从大多数国家的能源消费结构来看，工业耗能在总能源消费中占有很大的比例，如工业耗能占美国总能源消费的三分之一以上，而中国全社会能耗的70%集中在钢铁、有色金属、火电、建材、化工、煤炭、造纸、纺织等领域，因此，工业节能成为各国节能战略的重点，也是节能产业潜力*大的领域。本系列中，我们将选择电力、冶金、化工等主要耗能的工业领域对其节能动态进行阐述。
 
    过去30年来，全球的电力生产的规模扩大了两倍，国际能源机构（IEA）预计在未来的30年间全球电力生产将进一步翻番。尤其是在发展中国家，电力生产增长的速度更快，其中包括中国在内的亚太地区，电力生产将显著加快。从电力生产的结构来看，全球的火力发电仍然占一半左右，其中以燃煤发电为主，即便是到2030年燃煤发电仍将占40%（图1）。

    图1  全球电力生产中各种燃料所占比例

    资料来源：World Energy Outlook（2004）“中国电力工业能效问题分析”（图例依次是：煤、石油、天然气、核能、水电、生物和垃圾发电，以及其他可再生能源）
 
    就中国大陆地区而言，2005年电力生产总量24747亿千瓦时，其中火力发电20180亿千瓦时，所占比重达81.5%；2005年电力工业消耗煤炭约11亿吨，耗煤比重占中国煤炭产量21.9亿吨的50%以上。因此，燃煤发电在中国电力生产中占**主导地位，但是燃煤发电企业的煤耗、厂用电率等能效问题以及电网的线损问题直接影响到中国电力工���的能效。从表1可以看出中国与其他国家的差距，中国电力工业的平均供电煤耗与1999年世界先进水平相差约50g/kWh，平均厂用电率与1999年世界先进水平相差约2%，电网综合线损率比2004年世界先进水平高约4%。

表1  不同国家电力工业能源消耗对比

资料来源：根据张安华（2006）“中国电力工业能效问题分析”数据编制。

    从近年来电力生产技术发达国家的情况来看，电力工业节能和提高能效的措施涉及电力生产的全过程，包括锅炉燃烧优化控制系统的研发与应用、超临界和超超临界机组的应用、分布式热电联产和冷热电联产能源系统的应用、对输配电实施的改进，以及电力需求侧管理（DSM）等。

    燃煤优化控制系统

    电站锅炉燃烧是个复杂的物理化学过程，任何与燃烧相关参数的检测、与燃烧相关设备的改造，都可以称为燃烧优化，包括DCS控制逻辑的优化、控制模型的设计。目前很多电厂**的燃烧优化技术是在DCS的基础上，通过采用先进的控制逻辑、控制算法或人工智能技术，实现锅炉的燃烧优化。这类类技术不需要对锅炉设备进行任何改造，能够充分利用锅炉的运行数据，在DCS控制的基础上，通过先进建模、优化、控制技术的应用，直接提高锅炉运行效率，降低氮氧化物排放，具有投资少、风险小、效果明显的优点，因此，成为很多电厂**的燃烧优化技术。这方面的燃煤优化系统包括：
 
    1. Ultramax系统

    美国俄亥俄州Ultramax公司开发的Ultramax系统又称为先进过程管理系统，是一个对生产操作进行日常管理的系统，能应用于各种生产过程，包括在电厂燃烧优化方面的应用。Ultramax燃烧优化系统是将一系列代表锅炉燃烧工况的参数，比如烟气氧量、排烟温度、烟气排放物等，作为系统的输入数据，当系统取得这些样本数据后，建立锅炉燃烧特性模型，并经过软件分析，给运行人员一个优化燃烧的操作指导，运行人员根据这些操作指导进行手动操作，或将操作指导纳入到自动控制系统中进行优化调整。1995年，Ultramax系统就在美国德克萨斯州弗农市的奥克拉联合发电厂666MW的一号机组上进行了开环测试，当时*多能减少18%的氮氧化物排放，同时飞灰含碳量降低85%。到2005年，全球已经有30多个电厂运用了此系统，其中包括中国邹县电厂。
 
    2. Pegasus公司的燃烧优化技术：NeuSIGHT系统及Power Perfecter系统
NeuSIGHT系统为美国Pegasus公司应用人工智能神经网络技术设计的燃煤电厂燃烧优化控制系统，其主要功能是以提高锅炉热效率和降低氮氧化物排放为目标的稳态优化。　　NeuSIGHT系统在美国市场的占有率为40%。对于没有排放控制的电厂，Pegasus公司预计应用NeuSIGHT系统可降低氮氧化物排放达20%～60%（一般为25%～35%）。如果电厂已经安装了低氮氧化物燃烧器，使用NeuSIGHT系统可再降低氮氧化物排放10%～40%。NeuSIGHT系统可降低煤耗0.5%～5%，这相当于减少了相同的CO2和SO2的排放。NeuSIGHT燃烧优化控制系统以前大多应用于旧机组的优化控制方面。目前Pegasus公司已经和许多世界知名的电力成套设备供应商，如B&W、FosteWheeler、Siemens－Westinghouse、ABB Centrum等建立了合作伙伴关系。

    Power Perfecter系统是美国Pegasus公司另一个锅炉运行优化控制软件，国外也称它为DeltaE3系统。它基于与NeuSIGHT系统类似的神经网络技术，并增加了模型预测控制（MPC）技术，能通过建立多目标的动态优化控制器，动态调整DCS设定参数与偏置，实现锅炉燃烧优化动态闭环控制。该系统可以提升0.5%～2.5%的锅炉热效率，降低氮氧化物排放量10%～30%，降低飞灰含碳量7%～9%，系统还可以改善过热、再热蒸汽品质，改善燃烧均衡性等。该系统可广泛应用于各种装机容量和类型的燃煤锅炉的优化控制，目前该产品已应用于中国山东省的华电莱城电厂1号锅炉和华能天津杨柳青电厂5号锅炉（300MW机组）上。
 
    此外，在网络能源、过程管理等方面处于全球**的美国爱默生（Emerson）公司也致力于该领域的研发，该公司具备Ovation专家控制系统的“Emerson PlantWeb数字工厂结构”可以为发电燃烧机组的超临界锅炉、选择性催化还原（SCR）流程及其他设备与过程提供控制。Ovation系统还为每台锅炉的燃烧器管理系统（BMS）提供监测与控制，并与涡轮和配套系统的控制连接。Emerson还提供AMS™ Suite智能设备管理系统。对于新厂施工，AMS智能设备管理系统可以使设备配置和测试合理化，从而有助于提高电厂投产效率。AMS智能设备管理系统还提供对仪表和阀门的流程信息、诊断状态信息的联机访问，并能自动记录所有现场设备维护信息——这都有助于不断提高电厂运行与维护活动的效率。
 
    除了前述公司之外，Autoflame、Fireye、Honeywell、Cleaver Brooks、Siemens等公司的燃煤控制系统在国际电力生产领域中也享有很高声誉，占据很大的市场份额。
 
    在中国大陆地区，由于燃煤电站锅炉的燃煤质量普遍较差，因此直接采用的国外引进的燃煤控制系统表现出“水土不服”，因此，目前国内也有一些专业机构从事燃煤控制系统的研发，如西安热工研究院锅炉燃烧监测技术研究所，其主导产品“锅炉燃烧监测控制系统”及“煤发热量在线监测系统”已在**多家电厂的100多台锅炉上安装运行。

    超临界和超超临界机组

    大型超临界机组自1950年代在美国和德国开始投入商业运行以来，发达国家积极开发应用高效超临界参数发电机组。美国（169台）和前苏联（200多台）是超临界机组*多的国家，而发展超超临界技术**的国家主要是日本、德国和丹麦。
 
    德国是发展超超临界技术*早的国家之一，在早期追求高参数，但后来蒸汽参数降低并长期稳定在25MPa/545℃/545℃的水平上，其后蒸汽参数逐步提高。2003年投产的Niederaussen电厂参数为965MW26MPa/580℃/600℃，设计热效率为44.5%。
 
    日本因能源短缺，燃料主要依赖进口，因此采用超临界发电机组占总装机容量的60%以上。1989年和1990年，日本的川越（Kawagoe）电厂先后投运两台参数为700MW 31MPa/566℃/566℃/566℃。这是日本发展超超临界发电技术的标志性机组。近年来一批百万千瓦级超超临界发电机组相继投入运行，除达到很高可靠性外，其循环效率可达到45%左右。
 
    丹麦亦十分重视高参数超临界机组的发展，在提高机组蒸汽参数的同时利用低温海水冷却大幅提高机组效率。1998年投运的Nordjylands电厂其机组参数为400MW 28.5MPa/580℃/580℃/580℃，机组效率高达47%。2001年投运的AVV2电厂一台超超临界机组，其机组效率高达49%，这是目前世界上超超临界机组中运行效率*高的机组。
 
    从各国的发展来看，高参数超超临界发电机组是今后的发展方向。欧盟为了发展超超临界发电技术先后制定了若干研究计划，正在执行的Thermie计划（先进的700℃燃煤电厂）（1998～2014），计划建设参数为37.5MPa/700℃/720℃/720℃的超超临界机组，主要目标是：使电厂的净效率由47%提高到55%（对于低的海水冷却水温度）或52%左右（对于内陆地区和冷却塔）；降低燃煤电站的造价。日本进行了目标分别为31.4MPa/593℃/593℃/593℃、31MPa/630℃/630℃和34.3MPa/649℃/593℃/593℃的超超临界机组研发计划。力争将发电机组设计效率提高到45%以上。美国也正在组织和支持一项发展更高参数超超临界发电机组的研究项目——“760℃”计划，目标是研制适合蒸汽参数为38.5MPa/760℃的新合金材料，将超超临界机组的主蒸汽温度提高到760℃的水平，从而大大提高超超临界机组的效率。俄罗斯也设计了新一代的超超临界机组，蒸汽参数为30～32MPa/580～600℃/580～600℃，预计电站的效率可达44%～46%。

    热电联产（Combined Heat and Power，CHP）

    电厂锅炉产生的蒸汽驱动汽轮发电机组发电以后的抽汽或排汽的热量能加以利用，可以既发电又供热，这种生产方式称为热电联产。这是一种热、电同时生产、高效的能源利用形式。理论上讲，其热效率可达80～90%，实际运行时在60%左右，能源利用效率比单纯发电约提高一倍以上。
 
    近几年来，日本、美国、欧洲和中国台湾地区均视热电联产为节约能源、改善环境的重要措施，制定了一系列热电联产鼓励政策，如：日本规定热电联产的上网电价高于火力发电；法国对热电联产投资给予15%的政策补贴，丹麦对热网投资给予50%的政策补贴。除了成员国各自的政策措施之外，欧盟还制订了一系列与热电联产相关的法律、法规，从污染排放控制（交易）、电网准入、电价及税收等方面对热电联产进行规范，并且于2003年5月14 日，各成员国能源部长就《欧盟热电联产指令》草案达成一致意见，2004年欧盟颁布了促进热电联产的2004/8/EC指令，进一步促进工业和商业部门提高能源利用效率，所有成员国必须在2006年2月21日之前实施该指令。
 
    燃气轮机热电（冷）联产和汽轮机驱动压缩式制冷设备是日本热电（冷）联产的主要形式。在欧洲，1990年代欧共体支持了45项热电联产工程，2000年热电联产发电量已占总发电量的9%（其中丹麦达到60%以上，芬兰和荷兰也已达到30%以上），并计划到2010年达到18%，这将减少CO2排放1.5亿吨。美国对热电联产的关注程度也日渐增强，2000年热电联产装机容量已占总装机容量的7%，计划2010年占装机容量的14%，达到92GW，2020年占装机容量的29%。据美国热电联产联合会（USCHPA），2004年美国热电联产装机容量即已经达到了81GW。
 
    中国大陆地区尽管热电联产已经有几十年的历史，但是其应用规模非常小。近年来，随着节能减耗的呼声日渐高涨，热电联产技术的研发、推广得到高度重视，甚至引进了国外资本进行研发，如在2006－2007年的战略规划中，法国开发署将通过向中国提供总计1.5亿欧元的优惠利率贷款，重点支持国内的热电联产、可再生能源产业的发展。

    输配电节能

    在输配电节能方面，主要降低输配电损耗率，提高输配电设备的运行效率，以及降低电网综合线损。
 
    输配电设备包括变压器、整流器和电感器，电容器及其配套设备，配电开关控制设备，电力电子元器件及其他输配电及控制设备。其中，节能变压器是输配电设备降损减耗的重点，美国能源部和环保署于1998年共同发起了推广高效低损耗配电变压器的“能源之星变压器计划”。加拿大、澳大利亚和墨西哥等国都制定和实施了变压器*低能效标准，未达到*低能效标准的产品不得上市。欧盟实行了能效标准HD428（三相油浸配电变压器)/HD538（三相干式配电变压器）。对于公布的变压器损耗值及允许公差，如果在工厂验收试验的损耗高于规定值时，变压器可以被拒收或对超值部分进行经济补偿。相比HD428标准，中国大陆地区的节能变压器S11系列空载损耗对比欧盟*高标准C’系列平均要低3%，负载损耗对比欧盟*高标准C系列平均要高8%。日本实施的是“变压器**计划”，制定的相关能效标准比当前效率*高的非晶变压器稍低一些。
 
    在节能变压器的技术发展方面，变压器损耗的降低主要是通过导磁材料（硅钢片）和导电材料（无氧铜导线或铜箔）技术的发展而实现的。近年来除了在变压器容量结构和制造工艺上有所突破外，主要是硅钢片的改进与发展。目前用于铁心导磁材料的硅钢片普遍厚度为0.23～0.30 mm；将来的趋势是使用更薄的硅钢片，0.05～0.18 mm厚的硅钢片现已经开始被应用。
 
    另外，非晶材料的发展也促进了变压器的发展，非晶合金铁心比硅钢片铁心的配电变压器空载损耗可降低70～80%。自1982年美国通用电气公司（GE）、美国电力研究所（EPRI）和帝国电力研究公司（ES-EERCO）联合研制了世界上**台非晶合金变压器，到1985年底已有1000台15 kVA的非晶合金变压器在美国挂网运行。从1986年起，非晶合金变压器开始正式的商业化生产，并且每年以10%的新装配量递增，现已能生产出电压35kV、容量2500kVA的非晶合金变压器。在日本，2002年非晶金属公司制造出世界*大的5000kVA非晶变压器并投入使用；同年制定的“节能法”中，日本通过了变压器节能“领跑计划”。到2006年日本非晶变压器产量将占市场上高效变压器的40% 。中国大陆地区目前在电网上运行的约500万台的变压器中，非晶变压器大约仅有1万台，因此这对于国际节能市场而言，是一个巨大的商机，目前中国大陆地区的一些制造企业与日本、美国等专业厂商达成了相关的合作协议。
 
    在降低输电线损率方面，目前*具突破性的进展是对电缆材料的研发，其一是超导电缆的研究，如2006年9月日本古河电气工业宣布成功开发出了降低超导电缆交流损耗的新技术，在1千安培通电量下，其交流损耗量为0.05W/m，这个数值是目前电缆的1/11，为世界*小。
 
    其二是将纳米技术与超导电缆研发相结合，美国田纳西州橡树岭国家实验室的研究人员在实验中使用了高温超导体钇钡铜氧（YBCO）材料，这种材料可以在液氮温度下显示出超导性，比其它的超导材料的临界温度高得多，而且研究人员发现把非超导性陶瓷锆酸钡做成10纳米长或宽的点列，有助于克服超导体在强磁场周围失效的缺点。这一研究使得高温超导体**达到或超过大尺度工业应用的标准，包括发动机、电缆和高强度磁铁等方面的应用。目前，这种超导电缆还只是处于实验室阶段，一旦投入商业化生产，将替代现有的电缆，对整个电网的发展起到**性的作用。

    需求侧管理

    需求侧管理是1970年代美国环境保护基金会*先提出的新概念，该基金会还进一步实行了“电力需求侧管理”计划，同时把电力需求侧管理技术引入能源规划中，即把需求侧减少电能消耗量和降低高峰电力负荷需求量，也视为一种“新资源”参与电力规划统筹研究。这种不局限于发电资源侧，同时兼顾电力需求侧统筹规划的新方法称为综合资源规划（IRP）。电力需求侧管理从本质上说就是引导电力用户优化用电方式，提高终端用电效率,优化资源配置，改善和保护环境，实现*小成本电力服务所进行的用电管理活动。其中一个典型应用就是通过实施峰谷分时电价、季节性电价、可中断电价等电价政策，引导用户尽可能在低谷时段用电，合理避开高峰时段用电。实施过程中，前期效果并不明显，扩大试点范围和增加试点项目后，效益剧增。装机计划普遍推迟2～5年，综合经济效益每年提高约6%，用户电费也有所下降。特别是节能型电力需求侧管理项目很受用户欢迎，被称为“Smart PDSM”。如美国2000年投资15.6亿美元，节电537亿度，减少高峰负荷2200万千瓦。据预测，未来几年，美国电力需求侧管理将减少社会电力需求25000 MW，相当于同期新需求的30%。加拿大也是继美国之后电力需求侧管理实施比较成功的国家之一，并已开始关注配电网络的电力需求侧管理规划。
 
    相对于美国电力公司的大型化和私有化，西欧电力公司结构和产权结构呈现出多样性，其实施电力需求侧管理的动机有的是出于环境考虑，有的是为了解决电力容量缺乏，电力需求侧管理项目也呈现出多样性，半数以上的项目在进行之中，效果有待进一步观察。在东欧和非洲，由于技术和管理水平相对较低，资金来源缺乏，政治不稳定，电力需求侧管理受到一定限制。亚洲和拉美很多国家电力需求侧管理还在实施初级阶段。总之，需求侧管理模式目前在30多个国家和地区较为成功地得以实施。
 
    中国大陆地区自1990年代初开始实施电力需求侧管理，取得了一定的成效，但是结合实践以及从国外的经验来看，尚需要从政策、法规、标准等领域着手，为电力需求侧管理创造条件。

    二、钢铁冶金领域节能

    钢铁工业中，无论是长流程还是短流程均是耗能大户，能量消耗约占钢铁生产成本的1/3左右，基本是消耗煤炭等****的化石能源，直接还原和熔融还原炼铁等新流程也不例外。因此，节约能源是世界各国钢铁企业发展的重点，先进的钢铁企业几乎在每道工序上均设置了相应的节能设备，采用了相应的节能技术（图2）。 

    图2 国外钢铁企业各工序节能技术应用情况

    资料来源：根据周庆安（2006）“国内外钢铁企业节能水平对比分析”绘制

    目前，钢铁冶金领域采用的节能技术主要涉及三方面：
 
    （1）耗能工艺中的节能技术

    主要包括：小球烧结技术、冷固结球团技术、高炉高风温技术、高炉喷煤（PC I）炼铁技术、电炉煤氧枪助熔节电技术、直流电弧炉炼钢技术、连铸坯热装与直接轧制技术，以及连铸坯一火成材技术等。
 
    （2）余热、余压、余能回收利用技术

    主要包括：高炉炉顶压发电（TRT）技术、高炉煤气综合利用技术、转炉煤气回收利用技术、工业炉窑综合节能技术，以及干法熄焦技术（CDQ）等。
 
    （3）主要耗能设备节能技术

    主要包括：交流变频调速技术、变压器经济运行节电技术，以及就地动态无功补偿节电技术等。
 
    在国外的钢铁冶金企业，主要的节能技术如干法熄焦发电、高炉炉顶压发电、焦煤调湿、烧结余热回收技术、高炉喷煤等应用普及率很高，其中高炉炉顶压发电和高炉喷煤技术的普及应用率接近100%，日本与韩国的钢铁企业中节能技术采用*为广泛（表2）。

    表2主要节能技术在不同国家和地区钢铁领域采用的情况

    资料来源：Ken Watanabe(渡辺 謙)，2006. “The Proposal on the IEA’s Efforts to Develop Energy Indicators”

    从节能的效果来看，日本钢铁企业能源单耗水平*低，其次分别是韩国（是日本的1.05倍）、欧盟（是日本的1.1倍）、美国（是日本的1.2倍）、俄罗斯（是日本的1.3倍）。中国钢铁企业能源单耗水平是日本的1.5倍，再加之产能的扩大，中国钢铁生产领域的节能空间非常大。