公路施工机械节能之展望

一、序言

节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。十届全国人大四次会议通过的《国民经济和社会发展“十一五”规划纲要》，把建设资源节约型社会摆在了突出位置，确定把节约资源作为基本国策，明确提出了节约能源的约束性指标，即“十一五”期间单位GDP能耗降低20%，每年需要降低4.36%。目前我国的能源利用效率为33%，比发达国家低约10个百分点，电力、钢铁、有色、石化、建材、化工和轻工和纺织8个行业主要产品单位能耗平均比国际先进水平高出40%，钢、水泥、纸张的单位产品综合能耗比国际先进水平分别高21%、45%和12%。我国煤炭利用效率为27%、原油利用效率约50%、天然气57%，电力利用效率最高，约为85%，在主要能耗消费大国中处于最低，考虑到发达国家相同品种能源的利用效率大于我国，我国与发达国家能源效率的差距更大。因此，无论从整个国际经济气候还是中国宏观经济趋势看，节能降耗势在必行。二、国家及各行业有关节能的相关法律及管理办法

国家颁布7个与节能有关法律法规，如《中华人民共和国节约能源法》、《中华人民共和国可再生能源法》等；16个相关政策文件，如《国务院关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知》、《能源效率标示管理办法》等；20个相关国家标准，如GB/T13234-1991《企业节能量计算方法》、GB/T15320-2001《节能产品评价导则》、GB2589-1990《综合能耗计算通则》等。各有关部门制定和发布的节能的相关规划及规定

“橡胶工厂节能设计规范”；“石油库节能设计导则”；“化工企业能源消耗量和节约量的计算通则”；“合成氨节能设计技术规定”；“机械行业节能规范”；“农机行业节能设计技术规范”；“工程机械、机械通用行业节能设计技术规定”在公路施工机械中，沥青混凝土搅拌设备的生产工艺、流程与水泥生产有着较大的相似性，这两种设备主要的热耗集中在烘干筒的加热上，主要电耗用于设备驱动。值得我们借鉴的是水泥行业对生产设备、辅助设备提出了明确的热耗、电耗指标；见表（1）、（2）、（3）。表1水泥工业生产线的主要能耗设计指标分类可比熟料综合煤耗（kg/t）可比熟料综合电耗（kW·h/t）可比水泥综合电耗（kW·h/t）可比熟料综合能耗（kg/t）可比水泥综合能耗（kg/t）4000t/d及以上≤110≤62≤90≤118≤962000～4000t/d（含2000t/d）≤115≤65≤93≤123≤100水泥粉磨站—————

表2烧成系统能耗设计指标

工厂规模2000～4000t/d(2000t/d)4000t/d及以上系统热效率（%）>50>52熟料烧成热耗（KJ/kg熟料）≤3178≤3050熟料烧成电耗（kW·/h/t）≤32≤28表3水泥生产线分布电耗设计指标

生产工段单位设计值石灰石破碎KW·h/t石灰石≤2.0原料粉磨KW·h/t生料≤22煤粉制备KW·h/t生料≤35水泥粉磨KW·h/t煤粉≤36水泥包装KW·h/t水泥≤1.5交通部在1998年颁布了“公路工程工节能管理规定”

第三章第八条实施重点耗能设备用能管理制度，省级交通主管部门对重点耗能设备要加强节能管理，制定相应的能源消耗管理办法。重点耗能设备是指装机容量120kW（含）以上的施工机械、设备为重点耗能设备。第九条各级节能主管部门应参与对购置或新造的重点耗能设备进行节能技术审查工作，并依据国家和交通部的有关规定，对申请购置或新造、设计的机型提出节能要求，同时对机械设备的技术先进性、能耗水平和经济效益等进行评估、审查。凡超过规定能源限制指标的机械设备，要限制购进、制造，杜绝使用高耗能设备。第十条购置或新造重点耗能设备时，应本着选用能耗低、效益高、技术先进的原则，在取得购置单位节能管理部门对机型的有关技术规格、能源消耗等技术指标的认同意见后，按有关规定程序报批。第十一条施工单位要加强重点耗能设备的用能管理，建立设备能耗档案；配备能源计量器具。对设备用能实行定额考核和经济核算，同时要合理组织施工，减少设备的生产运转，按施工生产任务和耗能定额分配指标用能。第十二条施工单位要贯彻执行设备的技术管理制度，对在用的重点耗能设备要实行经常性的维护、保养，定期检查、修理，保持良好的技状况。第十三条对技术状况差、耗能高的重点耗能设备，要有停止使用、限期技术改造和更新的具体条件和措施。第十四条重点耗能设备的节能技术改造必须通过有关节能技术部门的节能技术检测、鉴定，并提出报告，能耗指标达到规定要求的，方可用于施工。三、行走式施工机械节能技术的开展

行走机械节能控制主要是围绕着发动机电子喷射系统、负荷传感控制，智能化电液比例控制等几个方面展开研究的。

电子喷射系统

电子喷射系统具有控制自由、灵活、响应快的特点，对所有的喷射参数如喷油量、喷油定时、喷射压力、喷射率等可以按照柴油机不同的运行工况进行调整，得到最佳值，使柴油机获得最优的性能。负荷传感控制负荷传感控制技术（简称LS）是70年代初开始发展的一种节能技术，它的最大特点是节能和控制性能好，自80年代以来，负荷传感技术在工程机械方面得到了快速发展和广泛应用。所谓负荷传感技术是一个具有压差反馈的随动系统，利用液压泵出口压力与负载压力差值变化而使液压系统流量随之相应变化，消除了恒流量和恒压系统中不应有的损失，从而提高了系统的效率。液压负荷传感系统可分为阀控定量系统和泵控变量系统。定量系统由定量泵和负荷传感阀组成，对液压系统的流量进行控制；变量系统则由变量泵和负荷传感阀组成，传感阀控制泵的压力随负载改变，并利用系统压力与负载压力之间的压差控制泵的流量。电液比例智能控制电液比例控制在80年代初就开始应用于工程机械，到目前已经在液压挖掘机上得到了大量应用。电液比例技术用于工程机械，可以省去复杂、庞大的液压传递管路，用电信号传递液压参数，不但能加快系统响应，而且使整个机械动力系统控制更方便、灵活。

在液压挖掘机中的应用

首先，计算机能够自动监测液压系统和柴油机的运行参数，如压力、柴油机转速等，并能根据这些参数自动控制整个挖掘机动力系统运行在高效节能状态。其次，能够完成一些半自动操作，如平地、斜坡的修整等，对司机的熟练程度要求降低，但工作质量却能够得到大幅度提高。第三，能够根据监测到的运行参数进行故障诊断，便于挖掘机的维护。这些功能的出现，使挖掘机性能得以大幅度提高。

液压系统其他节能措施

除了对各种阀——泵控采取节能控制措施外，现代工程机械中所用的液压泵本身也普遍设置了一些节能控制功能，主要包括压力切断，交叉功率传感控制和扭矩调节功能。

液压系统的功率匹配控制工程机械多用柴油机作为原动机，从设备节能要求看，功率匹配控制的概念包括多个方面。首先，液压系统要有能力吸收柴油机发出的额定功率，但又不能超出而使柴油机熄火，以便充分发挥机器的工作能力，第二，从燃油消耗方面考虑，在液压系统工作负载较小的情况下，柴油机在部分功率工况运行时，应调整柴油机调速手柄使之运行在经济工作点；第三，在挖掘机不工作的状态下，柴油机应处于怠速状态，以减低柴油机、液压泵的磨损，降低油耗，延长设备使用寿命。为达到上述目标，往往采用变量泵与柴油机联合调节的方法。目前国外比较先进的机器上对发动机采取了分段功率控制，不再追求完全用足发动机的功率，而是根据具体的工作状况设定发动机的工作能力，减轻发动机的工作强度，有利于延长设备的使用寿命。发动机的多段功率控制并不是简单地将柴油机调速杆置于几个特定的位置上，同时还要相应的调节泵的输入扭矩，使发动机稳定地运行在经济工况点上。此外，为提高柴油机对各种环境和燃料的适应性，还采取了极限负荷控制，使柴油机在外特性有较大的变化的情况下也能保持正常工作。其他节能措施（1）重视润滑、减少磨损加强作业机械润滑和润滑管理，不仅可以减少磨擦、磨损传动效率，同时也起到冷却、清洗、防锈和密封的作用。为使运动部位得到良好的润滑，必须按规定正确选用合适的润滑油。各总成加注的润滑油量及液面高度应符合要求，确保各润滑点都得到有效润滑。近年来的科技成果应用表明，在润滑油中加入一定量特殊的化学添加剂（节能减摩添加剂）后能使运动磨擦表面的微观凸起部分变软、平滑，或使添加剂吸附于磨擦副表面，填平微观凹陷部分，起到改善磨擦副表面油膜状态，降低摩擦力阻滞作用，从而提高发动机的动力性，显著降低油耗、减少磨损。（2）保持轮胎气压，提高燃油经济性对于轮式自行作业设备，使轮胎在规定的标准气压下工作是至关重要的，当轮胎在低于标准气压下使用时，由于径向变形增大，则会加大胎体帘线的挠曲和周期性伸长和变形。其结果一方面使轮胎提前疲劳损坏，另一方面使胎体温度急剧上升，增大了与地面的接触面积，轮胎磨耗加剧，增大了车轮滚动阻力，从而消耗更多的能量和燃油。研究结果和统计表明，若轮胎气压比规定值下降30%，则其寿命下降33%,燃油油耗将增加6%。四、沥青混凝土搅拌设备（固定式设备）节能技术的开展

国内目前约有8000台套不同型号的沥青混凝土搅拌设备，其中使用1～5年的约占35%，6～10年约占45%，11年以上的约占20%，特别是陈旧的沥青混凝土搅拌设备，由于检修不及时，会造成更高的能耗。

连续式沥青混合料搅拌设备与间歇式的比较美国早在20世纪80年代初连续式沥青混合料搅拌设备年销量已占沥青混合料搅拌设备总销量的95%以上，而欧洲这一比例也已达到50%以上。目前在中国高等级公路的施工中由于诸多因素，98%以上采用间歇式。连续式沥青混合料搅拌设备特点连续式沥青混合料搅拌设备在国外经历了30多年的发展已拥有成熟的技术，其优势正在于生产率高、投入小、燃油消耗率低、环保性能好。据统计，在同等生产能力的条件下，连续式与间歇式相比设备投资可节约20%～25%，操作维修费可降低10%～15%，动力消耗可降低约25%，设备的安装运输费用可降低20%左右，燃油节约1.0～1.5kg/t。国内对沥青搅拌设备节能方面的研究尚处于起步阶段，国内目前沥青搅拌设备生产厂约80家，由于存在严重的供大于需的矛盾，企业之间的竞争达到白热化，因为国内沥青混凝土站的结构形式、关键技术基本雷同，竞争主要体现在价格方面，因而无瑕顾及对设备技术含量的提高及节能技术的研究。

沥青混凝土设备能耗主要体现在三个方面：1.烘干筒燃烧器燃油消耗；2.设备各总成用电能耗；3.辅助设备热耗及用电能耗。4.1燃烧器在沥青搅拌设备应用对燃烧器有下列基本要求：1.保证热骨料必要的加热温度，通常在160℃，对于特殊的沥青热骨料温度可达210℃；2.热骨料的温度波动小于9℃，并对波动及时做出调整；3.使燃烧器在最佳风油比工况下工作，燃油消耗少于7kg/t；4.燃烧器的供热能力应满足设备在标准工况下最大生产能力的要求；5.燃烧器工作可靠、点火迅速、风油比调整方便、燃烧充分、稳定，火焰的大小应可调，不允许火焰有明显偏斜，且必须有安全点火装置；6.燃烧器供油管路中应设置过滤器、压力表和安全阀，燃油管路不得有泄漏。根据雾化原理不同，国内外燃烧器有以下几种方式：机械雾化;介质雾化;气泡雾化目前，国内外较先进的沥青搅拌设备燃烧器多为气泡雾化方式，其雾化方式先进，可以燃烧多种燃料，故障率低，雾化效果好，燃烧不冒黑烟，因而比压力雾化方式可节约燃油约1.0kg/t。压力雾化燃烧器与气泡雾化燃烧器的性能的对比特性/类别机械雾化燃烧器气泡雾化燃烧器克服燃油性质力克服的主要是燃油的粘性，所以其能耗高克服的主要是燃油的表面张力，其能耗相对较低雾化方式利用高油压对油流进行剪切撞击旋转来雾化的利用流体力学两相流理论使油形成液膜，通过液膜的爆破使油雾化的雾化及燃烧性能雾化效果差，雾化颗粒度大，燃烧不充分，冒黑烟现象严重，火焰刚性较差，容易结焦堵塞雾化及燃烧性能雾化效果好，雾化颗粒度细，燃烧充分，火焰刚性强，火焰形状容易控制，不易出现结焦堵塞现象调节比调节比可达1：4调节比可达1：6～7雾化介质参数无需雾化介质利用压缩空气作为其雾化介质雾化粒度的对比120μm50μm燃烧强度的对比在同一出力的燃烧工况下，气泡雾化比压力雾化温度高300℃燃油压力2.5～3.0MPa左右0.8～1.0MPa之间雾化介质的压力无需雾化介质雾化空气压力0.4～0.6MPa之间4.2电动机节能技术的应用（一）、合理选择电动机的容量（二）、保证供电电源的稳定性（三）、提高功率因数（四）、随负载变化调压节电（五）、调速节电运行（六）、采用电动机软启动装置（七）、推广和应用高效电动机（一）、合理选择电动机的容量电动机是与被驱动的机械相匹配的，其容量的选择以及启动和制动等性能都应与负载相适应。若电机容量选择过大，将会造成设备浪费，增加电能消耗。容量选得过小，则拖不动所匹配的机械，而引起电机过热，甚至烧坏电机。一般情况下，电动机的效率在75%～100%之间，负荷在75%～80%时效率最佳。从节电的角度讲，电动机的运行效率应选在这个范围内才合理，因此当电动机的负载在75%以上时，就可以认为电动机的容量选择得比较合适。对连续工作制的机械，宜采用S1工作制的电动机，其额定功率应按机械的轴功率选择，由于电动机的效率在75%～100%负载之间，电动机的功率不宜过大。对短时工作制的机械，宜采用S2工作制的电动机，其额定功率应按机械的轴功率选择，也可按允许过载转矩选用周期工作定额的电动机，连续工作制的电动机也可用于短时工作制，其输出功率可适当提高。其增加的功率，除考虑温升外，还应考虑电动机转矩与负载的关系、电动机转轴和轴承的机械强度等。对断续周期工作制的机械，应采用周期工作定额的电动机，其额定功率应按典型周期的等值负载换算到额定持续率来选择，并应按允许过载转矩校验。对连续周期工作制的机械，应采用等效连续定额或周期工作定额的电动机，其额定功率一般按等值电流或等值转矩法选择，并应按允许过载转矩校验。（二）、保证供电电源的稳定性在电动机运行中，加强对电源系统的监控和管理，合理调配负荷结构，加强生产班次合理调度和设备运行台数的控制和管理，提高生产的连续性和设备的利用率，可减少电源的容量，提高供电电源的稳定性，使电动机性能平稳，从而达合理用电和节约电能的目的。（三）、提高功率因数

1．提高电动机的自然功率因数电动机的自然功率因数的提高可减少电机从电网中吸收无功功率或减少现场补偿电容的容量，从而达到节能的目的。提高电动机自然功率因数的方法（1）正确选用电动机的型号;（2）以合适容量的电动机代替负荷不足的大容量电动机;（3）限制和减少电动机的空载运行时间2．无功就地补偿所谓“无功就地补偿”指的是无功功率消耗在哪里，就在哪里进行补偿的装置。对异步电动机来说，把电容器直接并联在电动机侧，使电动机所需的无功功率大部分由电容器来供给，而有功功率则仍由电源供给，这时电网还需供给少量未能补偿的无功电流，从而可减轻电源负担，提高电网输送能力，降低线路上的能量损耗。（四）、随负载变化调压节电由于电机端电压的变化会引起电机性能的变化。而且这种变化还随负载的不同而不同，为满足不同负载情况下节约电能的要求，电动机降压节电运行应具备以下条件：电动机的铁耗在总损耗中约占1/3或更大，降压节电运行在具体实施时，主要有以下几种降压运行的方式：降低配电母线的电压，主要通过配电网络中有载调节变压器来实现；实行△-Y变换电压；在主回路串联电感降压；实行延边三角形连接；电机端电压自动调节。（五）、调速节电运行1．变极调速驱动;2．电磁离合器调速驱动;3．调压调速驱动;4．串级调速驱动;5．变频调速驱动变频调速驱动的控制方式（1）恒转矩控制;（2）恒功率控制.（六）、采用电动机软启动装置电动机软启动器能使电动机在负载要求的启动特性下平滑启动，降低对电网的冲击，同时，还能实现计算机通讯直接控制，为自动化智能控制打下基础。在运行过程中能连续监视、检测电动机的功率因数，控制供给电动机的电压。软启动器在轻载时，监视电动机的功率因数，供给电动机的电压自动减少至全速所需要的最小值，因此有效地节省不必要的铁耗。负载增加时，它能以最优的模式控制供给能量，此时电压自动增加防止电动机被停车

在选择软启动装置时要注意选择软启动器的启动和停车方式。目前的软启动器多是限电流启动和斜波电压启动，它是最简单的方式，还有的是限流启动和转矩加突跳控制启动，电压控制和纯转矩控制及转矩加突跳控制启动。停车方式有三种：一是自由停车，二是软停车，三是制动停车。电子软启动带来最大的停车好处就是软停车和制动停车。软停车消除了由于停车带来的拖动系统反惯性冲击。（七）、推广和应用高效电动机高效节能电动机一般是指专门为节能而设计的、其损耗较一般电动机损耗降低20%以上的电动机。YX系列高效率异步电动机的总损耗较Y系列相应规格的平均降低28.8%,效率平均提高3%，且在电动机负载率50%～100%范围内具有比较平坦的效率特性。4.3