工業、建筑業和交通運輸業是我國能源消耗的三個主要領域。溫家寶總理在今年的政府工作報告中明確要求“毫不松懈地加強節能減排和生態環保工作，突出抓好工業、交通、建筑三大領域節能。” 在這三大節能領域中，工業節能是重中之重。就全國來說，工業能耗占總能耗的70%左右。在吉林省，由于重化工業所占比例較大，而重化工業的耗能遠遠高于其他工業，所以工業能耗占總能耗的比例高于全國的平均數，2000年以來，僅全省規模以上的工業企業能耗就占到了總能耗的70%以上。我省的高耗能行業包括電力、鋼鐵、化工、石化、建材等，這些行業既是節能的重點所在，又是節能的最大潛力所在。 　　長春工業大學開展節能技術研發已有十余年。2006年創建了長春工業大學節能技術研發中心，2007年被省科技廳批準為吉林省工業節能科技創新中心。中心設有四個研究室，分別為電力節能技術研究室、過程控制節能研究室、冶煉節能工藝研究室和能耗監測與系統優化研究室。下面介紹中心近幾年開展工業節能技術研發與應用的情況。 一、面向重點耗能企業開展節能技術研發與應用 　　我們按照“針對高耗能行業開展節能研究，選擇高耗能企業開發節能技術”的指導思想，致力于冶金、化工、油田、電力行業的節能技術研發，先后與中鋼集團吉林鐵合金股份有限公司、鞍鋼集團礦業公司、通化鋼鐵集團、吉化公司、吉林油田等大型高耗能企業開展合作，取得了一批研究成果，獲得了明顯的節能效益。 　　1.吉林鐵合金氬氧精煉過程節能減排應用研究 　　中鋼集團吉林鐵合金股份有限公司是我省的耗電大戶，用電成本占生產成本大約40%，實現企業的節能降耗，無論對全省的節能工作，還是對企業自身的運行效益，都意義重大。我們與吉林鐵合金公司已有多年的合作經歷，從2007年開始合作承擔科技部科技支撐計劃項目“冶金企業氬氧精煉鐵合金工藝及其綜合節能系統的研究與實現 ”，項目總投資8033萬元，其中科技部投入2024萬元，企業投入6009萬元，目前已取得階段性成果。本項目以冶金企業節能減排為研究目標，以中鋼集團吉林鐵合金股份有限公司的生產過程為具體研究對象，以氬氧精煉法節能降耗工藝技術應用研究為主體，與鐵合金電爐綜合節能控制技術應用研究、多尺度節能技術在空分裝置中的應用研究和冶煉過程能耗監測與能耗系統優化相集成，創建高碳素鐵水直接生產中低碳鉻（錳）鐵的新工藝，揭示鐵水光譜與鐵水含碳量的關系，研究冶煉終點控制技術，由此構建鐵合金企業生產過程綜合節能控制系統，開創氬氧精煉鐵合金節能工藝產業化生產的先例。 　　下圖為鐵合金氬氧精煉鐵合金工藝及其綜合節能系統 　　鐵合金電爐生產的液態高碳鉻鐵（或高碳錳鐵）直接兌入 AOD爐，吹入不同比例的氧、氮和氬的混合氣體，進行脫碳和精煉操作，生產中低碳鉻鐵和中低碳錳鐵。電爐的生產狀態直接影響到氬氧精煉過程，所以需要對電爐實施節能控制;在氬氧精煉過程中，需要大量的氧氣、氮氣和氬氣，所以需要加大空分裝置的輸出能力，從而對空分裝置的節能與優化控制提出了迫切要求;為了實現上述過程的節能控制，需要能耗信息的采集、分析、預測和能量流向與配置的優化，既保證能源供需平衡，又能夠做到節能降耗。所以，本項目是對鐵合金生產過程的集成節能控制。 　　本項目中的 “氬氧精煉（AOD）法節能降耗工藝技術的應用研究”課題，采用基于AOD法由高碳素鐵水直接生產中低碳鉻（錳）鐵的節能流程工藝，以氧代電，以連續流程的兩步法取代電硅熱法（三步法），再配有多個過程參數優化的計算機控制，因而節能效果明顯。 　　課題的主要技術指標：通過氬氧精煉鐵合金工藝技術的研究，使中低碳鉻鐵單產電耗 3600kwh/噸，排渣量 1.5噸，比現行的電硅熱法冶煉中低碳鉻鐵工藝節電15%以上，減少排渣量40%;中低碳錳鐵單產電耗 3400kwh/噸，排渣量 1.3噸，比現行的電硅熱法冶煉中低碳錳鐵工藝節電30%以上,減少排渣量30%。 　　僅以吉林鐵合金股份有限公司年產10萬噸中低碳鉻鐵和5萬噸中低碳錳鐵計算，每年可節電20280萬kwh，如果按照0.5元/kwh電費計算，則僅此一項每年就可節省人民幣1.014億元，同時全年減少排渣量12.35萬噸。 　　2.吉林鐵合金電爐綜合節能控制技術應用研究 　　電爐是吉林鐵合金公司的主要生產和耗電設備。本課題采用短網補償技術、有源濾波調制技術、中心重合控制技術以及變頻調節功率匹配技術來減少從電爐供電變壓器到電爐冶煉多個環節的電能損耗，通過切實減少回網諧波、提高功率因數、優化熔煉過程的熱梯度場、降低回路損耗、改善輔助電氣設備的運行工礦，提高電爐整體效率等綜合節能措施，既節約大量的電能，又提高產量，按年產量30萬噸，這一課題可節電3576萬kwh，可為企業創造效益1788萬元。 　　主要技術指標：通過諧波抑制和短網補償技術，使電爐供電功率因數由目前的0.75提高到0.9以上，高碳素鐵水單產電耗 3000kwh/噸，電爐單產可節電100kwh/噸。 　　3.吉林油田電能遠程計量及控制系統開發應用 　　該項目以加強油田用電管理，降低電耗為目標，對吉林油田分布在1980平方公里區內的九個分廠的6——-10kv的106個點實施遠程采集計量與電耗統計、分析及優化管理。首次在吉林油田大規模采用CDMA數據采集組網方式，采用公網固定IP方式，數據終端通過無線虛擬專用網絡與具有固定IP地址的網絡數據中心建立數據通道。在主控中心設置中心數據庫服務器，中心站應用軟件通過CDMA網絡采集106個高壓計量點的數據，并將保存到中心數據庫。整個系統具有1個總站和9個子站，每個子站做為系統的應用終端，可以實現分級電能管理，可以進行實時抄表，可以對電壓、電流、功率因素等運行參數進行實時監測，可以查看各種信息的記錄、存儲、自診斷和異常信息報警記錄，可以查看按照年、月、日統計的各信號采集點及全廠乃至公司的用電量。 　　該項目一期工程已完成，已經實現了吉林油田分公司的電能計量裝置的完善和更新，解決了公司電能計量裝置落后的現實問題，可以按照電量指標標準要求考核基層站隊。通過106個信息采集點和已經并入系統中的600余個非信息采集點的數據錄入，真正的實現了計量到隊，促進節電工作的開展，每年節電350萬度，被吉林省經濟委員會確定為吉林省產業技術開發產學研聯合項目。 　　4.鞍鋼集團礦業公司大選廠能源信息管理系統 　　該課題結合我們承擔的吉林省科技廳“綜合節能技術與產品的開發研究”項目，通過對企業的能耗實時計量和智能化網絡監控，可及時了解冶煉過程能源系統運行狀態，不僅可以解決跑、冒、滴、漏等能源浪費問題，而且通過建立冶煉過程能耗關系模型，實現冶煉過程能耗的分析、預測，優化冶煉過程能量資源流向，合理調節能量分配，達到冶煉過程能源供需平衡和節能降耗的目的。 　　（1）根據企業生產工藝，在保證生產工藝要求和測量精度的前提下，完成了現場能源計量儀表的智能改造。開發了蒸汽熱能表，使其具有壓力及熱焓值補償功能，熱量計量范圍0～999999，具有RS-485通訊功能，波特率2400，4800，9600可選，單臺成本低于2500元，功耗降低10%。通過對現場主要能源計量儀表的數字化改造及能源數據的檢測、轉換和傳輸方法研究，提高了計量儀表的測量精度，降低了儀表的功耗，減少了設備成本，提高了系統的抗干擾能力，實現了現場信號的智能集成，為冶金企業能源信息管理系統的實現打下了基礎。 　　（2）深入進行了冶金行業節能理論和算法的研究，建立了生產過程的能耗分析、預測及能量平衡與系統優化模型，為能源管理系統的實現奠定了理論基礎。采用計算機及網絡技術，構建了企業能源數據自動采集網絡，實現了現場能源數據的實時采集、遠程傳輸、數據存儲及智能分析與處理，結合神經網絡、遺傳算法等理論與方法，根據企業歷史運行實績、生產實績、能源計劃、生產計劃等數據進行能耗的計算分析，建立了冶金生產過程的能耗分析與預測模型，進行能源供需計劃與實績分析，工序能源消耗指標的分析與預測及主要能源技術經濟指標的分析與預測，開展了能量平衡及系統優化方法的研究，促進了企業信息化管理水平的提高和節能降耗目標的實現。 　　（3）根據冶金企業的生產實際，完成了能源管理系統的設計。鞍鋼礦業公司大選廠是耗能大戶，且能源計量點多、面廣，涉及的能源介質種類繁多，能源輸送管網錯綜復雜，由于缺乏統一的能源數據計量及平衡系統，無法滿足企業生產、管理及時性的要求，也不利于能源的平衡管理。 　　本課題設計的能源數據自動采集管理系統采用先進、成熟的技術和設備建立起能源數據自動采集網絡，實現現場能源數據的實時采集與遠程傳輸，在中心機房實現采集數據集中存儲、數據處理與統計、實時數據庫與關系數據庫轉換，并將處理后的數據，以WEB頁的方式供相關職能部門訪問。實現的主要功能包括： 　　①直觀靈活地顯示工藝流程，對能源介質生產、使用情況實時監測; 　　②方便地進行歷史數據、實時數據查詢，顯示各種數據量實時、歷史趨勢曲線; 　　③完善的報表功能，單位能耗、綜合能耗、能源計量統計、日報表、月報表自動生成、打印等; 　　④可實現能耗預測分析、能量平衡、設備對比、故障診斷等功能 　　⑤實時數據庫與Oracle數據庫轉換，為ERP提供數據支撐。 　　本課題2007年獲鞍鋼集團科技進步二等獎。以此課題為基礎，“綜合節能技術與產品的開發研究”項目通過吉林省科技廳鑒定。 　　5.吉化公司空分裝置綜合節能技術研究及其DCS系統實現 　　本課題目前正在中國石油吉化公司開展研究。以吉化公司的空分裝置為研究對象，通過優化和穩定工作參數，可節電5%～10%;通過對空壓機的同步電動機勵磁優化控制，可節電10%～15%;通過濕式空氣濾清器按阻力間歇節能控制技術，可節電30%;通過空分裝置預冷系統節能控制技術，可節電20%～30%;綜合以上各項保守估算，總體電耗可降低10%。 　　主要技術指標：通過空壓機同步勵磁控制技術、濾清器按阻力控制技術及多尺度節能技術等綜合節能技術的研究，使空分裝置單產電耗由0.68kwh/m3降至0.61kwh/m3 。這些空分裝置總產量36000m3/h，年總耗電21000萬kwh，折合人民幣1.071億元，按節電10%計算，可節約成本1071萬元。 二、電力節能技術的研發與應用 　　1.電爐諧波吸收及功率因數補償綜合裝置的研究與實現 　　本題目針對吉林鐵合金10T礦熱爐工況變化的隨機性，電極最佳放電位置的難確定性，塊狀物料的不平整性，三相放電負荷的頻繁波動性等因素的影響，使短網出現電流畸變、三相電壓不平衡、功率因數降低，線路損耗增加等諸多問題，采用短網諧波及無功電流的檢測與自適應控制、以及SVC三相無功補償分相控制技術，設計完成了電爐諧波吸收及功率因數補償綜合裝置，初步試驗已經達到了功率因數為0.9的理想性能。 　　2.城市路網照明智能調光控制器的研究 　　通過對熒光類照明負載的伏安特性進行分析，提煉出光通量、效率與所加電壓和變化頻率的關系，分解出高頻恒壓起輝、線性節能調光、穩壓照明的三個控制區域，并采用線性化處理技術和電壓補償的方法，相應推導出各區域的控制數學模型，并基于各區段的模型分別采用恒壓高頻調制控制;采用PWM變壓變頻控制和電壓補償的技術方法，融合微機控制技術，構成了分段式的發光量智能化閉環調節系統，有效實現了高速起輝、調光節能、PWM調制抑制諧波、補償穩壓等控制性能。此項研究成果已獲得《大型熒光燈調光控制器》國家專利。 　　3.破碎工序供電變壓器無功補償控制技術的研究 　　這是我們與鞍鋼集團礦業公司球團廠合作的在研課題。基于該廠破碎變電站所帶沖擊性感性負載的特點，以及在兩段低壓母線上頻繁出現電流諧波、相間電壓不平衡和功率因數偏低等現象，采用傳感器檢測技術、數據處理技術進行電能品質的分析和研究;建立無功功率、無功損耗和補償電容之間以及指定諧波、浪涌電流和串聯電抗器之間的函數關系，并確定出滿負荷工作狀態下的最大無功需求量;采用無功補償和電力電子變換技術以及現代控制理論方法，設計分段式并聯電容補償結構方式，并研究和提出以母線瞬時功率因數為輸入、可控硅觸發脈沖為輸出的最佳切換控制策略;最終研發一套智能控制的無功補償裝置，實現無功的就地補償，提高母線網絡的功率因數，減少電能損耗和對上級電網品質的影響。 　　4.10KV電力設備電氣實驗臺 　　我們與長春譽華自動化技術研究所合作，為吉林省電力局開發了10KV電力變壓器性能綜合實驗平臺，實現了電力變壓器的參數測定、損耗分析及自動投合控制等技術問題，為變壓器產品的生產、能耗指標的降低和綜合性能檢測提供了實驗平臺。 　　5.高效電力變換電路設計方法的研究 　　基于分析橋式整流電路輸入電流的特點，采用二極管、電容、電感等不可控元件組成多級電容式非線性阻抗變換電路，多級電感式非線性阻抗變換電路，依據電壓的變化規律來改變電路聯接形式及阻抗值來對整流環節輸入電流的畸變進行控制。使輸入功率因數提高到98%，諧波減少5%，研究成果已申報《高效電容型非線性阻抗變換整流電路》國家專利。 三、典型設備節能技術的研發與應用 　　1.燃油（燃氣）鍋爐節能控制系統 　　研發的0.5t—4t燃油（燃氣）鍋爐控制系統，采用意大利 Baltur（百得）燃燒器,通過調整伸進爐膛內燃燒頭長度 , 保證火焰在鍋爐的最佳位置燃燒，提高鍋爐熱效率達到85%以上，降低排煙溫度至攝氏120度以下，燃燒控制器一體聯接，可手、自動軟切換操作，具有熄火保護、漸進兩級式自動控制、爐膛自動吹掃及防水防爆等功能，因其上述功能和比同類產品可節約20%能源的優異性能，在第三屆亞洲冬季運動會場館建設招標中一舉中標。 　　本控制系統的漸進兩級式燃燒器能運行在兩種不同熱功率水平，藉助于專門的傳感器在一定的時間間隔內從一種熱功率轉換到另一種熱功率，該時間間隔使伺服電動機控制熱功率從最小轉換到最大（反之亦然）所需要的。根據鍋爐的特定要求能在整個運行范圍內（從最小到最大 ）極其精確的調節空氣/燃料比。 　　系統設置了兩種調節器：（1）比例調節燃燒器用于因鍋爐負荷經常波動的特殊要求下熱功率必須不斷變化的場合，這種運行方式通過裝配帶自動熱功調節器（RWF40）的DSPG（漸進兩級）而實現，后者藉助傳感器（溫度或壓力）和現場匹配器（裝在 RWF32調節器中）控制調節伺服電動機達到增加或減少熱功率輸出的目的。（2）RWF40PID調節器，其調節設定值通過移動裝在燃燒器上的RWF40的調節指針而調整。 　　應用單位：哈爾濱亞布力滑雪場、長春格林夢水鄉 　　2.燃煤鍋爐節能控制系統 　　對長春工業大學一臺20噸采暖鍋爐實施節能改造。系統采用PLC閉環控制來完成，通過系統初始設定值以及實時反饋值來控制變頻器輸出頻率。PLC通過程序來順序起動引風機和鼓風機，將風門開度打開為100%，通過氧化鋯傳感器和負壓傳感器的反饋值和以及系統的給定值，由PLC內部的PID算法計算出最佳狀態，通過調節變頻器的輸出頻率從而輸出相應的頻率電壓來調節鼓風機和引風機的轉速，進而調節鼓風量和引風量，使爐膛負壓和氧含量都能達到合適值。其中爐膛負壓的調節引入了鼓風量做為前饋信號，從而使鍋爐時刻保持在最佳狀態下運行。 　　20t鍋爐燃燒系統投運后，經過一年多的穩定、安全運行，不僅能夠滿足用戶的供熱要求，而且大大提高了鍋爐的熱效率，節省了大量的電能和燃煤量，節能效果顯著。該系統與原有的系統年耗電量和年單位耗煤量如表1所示： 　　表1 系統運行效果 　　由上表可以看到系統的節能效果相當可觀：每個采暖期可節電154950Kwh，節電率達到49%，可節省電費123960元（每度電0.8元）;每個采暖期單位燃煤可節省54噸，節省資金22680元（每噸煤420元），節能效果非常顯著。 　　3.多效蒸餾水機微機控制系統 　　以能耗指標最低為約束條件，優化工藝參數，構建熱源（蒸汽溫度和壓力）、真空度與稀物料沸點之間的關系及其數學模型，集成多效理論、熱泵技術和低溫蒸發工藝，實現蒸餾裝置的更新換代。具體研究工作有： 　　（1）負壓低溫蒸發新型節能工藝及其控制技術在蒸餾裝置中的應用研究。 　　沸點溫度和真空度有關，真空度越高，沸點溫度越低。項目采用負壓技術降低原料水沸點，達到低溫加熱低溫蒸發的目的。通過實驗研究建立熱源（蒸汽溫度和壓力）、真空度與稀物料沸點之間的關系及其數學模型;以能耗指標最低為約束條件，優化最佳工藝參數和最佳工況點，為實現節能運行控制提供理論支持。 　　（2）多效蒸餾工藝及滑模變結構控制技術在蒸餾裝置中的應用研究。 　　依據多效蒸餾理論，為使二次蒸汽反復利用，使熱能得到充分發揮，設計各效蒸發器的耦合結構。針對熱交換過程的非線性、時變性和各效之間強耦合的特點，設計滑模變結構控制器，使系統參數發生變化時具有較強的魯棒性。 　　（3）主蒸汽能量循環再利用的熱泵技術在蒸餾裝置中的應用研究。 　　當蒸發在較低的溫度和壓強下進行時，采用熱力壓縮需要在一效蒸發器蒸汽進口和一效分離器二次蒸汽出口處設計一個引射器，把二次蒸汽的壓力提高，從而有效地提高熱能利用的經濟性。根據研究內容 1中確立的最佳工況點來計算、設計引射器的主要參數，包括噴嘴尺寸、混合室尺寸及擴壓器出口的截面，進而形成各種型號蒸發器的設計方法。 　　（4）基于蒸發冷凝過程的DCS控制系統研究與實現。 　　針對各效蒸發冷凝過程，采用多傳感器信息融合技術，利用各效溫度、液位、壓力、流量和電導率傳感器的信息，根據研究內容 1中建立的數學模型，在軟測量技術基礎上，確定最佳工況點。集成多效蒸餾理論、負壓低溫蒸發工藝和熱泵技術，研制一種低能耗的新型蒸餾裝置及其集散控制系統。 　　針對單產6500Kg/h的雙效蒸發器，通過采用低溫蒸發節能工藝技術，可實現下述經濟指標： 　　（1）主蒸汽壓力為0.5Mpa時消耗小于1924Kg/h，比現有雙效蒸發器節約32%，相當于年節約標準煤2000噸; 　　（2）當冷卻水進、出水溫度分別為25℃和35℃時，比現有蒸發器節約43%，相當于年節約水12萬噸。 　　應用單位：哈爾濱制藥六廠、北京神威藥業 　　4.變頻調速恒壓供水系統 　　采用日本山肯變頻器、歐姆龍PLC、軟啟動器、供水基板和水泵機組等器件的有機結合，來實現供水量和用水量的統一。系統主要特點有： 　　（1）節能，因為采用了變頻調速技術，可以實現供水量和用水量的統一，進而比氣壓供水設備可以實現節電20%-40%。 　　（2）占地面積小，避免了水質二次污染。因為定壓控制，可以取消上位水箱，這即避免了水質二次污染，也使同容量設備節省占地面積50%。 　　（3）由于設置了軟起和軟停功能，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。 　　（4）供水可靠性提高，由于采用了組合泵（可以降低空載損耗）和一次管網混聯的管網結構，保證了供水系統在單臺泵故障或維修退出運行時，仍然能保證不間斷供水。即使在系統停電或全部故障時也能夠保證低層用戶的供水。 　　應用單位：吉林新聞出版社、中糧大廈