了多種推進(jìn)措施，但是到目前為止，僅有近300艘船舶可以使用液化天然氣，而且實(shí)際上大多仍然使用柴油，其中的液化天然氣動(dòng)力港作拖輪因?yàn)榕搩?nèi)布置50m3液化天然氣儲(chǔ)氣罐，船頭較高，不便拖帶集裝箱船舶，推廣應(yīng)用更加困難；少數(shù)港口曾應(yīng)用液化天然氣動(dòng)力裝載車、空箱堆高機(jī)、移動(dòng)式起重機(jī)等起重機(jī)械，但是目前大多已經(jīng)改用柴油；部分港口應(yīng)用液化天然氣動(dòng)力集卡等裝卸搬運(yùn)機(jī)械，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明作業(yè)能耗高于燃油集卡，這與液化天然氣逃逸或泄漏密切相關(guān)，也證明了使用液化天然取代柴油難以有效減少溫室氣體排放。鑒于曾經(jīng)可以使用液化天然氣替代柴油的港口機(jī)械和港作船舶，目前均可以應(yīng)用具備商業(yè)和技術(shù)可行性的蓄電池電力取代柴油驅(qū)動(dòng)，后者更加有利于節(jié)能減排和保護(hù)環(huán)境，再推廣應(yīng)用液化天然氣動(dòng)力港口機(jī)械和港作拖輪已經(jīng)不合時(shí)宜。為此，建議“十四五”時(shí)期，不再推廣應(yīng)用液化天然氣動(dòng)力港口機(jī)械和港作拖輪，各地方仍然在推動(dòng)實(shí)施的港口機(jī)械或港作拖輪應(yīng)用液化天然氣行動(dòng)，仍可視為港口應(yīng)用新能源或者清潔能源的行動(dòng)；港口機(jī)械或港作拖輪使用液化天然氣動(dòng)力消耗的能源仍然視為清潔能源。棉紡行業(yè)電能替代潛力發(fā)掘棉紡行業(yè)現(xiàn)場調(diào)研情況能效評價(jià)與電能替代優(yōu)化實(shí)施項(xiàng)目棉紡行業(yè)能效評價(jià)分析及電能替代潛力挖掘系統(tǒng)針對棉紡行業(yè)設(shè)備作業(yè)進(jìn)行調(diào)研。2020年我國棉紡產(chǎn)量23.8億噸，占全球棉紡產(chǎn)量的50%以上，連續(xù)多年棉紡及熟料產(chǎn)品的產(chǎn)銷量位居世界首位。我國棉紡行業(yè)是二氧化碳排放重點(diǎn)行業(yè)，占全國二氧化碳排放10%以上。在碳達(dá)峰碳中和背景下，棉紡行業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)棉紡行業(yè)較早就開展了原燃料替代、節(jié)能降碳和行業(yè)自律等碳減排工作，對持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量做了較多努力，這對行業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展又是機(jī)遇，從而更好地適應(yīng)我國棉紡行業(yè)的發(fā)展，由此對棉紡集團(tuán)進(jìn)行調(diào)研內(nèi)容：隨著棉紡業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，生產(chǎn)棉紡的機(jī)械設(shè)備多且雜，記錄棉紡生產(chǎn)行業(yè)的現(xiàn)階段節(jié)能現(xiàn)狀。依據(jù)棉紡行業(yè)現(xiàn)狀提出基于目前棉紡集團(tuán)電能替代的可執(zhí)行路徑。機(jī)械設(shè)備經(jīng)濟(jì)性對比以及新技術(shù)應(yīng)用4.1生產(chǎn)工藝中的節(jié)能技術(shù)1.通過添加混合材料降低能耗。棉紡生產(chǎn)工藝中在原材料中加入添加劑，改善原材料的整體性能，提高熟料研磨效率，起到節(jié)約能耗的效果。如在棉紡原材料中加入冶煉生產(chǎn)的固體廢渣，以較低的成本來起到改善原材料性能的目標(biāo)。煉鐵或煉鋼生產(chǎn)中的固體廢渣本身是廢棄物，將這些固體廢棄物作為混合添加劑材料加入到棉紡生產(chǎn)原料中，是一種資源高效利用的方式，實(shí)現(xiàn)了變廢為寶，是一種節(jié)能環(huán)保的有效方式。2.在棉紡生產(chǎn)工藝中采用變頻技術(shù)。設(shè)備功率能耗是重要的節(jié)能管理部分。設(shè)備運(yùn)行時(shí)間長，生產(chǎn)設(shè)備功率部分空耗造成的能源浪費(fèi)是很大的。棉紡生產(chǎn)中用到的提升設(shè)備、風(fēng)機(jī)等可進(jìn)行變頻改造，通過在設(shè)備中應(yīng)用變頻技術(shù)，降低設(shè)備使用中的能耗，利用自動(dòng)化控制技術(shù)來提高棉紡生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行精準(zhǔn)度，節(jié)約能源。3.在棉紡生產(chǎn)中采用預(yù)磨粉技術(shù)。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝最初的流程是球磨機(jī)磨粉，由于進(jìn)入到球磨機(jī)的原料顆粒細(xì)度不同，因此磨粉效率較低，粗粉重新進(jìn)入到球磨機(jī)進(jìn)行二次磨粉，導(dǎo)致整體磨粉的效率低，能耗高。針對這種情況，在球磨機(jī)磨粉之前增加預(yù)磨粉步驟，增設(shè)料床粉磨設(shè)備，包括立磨、輥壓機(jī)、桶輥磨等多種設(shè)備，對原料中的大顆粒進(jìn)行預(yù)磨。通過增加預(yù)磨粉步驟使磨粉環(huán)節(jié)更好地區(qū)分了粗磨和細(xì)磨，為進(jìn)入到球磨機(jī)磨粉減輕了運(yùn)行負(fù)荷，有效降低能耗，而且在增加預(yù)磨粉步驟后能夠更好地控制磨粉指標(biāo)，為保障棉紡產(chǎn)品質(zhì)量奠定了前提條件。4.采用熱管技術(shù)。棉紡生產(chǎn)工藝中的排氣系統(tǒng)中采用熱管技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱量回收，節(jié)約能耗損失。應(yīng)用較多的是重力型熱管，外部是密封型的金屬管，內(nèi)部填充有水、丙酮、乙醇等介質(zhì)。重力型熱管下部熱量經(jīng)過外部的金屬管進(jìn)入到內(nèi)部填充介質(zhì)，熱管下部的液態(tài)介質(zhì)吸熱后溫度升高，當(dāng)達(dá)到揮發(fā)臨界溫度時(shí)蒸發(fā)沿著管上升。重力型熱管上部金屬管的外部有低溫冷源，用于吸收揮發(fā)介質(zhì)的熱量，使揮發(fā)介質(zhì)溫度降低，由蒸氣變成液滴，在重力作用下回到熱管下部，進(jìn)入到下一個(gè)循環(huán)過程。在管內(nèi)介質(zhì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，熱量被回收到低溫冷源中，有效減少了熱能損失。5.棉紡生產(chǎn)中燃燒技術(shù)優(yōu)化。燃燒技術(shù)的優(yōu)劣直接影響到燃燒效率，而且對能耗高低也密切相關(guān)。采用新型的燃燒技術(shù)是提高燃燒效率，減少能耗的重要途徑。如采用雙風(fēng)道燃燒裝置，內(nèi)部不再有傳統(tǒng)燃燒裝置的內(nèi)風(fēng)道，而是以旋流裝置取代傳統(tǒng)風(fēng)道，這樣就實(shí)現(xiàn)了更好地風(fēng)向和氧量調(diào)節(jié)，工作人員可以根據(jù)窯爐內(nèi)的燃燒情況對供風(fēng)情況進(jìn)行更高效率的調(diào)整。而且雙風(fēng)道燃燒裝置中采用了環(huán)形射流的方式，這樣的方式比傳統(tǒng)射流方式大大增加了射流厚度，能夠使磨粉和風(fēng)二次風(fēng)的混合速度更均勻，對于降低火焰峰值，提高棉紡產(chǎn)品質(zhì)量帶來積極影響。雙風(fēng)道燃燒裝置中不再有傳統(tǒng)多風(fēng)道燃燒裝置中的內(nèi)外風(fēng)調(diào)節(jié)閥門，可以減少閥門數(shù)量，節(jié)約風(fēng)機(jī)用電能耗?；鹧嫘螤畹恼{(diào)節(jié)可聽過齒輪箱上的指示裝置來獲取信息，工作人員可以通過傳動(dòng)箱手輪進(jìn)行合理調(diào)整，更直觀方便地對火焰形狀進(jìn)行調(diào)控，保證了燃燒效率。采用雙風(fēng)道燃燒裝置可以消除傳統(tǒng)多風(fēng)道燃燒裝置運(yùn)行過程中局部溫度過高的問題，雙風(fēng)道的風(fēng)量氧量更容易實(shí)現(xiàn)合理調(diào)節(jié)，火焰分布區(qū)域更加合理，在窯爐長時(shí)間運(yùn)行過程中不僅實(shí)現(xiàn)了較好的燃燒效率，而且避免了溫度過高導(dǎo)致的能耗損失。在棉紡生產(chǎn)燃燒技術(shù)中，還可以采用煤粉噴騰技術(shù)。該技術(shù)是對煤粉燃燒裝置進(jìn)行改進(jìn)，在燃燒器上安裝調(diào)節(jié)氣流裝置，促進(jìn)風(fēng)和煤粉的混合均勻度，提高風(fēng)和煤粉的混合效率，促進(jìn)煤粉燃燒更加充分。通過減少一次風(fēng)量，提高二次風(fēng)量，避免了傳統(tǒng)方式中煤粉混合不均勻，一次風(fēng)過大導(dǎo)致的煤粉落到低溫燃燒區(qū)域內(nèi)的情況。在不同煤種或煤質(zhì)混合燃燒的情況下，該技術(shù)可以使煤的燃燒效果得到有效改善。避免了煤粉不完全燃燒造成的能量損失，節(jié)約了能耗。6.循環(huán)水泵節(jié)能改造技術(shù)。針對目前棉紡廠流體介質(zhì)輸送存在“大流量、低效率、高能耗”的狀況，按最佳工況運(yùn)行原則，建立專業(yè)水力數(shù)學(xué)模型和參數(shù)采集標(biāo)準(zhǔn)，通過檢測復(fù)核當(dāng)前運(yùn)行的工況參數(shù)和設(shè)備型號(hào)參數(shù)，準(zhǔn)確判斷引起高能耗各種原因，準(zhǔn)確找到最佳工況點(diǎn)，并提出最佳匹配方案；然后通過整改不利因素，按最佳運(yùn)行工況參數(shù)定做“高效節(jié)能泵”替換目前處于不利工況、低效率運(yùn)行的水泵，消除了因系統(tǒng)配置不合理引起的高能耗，降低了因負(fù)荷較大變化引起的高能耗，達(dá)到最佳節(jié)能效果。4.2降低主要生產(chǎn)設(shè)備的能耗1.球磨機(jī)的電動(dòng)機(jī)能耗降低技術(shù)。在異步電動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)環(huán)節(jié)會(huì)導(dǎo)致較多的能耗損失。采用液體電阻啟動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)比異步電動(dòng)機(jī)能耗更低的效果。液體電阻啟動(dòng)器與異步電動(dòng)機(jī)的最大區(qū)別在于，異步電動(dòng)機(jī)是采用繞線方式，而且液體電阻啟動(dòng)器是采用了液體電阻的方式。將兩極之間的距離縮短，液體電阻變小，此時(shí)電機(jī)就可以在不受到?jīng)_擊的情況下進(jìn)行啟動(dòng)。由于液體電阻啟動(dòng)器的啟動(dòng)方式采用的是縮短兩極之間距離利用液體電阻變化的方式進(jìn)行啟動(dòng)，因此設(shè)備啟動(dòng)只需要很小部分的電流就可以實(shí)現(xiàn)，因此對電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性有益，不容易發(fā)生供電故障，即使是在連續(xù)啟動(dòng)的模式下，電網(wǎng)也不會(huì)受到較大的影響，是一種運(yùn)行安全穩(wěn)定，且節(jié)約能耗的技術(shù)。該節(jié)能技術(shù)操作和維護(hù)管理較為方便，應(yīng)用率較高。在繞線式電動(dòng)機(jī)的節(jié)能技術(shù)方面，主要是圍繞電機(jī)定子電流和定子電壓進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。通過靜止進(jìn)相器可作為補(bǔ)償設(shè)備來節(jié)約能耗。使T頻電源電流和繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流保持相同的頻率，對電機(jī)定子電流和定子電壓進(jìn)行調(diào)整。通過采用補(bǔ)償設(shè)備，能夠?qū)Χㄗ与娏骱投ㄗ与妷哼M(jìn)行改變，使電機(jī)運(yùn)行中的電流減小，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。同時(shí)在電機(jī)運(yùn)行的過程中，銅芯的磨損情況較為嚴(yán)重，對設(shè)備運(yùn)行成本帶來不利影響。采用補(bǔ)償設(shè)備后可以降低銅芯的磨損率，延長部件壽命，降低運(yùn)維成本。在棉紡生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)調(diào)整對于設(shè)備耗能多少密切相關(guān)。為了保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率提升，在設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷參數(shù)上進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免超負(fù)荷運(yùn)行和低負(fù)荷運(yùn)行，通過對設(shè)備裕興負(fù)荷參數(shù)的控制來確保棉紡生產(chǎn)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)減少設(shè)備低負(fù)荷運(yùn)行造成的能耗損失。2.智能型電動(dòng)機(jī)節(jié)電技術(shù)。在電動(dòng)機(jī)節(jié)能措施中，采用智能型的節(jié)電裝置是現(xiàn)代節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的重要方向。近年來在棉紡生產(chǎn)工藝匯總，越來越多的生產(chǎn)企業(yè)采用智能型電動(dòng)機(jī)節(jié)電裝置，幫助棉紡企業(yè)更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。如在棉紡生產(chǎn)工藝中在一些輕負(fù)荷和負(fù)荷波動(dòng)性較大的電機(jī)設(shè)備中采用節(jié)電裝置。節(jié)電裝置中采用了控制電流導(dǎo)通狀態(tài)的方式，同時(shí)利用自動(dòng)化控制技術(shù)對電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流以及電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行輸出功率進(jìn)行調(diào)控，使帶動(dòng)及能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)，能夠更加靈活地使用電動(dòng)機(jī)負(fù)荷波動(dòng)情況。智能型節(jié)點(diǎn)裝置中具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，可以對電機(jī)運(yùn)行的輸出功率進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，能夠?qū)€路中的脈沖諧波進(jìn)行過濾，使電機(jī)設(shè)備的電壓更加平穩(wěn)，減少了電壓大范圍波動(dòng)，使電源得到保護(hù)。3.風(fēng)機(jī)設(shè)備的能耗降低技術(shù)。在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)環(huán)節(jié)，采用液態(tài)電阻啟動(dòng)器可以避免風(fēng)機(jī)啟動(dòng)過程中電流超出額定范圍，通過控制電流在合理的范圍內(nèi)減少功率過大的情況，節(jié)約電能。采用液體電阻器或者頻率調(diào)節(jié)裝置對風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行合理控制。液體電阻啟動(dòng)器可采用具有手動(dòng)調(diào)節(jié)功能的類型，而不是只有自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)速度的靈活調(diào)整，滿足實(shí)際風(fēng)量調(diào)節(jié)需求。在實(shí)際的應(yīng)用中，常用的方式是兩種方式相結(jié)合的調(diào)節(jié)方式，在滿足生產(chǎn)需求的同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。對風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)來降低設(shè)備能耗也是一種途徑。在電機(jī)運(yùn)行過程中，不同區(qū)域有不同的感應(yīng)溫度，對溫度進(jìn)行感應(yīng)得到溫度的變化情況，然后根據(jù)溫度變化信息來對送風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，使風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量和風(fēng)力達(dá)到優(yōu)化區(qū)間，提高設(shè)備運(yùn)行效率。傳統(tǒng)的風(fēng)量調(diào)節(jié)主要是靠擋風(fēng)板以及防風(fēng)閥門來實(shí)現(xiàn)，而采用液體電阻器或頻率調(diào)節(jié)裝置來實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)具有很明顯的優(yōu)勢。通過準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)和控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在保證風(fēng)機(jī)風(fēng)量的基礎(chǔ)上，減少電機(jī)運(yùn)行消耗功率，使能耗進(jìn)一步降低。4.3電機(jī)電能替代潛力分析4.3.1電動(dòng)機(jī)節(jié)能市場要求電動(dòng)機(jī)能效水平主要指效率,能效的提高其意義主要是節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境,也可使用戶提高經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)1997年京都議定書,各國都要減少溫室氣體的排放量。歐盟在2008～2012年的年排放量要比1990年的降低8%,表2列出歐盟2010年異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能預(yù)測值。中國作為最大的發(fā)展中國家,也正在積極采取措施控制和減少溫室氣體排放量。4.3.2電動(dòng)機(jī)的電能替代潛力分析（1）作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源的電動(dòng)機(jī),主要有3種：交流三相異步電動(dòng)機(jī)、交流單相異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)。其中,三相異步電動(dòng)機(jī)的用電量占到總用量的80%～90%。而該類電動(dòng)機(jī)中大功率電動(dòng)機(jī)(37kW以上)所占數(shù)量比例很小,但單個(gè)用電量很大；小功率電動(dòng)機(jī)數(shù)量龐大,單個(gè)耗電量雖小,但總耗電量不在小數(shù)。根據(jù)現(xiàn)有資料對歐美國家用電統(tǒng)計(jì),大小功率兩類電動(dòng)機(jī)用電量各占1/2左右。而大功率電動(dòng)機(jī)因長期高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行,效能歷來受到重視,且效率也容易提高。另一類小功率電動(dòng)機(jī)因其本身特點(diǎn),效率很難提高,且過去我國電費(fèi)相對較低時(shí),電機(jī)生產(chǎn)廠家優(yōu)先考慮的是產(chǎn)品的價(jià)格,盡量提高電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的電磁負(fù)荷值,盡量選用性能低的材料以降低電機(jī)成本及價(jià)格,而不考慮用戶在使用過程中的經(jīng)濟(jì)效益,所以小功率電動(dòng)機(jī)的效率提高是節(jié)能的重要方向（2）我國經(jīng)濟(jì)正處于快速發(fā)展中,經(jīng)濟(jì)增長方式正逐步由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變,現(xiàn)有中小型電機(jī)廠3000余家,大部分技術(shù)力量相對滯后,由于市場競爭相當(dāng)激烈,各廠家首先追求的是價(jià)格上的優(yōu)勢,而對新產(chǎn)品新技術(shù)的研究與開發(fā)利用缺少支持,因此,優(yōu)先發(fā)展綠色產(chǎn)品和新的節(jié)能產(chǎn)品是市場發(fā)展方向。（3）電動(dòng)機(jī)作為一個(gè)市場產(chǎn)品,多數(shù)情況是中間產(chǎn)品。購買者大多數(shù)不是最終用戶,而是設(shè)備的制造商。其關(guān)心的除了電動(dòng)機(jī)的功率大小和壽命外,主要是價(jià)格,以求降低成本,獲得最大利潤,這也是高效率電動(dòng)機(jī)推廣的一個(gè)制約因素,這就需要相關(guān)政策的引導(dǎo)與完善。4.3.3三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)(指三相異步電動(dòng)機(jī),下同)能效標(biāo)準(zhǔn)牽涉內(nèi)容較多,包括：適用范圍、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)方法及效率指標(biāo)等,其中效率指標(biāo)是最主要的。最低能效限定值(即保證值)按照GB/T10321985標(biāo)準(zhǔn)中的損耗分析法確定,屬于強(qiáng)制性指標(biāo),規(guī)定電動(dòng)機(jī)應(yīng)采用額定電壓法進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn),不得采用低電壓負(fù)載法、圓圖法或等效電路法,通過效率測試求得額定輸出時(shí)的電動(dòng)機(jī)效率。電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)：（1）求取鐵損耗PFe和風(fēng)摩耗Pfw。按照GB/T1032-1985中6.1和6.2款規(guī)定進(jìn)行空載試驗(yàn)并計(jì)算PFe、Pfw。（2）求取定子銅損耗PCu1和轉(zhuǎn)子銅損耗PCu2。（3）額定輸出時(shí)的負(fù)載雜散損耗Ps=0.5%P1N式中：P1N對應(yīng)額定輸出時(shí)的輸入功率電動(dòng)機(jī)的效率總損耗∑P=PFe+Pfw+PCu1+PCu2+Ps電動(dòng)機(jī)的效率η=(1-∑P/P1)×100%通過以上試驗(yàn),得到電動(dòng)機(jī)額定輸出時(shí)效率值,該數(shù)據(jù)不得低于國家標(biāo)準(zhǔn)所限定的能效最低限定值。電動(dòng)機(jī)的節(jié)能評價(jià)值試驗(yàn)：節(jié)能評價(jià)值屬于推薦性要求,是對節(jié)能電動(dòng)機(jī)的考核要求,在效率值上比能效最低限定值提高2～3個(gè)百分點(diǎn),按GB18613-2002中的5.2款規(guī)定方法確定。節(jié)能電動(dòng)機(jī)既要考核效率,又要考核負(fù)載雜散損耗,要求兩項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)合在一起一次完成,為此要求進(jìn)行額定負(fù)載溫升試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)和空載試驗(yàn),以下列出各試驗(yàn)。（1）空載試驗(yàn)。通過空載試驗(yàn)測出電動(dòng)機(jī)的PFe和Pfw。電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的總損耗P0減去試驗(yàn)溫度下定子繞組銅損耗得P′0=PFe+Pfw,再作P′0=f(U20)關(guān)系曲線(U0為空載電壓),分離PFe和Pfw,求得相應(yīng)兩項(xiàng)數(shù)值。（2）負(fù)載試驗(yàn)。電動(dòng)機(jī)在額定電壓和額定頻率下進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn),采用直接法給電動(dòng)機(jī)加負(fù)載。在電動(dòng)機(jī)熱態(tài)下負(fù)載由最大開始逐步降低到最小,具體為額定負(fù)載的150%,125%,100%,75%,50%和25%共6個(gè)負(fù)載點(diǎn)處讀取輸入功率P1(W)、額定電壓U1(V)、線電流I1(A)、頻率f(Hz)、轉(zhuǎn)速n(r/min)、軸輸出轉(zhuǎn)矩T(Nm)、環(huán)境溫度及定子繞組溫度(或電阻)等讀數(shù)。（3）負(fù)載雜散損耗的測量。由于節(jié)能電動(dòng)機(jī),既要考核效率值,又要考核其負(fù)載雜散損耗值,故需要實(shí)測其負(fù)載雜散損耗,而不是用估計(jì)公式Ps=0.5%P1N計(jì)算。采用損耗分析的輸入/輸出法測定負(fù)載雜散損耗是一項(xiàng)比較復(fù)雜的試驗(yàn),電動(dòng)機(jī)通過額定負(fù)載溫升試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)和空載試驗(yàn)后；利用所