左林岳 朱嘉豪 趙 沂 周薛豹 趙 軍

上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院

0 引言

國(guó)家有關(guān)部門對(duì)高效電機(jī)節(jié)能系統(tǒng)的推廣要求是基于國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“先進(jìn)高效中小型三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)方案和能效標(biāo)準(zhǔn)研究”［1］。電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)用途廣泛，用電量大，其中，工業(yè)用氣中的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和壓縮空氣系統(tǒng)的耗電量超出了全國(guó)總用電量的20%，是“節(jié)能減排”工作的關(guān)鍵領(lǐng)域。進(jìn)入“十四五”后，節(jié)能工作進(jìn)入“深度節(jié)能”階段，從單個(gè)設(shè)備的節(jié)能擴(kuò)展到了系統(tǒng)節(jié)能，節(jié)能更加深入而細(xì)致，同時(shí)，各種先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)也亟須在各個(gè)領(lǐng)域中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 國(guó)際電機(jī)系統(tǒng)使用情況

根據(jù)國(guó)際能源署(International Energy Agency)的數(shù)據(jù)，電機(jī)用電量占全球總電力消耗45%，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的可靠性和能效會(huì)對(duì)世界各地的舒適、便利和環(huán)境及各種應(yīng)用產(chǎn)生影響［2］。

工業(yè)上的電機(jī)系統(tǒng)(EMDSS)的用電量占全球電力消耗的29%，工業(yè)電力消耗的69%［3］。每年電機(jī)系統(tǒng)消耗的能源花費(fèi)估計(jì)為3 620億美元。通過使用現(xiàn)有的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，工業(yè)企業(yè)管理決策支持系統(tǒng)（EMDSS）可以使用電效率有效提高20%～30%。這樣的改善有可能每年減少全球電力消耗3.2～4.8 EJ，削減770～1 100 tCO2的排放量，并且節(jié)省720億～1 080億美元的費(fèi)用［4］。

當(dāng)前運(yùn)行的電機(jī)系統(tǒng)中高效電機(jī)的市場(chǎng)占有率偏低，電機(jī)和拖動(dòng)設(shè)備效率較低。從國(guó)家惠民工程實(shí)施情況來看，我國(guó)高效電機(jī)的市場(chǎng)占有率已從實(shí)施前不足5%提高到25%左右，但高效電機(jī)的市場(chǎng)占有率仍然偏低［5］。

2 國(guó)內(nèi)外高效電機(jī)政策對(duì)比

2.1 國(guó)內(nèi)政策

我國(guó)從20 世紀(jì)90 年代開始，將電機(jī)作為重要的用能產(chǎn)品列入節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證。2002 年國(guó)家質(zhì)檢總局批準(zhǔn)發(fā)布第一版的GB 18613-2002《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值》，于2006年作了修改，2012年發(fā)布了第三版，2020年5月，我國(guó)批準(zhǔn)發(fā)布了新修訂的電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)GB 18613-2020《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》，該標(biāo)準(zhǔn)提高了三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值的要求，已于 2021 年 6 月開始實(shí)施。目前，GB 18613 對(duì)中小型三相異步電動(dòng)機(jī)效率規(guī)定了三個(gè)等級(jí)，分別是3級(jí)（能效限定值）、2級(jí)（目標(biāo)能效限定值）、1級(jí)（節(jié)能評(píng)價(jià)值）［6-7］。

我國(guó)電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比如表1 所示。目前的三級(jí)能效對(duì)應(yīng)IEC 標(biāo)準(zhǔn)的IE3 效率等級(jí)［8］；二級(jí)能效對(duì)應(yīng)IEC標(biāo)準(zhǔn)的IE4效率等級(jí)；一級(jí)能效對(duì)應(yīng)IEC 標(biāo)準(zhǔn)的IE5 效率等級(jí)，為最高能效值［9］。

表1 最新電動(dòng)機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

除電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)外，在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方面，我國(guó)還制定了高效節(jié)能電機(jī)產(chǎn)品、能效分級(jí)、節(jié)能改造、綠色制造等標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了高效節(jié)能電機(jī)設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、應(yīng)用、評(píng)價(jià)與認(rèn)證等各個(gè)環(huán)節(jié)，基本建立了電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系框架，主要包括設(shè)備能效標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能控制標(biāo)準(zhǔn)等。

2.2 國(guó)外政策

歐洲高效電機(jī)推廣政策。2010 年6 月11 日，歐盟分別發(fā)布了 M/470 和 M/476 指令，M/470 指令主要針對(duì)電機(jī)產(chǎn)品如何執(zhí)行IEC 60034-30能效分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而M/476指令則針對(duì)電機(jī)系統(tǒng)PDS的能效要求。由于IEC 也無電機(jī)系統(tǒng)能效標(biāo)準(zhǔn)，因此，2012年歐盟啟動(dòng)了項(xiàng)目23551號(hào)，著手進(jìn)行電機(jī)系統(tǒng)能效標(biāo)準(zhǔn)的制訂，標(biāo)準(zhǔn)完成后，IEC有意向?qū)⒅苯右谩?014 年歐盟發(fā)布了針對(duì)綜合布線系統(tǒng)（Premises Distribution System，PDS）的能效分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)EN 50598［10］。

從2011 年6 月16 日起，新的針對(duì)低壓電機(jī)的歐盟最低能效標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)開始生效。新法規(guī)涉及的功率 0.75～375 kW、50 Hz 和 60 Hz 的 2 極、4 極、6極交流電機(jī)。

第一階段(從2011年6月16日起)，新法規(guī)所涉及的電機(jī)在歐盟市場(chǎng)上出售時(shí)，都必須至少達(dá)到國(guó)際能效等級(jí)2級(jí)(IE2)標(biāo)準(zhǔn)。

第二階段(從2015 年1 月起實(shí)施)，要求輸出功率在 7.5～375 kW 的電機(jī)必須達(dá)到IE3 能效等級(jí)，或者在達(dá)到IE2等級(jí)的同時(shí)加裝變頻器。

第三階段(從2017 年1 月起實(shí)施)，涉及范圍擴(kuò)展到輸出功率0.75～375 kW 的電機(jī)，它們必須達(dá)到IE3 能效等級(jí)，或者在達(dá)到IE2 等級(jí)的同時(shí)加裝變頻器。

2013 年IEC/TC22/SC22G 成立工作組并與IEC/TC2 協(xié)調(diào)，共同推進(jìn)歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 50598 轉(zhuǎn)化為IEC 標(biāo)準(zhǔn)的工作，即IEC 61800-9-2PDS 系統(tǒng)的能效分級(jí)及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)［11］。

加拿大在1991 年由加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)與加拿大電機(jī)行業(yè)協(xié)會(huì)共同制訂了推薦性電機(jī)最低能效標(biāo)準(zhǔn)。1992年加拿大議會(huì)通過了能源效率法令(EEACT)，法案包括了電機(jī)的最低能效標(biāo)準(zhǔn)，其電機(jī)效率指標(biāo)和美國(guó)EPACT 指標(biāo)相同，該法案在2010 年作了一次修改。

澳大利亞于1999 年開始針對(duì)家用電器和工業(yè)設(shè)備實(shí)施強(qiáng)制性能效標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃(Mandatory energy efficiency performance standards)或稱 MEPS 計(jì)劃，由澳大利亞政府下屬溫室氣體辦公室和澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)管理，電機(jī)也在管理范圍內(nèi)。電機(jī)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)于2001 年10 月批準(zhǔn)生效，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為AS/NZS 1359.5［12］。澳洲和新西蘭生產(chǎn)和進(jìn)口的電機(jī)均需達(dá)到或超過此標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的最低效率指標(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)有2 種：一套為方法A 的指標(biāo)，對(duì)應(yīng)于美國(guó)IEEE 112-B 方法；另一套為B 方法的指標(biāo)，對(duì)應(yīng)于IEC 34-2，其指標(biāo)數(shù)值與歐盟EU-CEMEP 的Eff2 基本相同。該標(biāo)準(zhǔn)除規(guī)定了強(qiáng)制性的最低標(biāo)準(zhǔn)外，還規(guī)定了高效率電機(jī)指標(biāo)為推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并鼓勵(lì)用戶采用。其數(shù)值與歐盟EU-CEMEP相近。

因各國(guó)測(cè)試電機(jī)效率的方法有所差異，所以單純地比較效率值是不準(zhǔn)確的。即使是同一型號(hào)電機(jī)，由于評(píng)價(jià)方法不同，效率值也會(huì)產(chǎn)生差異［13］。因此采用了規(guī)定同一范圍的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。由此可以看出，我國(guó)高效電機(jī)的能效標(biāo)準(zhǔn)逐步與國(guó)際靠攏，但由于我國(guó)電機(jī)使用需求量大，高效電機(jī)的使用率小，導(dǎo)致即使有相似的標(biāo)準(zhǔn)，也無法達(dá)到預(yù)期的節(jié)能效果。

3 高效電機(jī)推廣建議

1）制訂更細(xì)化的電機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其中多種技術(shù)的耗能普遍很高，我國(guó)電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了總體的效率，導(dǎo)致多數(shù)企業(yè)為滿足節(jié)能需求，僅在單一技術(shù)方面進(jìn)行改造，其他環(huán)節(jié)管理較少，存在“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能就是更換高效電機(jī)或加變頻器”等誤區(qū)。應(yīng)當(dāng)將電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)到各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)中，可有效解決能源低效率利用的問題。“系統(tǒng)節(jié)能”和“提高運(yùn)行效率”，促進(jìn)電機(jī)運(yùn)行與生產(chǎn)工藝的緊密結(jié)合。

2）加強(qiáng)電機(jī)系統(tǒng)使用單位與第三方機(jī)構(gòu)的合作

鑒于多數(shù)企業(yè)缺乏對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能改造能力［14］，無法達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，為加快推行高效電機(jī)系統(tǒng)，建議從第三方包括設(shè)計(jì)、改造、運(yùn)行、管理等方面入手，分塊跟進(jìn)節(jié)能工作。以市場(chǎng)為導(dǎo)向，個(gè)性化設(shè)計(jì)改造電機(jī)系統(tǒng)，對(duì)癥下藥，針對(duì)不同類型的電機(jī)系統(tǒng)，給予獨(dú)特的運(yùn)行及管理方式。推動(dòng)形成高效電機(jī)及電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化和技術(shù)服務(wù)一體化的推廣鏈條。

3）加大補(bǔ)貼政策，加強(qiáng)政府強(qiáng)制性管理

政府應(yīng)鼓勵(lì)企業(yè)推進(jìn)高效電機(jī)的改造，安排必要的資金獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)已完成電機(jī)改造的企業(yè)給予額外的支持，并在后續(xù)的運(yùn)行及維護(hù)中持續(xù)跟蹤，提供保障。同時(shí)政府要加強(qiáng)對(duì)企業(yè)的管理，建立更嚴(yán)格的獎(jiǎng)懲制度，貫徹落實(shí)方案，給出企業(yè)電機(jī)改造完畢的最低時(shí)間限度，對(duì)超出規(guī)定時(shí)間及改造程度不達(dá)標(biāo)的企業(yè)給予相應(yīng)的處罰，并監(jiān)督其后續(xù)工作。

4）開展關(guān)鍵技術(shù)的研究

近幾年來，我國(guó)持續(xù)加大高效電機(jī)的研發(fā)投入，加強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，并已形成較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈［15］，但生產(chǎn)的電機(jī)多數(shù)為高能耗的普通電機(jī)。為此建議以研發(fā)稀土永磁同步電機(jī)［16］為例的高效電機(jī)（其在高速列車的牽引系統(tǒng)、塞拉門系統(tǒng)等系統(tǒng)上應(yīng)用），淘汰低效電機(jī)及電機(jī)系統(tǒng)。要把握住高效電機(jī)推廣的黃金時(shí)期，推動(dòng)節(jié)能減排，從源頭上帶動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)構(gòu)造升級(jí)。

4 總結(jié)

通過電機(jī)使用情況和國(guó)內(nèi)外高效電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，并根據(jù)國(guó)內(nèi)外的差距，提出了針對(duì)性建議：我國(guó)推廣高效電機(jī)的阻礙，在于無法將任務(wù)細(xì)分到指定部門，導(dǎo)致高效電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈中的企業(yè)之間無法形成良好的配合，只著重于電機(jī)本體的節(jié)能改造，忽略了系統(tǒng)中設(shè)計(jì)、融資等環(huán)節(jié)對(duì)推進(jìn)節(jié)能也有重要作用。建議將節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)細(xì)分，強(qiáng)化運(yùn)行、管理等部門節(jié)能改造工作，在政府的扶持下開展關(guān)鍵技術(shù)的研究，強(qiáng)化管理，加強(qiáng)監(jiān)督。