8 “变” 3 的节能魔术— 太钢携手西门子的一次时间观和方法论之旅

太钢四号烧结风机系统外景

问:8怎么变成3?答:竖着砍掉一半。这是脑筋急转弯的谜底,却不是太钢的答案,因为,铁胆雄心的太钢人显然要在节能的数字之变上制造一个更大的魔术。经过太钢和西门子的通力合作,变频器化身“魔术师”,成功将烧结风机中单个电机的耗电量从每小时8千度“变”为3千度。

面积超过600m 2的太钢4号烧结机,使用了两套西门子罗宾康高压变频器与高压电机。在这座大型不锈钢企业里,时间观被诠释为:节能、生产都是一种与时间的赛跑。时间与能效可以“魔术”置换的感受,尤为强烈。一台大变频一个小时就能节电5千度,两台大变频一天可节电24万度。如按自供电价0.4元/度计算,一年节约电费3000余万元,18个月就收回了设备成本,节能率可达40%,使得初始的设备投资转化为一次成功的战略性技术创新。1)

不锈钢巨子搭档节能伙伴

从神舟一号到神舟十号,每一次飞船升空,都有太钢不锈钢产品助力其中。从一角硬币到火箭卫星,从百姓餐桌到三峡大坝,太钢生产的不锈钢以其绝对优势占领了国内不锈钢市场近半壁江山。作为不锈钢熔炼的初始流程,烧结工序是关键所在。究竟采用哪种变频驱动方案,是一个重大的方向性选择。

当时准备上马的太钢4号烧结机,其规模当属世界最大。烧结面积越大,产量就越高,对风机的要求也越高,因此能源消耗巨大。根据太钢3号450m2 烧结机的实际工况,太钢计划在600m2 大型烧结风机中采用两台大变频,来控制高压电机的转速。尽管采用变频驱动风机能够大幅节能,且是大势所趋。然而如此大规模的应用并无先例可循,技术难度大,投资回报率未知,没有十分把握,谁也不敢贸然行事。

自从有了设计中国最大规模变频调速风机的想法,太钢炼铁厂电气部赵宏部长就时刻留意各种知识和信息。一天,在与国外专家交流时,赵部长获知风机的性能曲线,可以利用主气流的温度、压力以及流量来测算的消息后,如获至宝。“那正是太钢需要的曲线,有了这条曲线,风机的控制就更加精确了。”赵部长立马组织团队开始技术研究。

经过夜以继日的计算和评估,2008年赵部长团队提交了十几页的项目可行性报告,决定采用变频调速技术。这个方案前期投资大,但着眼长远,两年之内就可以收回全部投资。经过对先进技术的研究和严密推理,2009年4月太钢正式开启了变频节能之路。

太钢同时收获的还有可靠的节能伙伴。烧结车间敢于尝新,采用当今最先进的变频节能技术,这个过程西门子专家团队起到了不可或缺的作用。由于国内没有可以参考的项目,整体技术方案必须依靠太钢和西门子的通力配合,共同摸索。回忆当时的情景,赵部长坦诚的说:“在最终核算的几天里,晚上一直睡不着觉,这可是关系到超过5千万的投资,一旦误差过大,怎么向厂里交待!”

管理三步走,节能一大步

西门子的能源管理方法论基于三个步骤,识别、评估和实现。此前的时间观主要解决能效“怎么算”的问题,这里的方法论主要解决节能“怎么做”的问题。有了方法论的依托,太钢与西门子在节能合作上阔步向前。

第一步,充分识别和挖掘太钢隐藏的节能潜力。

能量流怎么识别呢?首先得给所有的设备能耗照张“X光片”,哪个设备能耗大,哪个能耗小,哪些能耗有用,哪些没用,都能看个一清二楚。只有掌握了较长时间段内,电能、水能、热能的消耗数据,才能进一步改造、优化。

西门子专家团队首先以未使用变频调速的3号450m2烧结机作为样本,记录车间和系统中的能源消耗。经过分析,烧结主抽风机的电耗一般占整个生产线的50%,而风量控制准确程度直接决定成品的质量、产量。

第二步,评估车间和系统在整个生命周期内的成本,计算出具体应用的节能潜力和可行措施的成本效益。

能量流透明了,确定了最大的能耗设备——烧结主抽风机之后,“评估”阶段着手计算具体的节能潜力,考量潜在措施的经济性,这是做出决策的关键一步。这个步骤就像全科医生拿着X光片和多种化验报告,进行病理分析,给出诊断结果的过程。

风机转动越快,送风量就越多,但是能耗也随之成倍增长。如果转速下降,能耗也会翻倍减少。经过反复论证,在同样产品、同样产量的条件下,变频调速等于时时刻刻都在节能,即使在整个烧结厂满负荷生产的情况下,保守估算节能率也将在35%以上。2)

第三步,采取有针对性的措施,将节能潜力变为现实,大约2/3的工业能源由驱动系统消耗,而将整个驱动系统的能耗,降低40-50%是十分具有操作性的。

凭借医生的诊断报告,接下来就是对症下药了,药品可靠、药力持久,病痛才能一扫而光。在考察了多种变频方案之后,太钢最终决定选用两台西门子罗宾康高压大功率变频器,输出电压为10KV。变频器采用水冷工艺,其内部采用去离子水循环冷却,外部采用工业冷却水二次冷却。与空冷型变频器相比,不需要额外的空调等冷却设备,变频器噪音低,受周围环境的影响小,变频室整洁、干净。此外,西门子罗宾康高压变频器还具备“飞车启动”功能,缩短了风机每次起、停接近50分钟的等待时间,从而大大节省了能耗和时间成本。

点检员程海峰在向回访的西门子服务工程师介绍变频器工作状态

将能效与时效划上等号

当风机在变频工况下顺利启动的那一刻,看到现场的有功功率仅为3000KW,远低于不使用变频器的8000KW,赵部长团队那颗悬着的心才真正踏实。数据验证前期测算非常准确,在变频工况下工作,电机启动电流小、转速低、振动小,风量调节平稳,潜在的附加经济效益不可限量。

程海峰是太钢炼铁厂电气作业区的点检员,他也是在4号烧结机唯一从事巡检工作的工程师,平常电气室内无人值守,只有另一名同事在中控室监控。每天早上9点他准时到4烧变频室巡视一圈,检查有无异常情况,已经接近4年。

迈入变频室的大门,比想象得更为安静和清爽。程工的喜悦溢于言表:“使用水冷大变频,噪音小,没有风冷的粉尘污染。同事们的工作量有所减轻,工作环境也有所改善,不用像3烧那样频繁的操作风门挡板。90%的现场数据在中控室就可以直观显示,维护量小,运行稳定。”

“水冷变频作为大型烧结风机的系统驱动,在大型钢厂是首次应用,吸引了多家企业前来太钢取经。看到我们的有功功率和变频器水冷温度,同行都非常赞叹。”赵部长指着变频室的人机界面说,“能效与时效本质相同,只是很少有人意识到而已。”

4号烧结机的节能故事只是能源管理的一个缩影。它的意义在于,其实每一件事几乎都有昂贵的和便宜的解决方法,但是经济性的事实却往往被“迷雾”遮盖。只有评估整个产品生命周期的能效,才能做出正确的决策。

能源对于重型工业来说,是巨大的费用因素。根据德国联邦统计局2008年的数据显示,能耗在德国各个行业整个生命周期的成本中占据很高比例,如铝业的能耗占57% ,水泥占47%,钢铁占36%,制浆造纸占29%,基础化工占27%。对于电气传动系统,能源消耗至少占到生命周期成本的80%。

在太钢构建资源节约型企业过程中,通过使用西门子变频驱动解决方案、全集成自动化、奥钢联先进的钢铁工艺等,保障产量年年增长,耗能却逐年递减。太钢总经理高祥明先生谈到:“2011年与2005年相比,太钢吨钢综合能耗下降22.9%;吨钢新水消耗下降91%;二次能源年回收占总能耗的45%以上,达到行业领先水平。”

这就是太钢与西门子共同制造的奇幻魔术。在一连串数字的背后,真实可感的是能耗的减少和环境的改善。铁水奔流,风云静好。现在的太钢厂区,金属质感的厂房间点缀着绿树碧草,成为一座名副其实的现代化花园式工厂。

西门子正在努力帮助千百个像太钢这样的企业,实践绿色工业。西门子(中国)有限公司执行副总裁,西门子东北亚区工业业务领域总裁吴和乐博士说:“除了需要在设备层面有节能的风范,比如高效电机、变频器等,要把眼光放远,跨越产品设计、生产规划、生产工程、生产实施以及服务的整个生命周期,实现节能。”西门子的节能产品与解决方案、能源管理咨询、节能改造服务,合同能源管理以及融资租赁服务,将工业企业的节能梦想变为现实。

现代化花园式工厂——太钢

由8变3,是一个开端,也是一个宣言。站在创新科技的舞台,太钢与西门子将携手合作、迎风而立,继续施展将能效数字由腐朽变神奇的魔术,创造钢铁未来的科技感性时代!

1)所节省的电能是在特定的条件下得到的。烧结风机在投产前几年一般都达不到满产,因此,给采用变频调速实现节能提供了空间。尤其是在经济大环境对冶金行业产生巨大影响的情况下,降低产能时能同时降低生产成本尤其重要。

2)通常来讲,满负荷运转指的是额定转速下运转,变频调速起不到节能的作用,变频器本身也有损耗。只有当选用的风机有一定的裕度,满负荷运转  ≠  额定转速运转时,例如:90%转速时风机的风量等于系统设计要求的满负荷风量时,变频调速可实现节能27.1%。而太钢烧结风机的裕度超过10%。