劉細鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要:從食用菌生產經營者角度指出食用菌工廠化生產的產品生鮮屬性、微生物培養(yǎng)的技術特點和競爭戰(zhàn)略難以突破決定了成本控制是經營的核心。分析食用菌生產的成本構成,指出加強能源管理是節(jié)本增效的重要途徑,從電費的分類和改善方式、滅菌的燃料選擇和改善方法、未來能源可拓展方向(太陽能和配合蒸汽使用的溴化鋰吸收式制冷機)指明食用菌工廠能源管理的具體途徑。提出能源管理的基本思路為確定改善目標、劃分區(qū)域、明確費用、改善實施和核算結果。
關鍵詞:食用菌;節(jié)能分析;能源管理系統(tǒng);電費分類;太陽能
0引言
2006年以來,中國食用菌工廠化生產得到迅速發(fā)展。據(jù)報道,2021年全國食用菌工廠化總產量為280.4萬噸,比2019年343.68萬噸下降了63.28萬噸,其中,產量前三的品種為金針菇(123.13萬噸)、杏鮑菇(66.78萬噸)和雙孢蘑菇(27.97萬噸),金針菇和杏鮑菇兩個工廠化生產主要品種合計占年總產量的68%。
1食用菌工廠化生產的特性
1.1產品屬性
目前食用菌工廠化生產的產品以鮮品為主,銷售主要采用大宗批發(fā)模式,在銷售定價方面波動較大,屬于充分競爭行業(yè)。食用菌鮮品銷售貨架期較短,在采收時價值大,隨
時間增加價值降低趨向于零,甚至是因處理成本而出現(xiàn)負值(圖1)。食用菌鮮品銷售的市場總容量相對較小,其替代品主要是蔬菜類,價格受蔬菜產品的影響較大,順季蔬菜大量上市時,食用菌產品價格降低,而蔬菜供應不足時,則價格上漲。
1.2技術特點
食用菌工廠化生產屬于大型設施類農業(yè),一次性投資較大,運營資金相對較少。由于食用菌屬于微生物范疇,因此其技術屬性為采用農業(yè)栽培模式的微生物培養(yǎng),受氣候變化、品種變異、上游原材料等因素影響較大,生產技術較難穩(wěn)定,導致生產風險較大。
1.3競爭戰(zhàn)略
一般企業(yè)的常規(guī)競爭戰(zhàn)略分為三個:成本為主型、差異化競爭、集中化策略。由于銷售渠道和客戶的,業(yè)內企業(yè)一般以成本為主型為主。從食用菌工廠經營的三大要素——收入、成本及生產效率來講,由于產品的生產周期、生物學效率各個工廠差別較大,因此成本控制是經營的核心要素。食用菌工廠產品銷售單價相對較低,以金針菇為例,每千克價格在4.5~5.5元,基礎單價每波動0.1元/千克,所對應銷售額的影響接近2%。而銷售價格定價屬于市場充分競爭,波動較大。因此,食用菌經營管理的要點是質量的穩(wěn)定性與成本的控制能力。
2食用菌生產的成本結構
2.1食用菌生產成本結構
根據(jù)金針菇工廠生產的數(shù)據(jù)統(tǒng)計的食用菌成本構成見圖2。食用菌的成本構成中生產成本占比92%,其主要由原材料、人工費用、制造費用和包裝費用四大費用構成。其中,制造費用占總成本的20%,占生產成本的21.74%。而制造費又以能源費為主,占制造費用的90%以上,對于成本控制較為重要,其以能源管理為主要著力點。能源管理主要為電費、滅菌燃料費用,而日常產生的設施設備維修費也牽涉到能源的費用;折舊費與設備投資直接相關,不同投資的設備也會產生不同的能源管理費用。
2.2電費的分類
以金針菇工廠化生產為例,設備電費按照技術改善途徑可分為兩類:工作類和環(huán)境類,具體見圖3。
(1)工作類。
主要為拌料、裝瓶、搔菌、包裝、挖瓶等工序設備,其能耗管理基本計算公式為:能耗=工作設備功率×工作時間。
拌料車間。電費主要組成:攪拌鍋、輸送帶、水泵,主要是靠電機帶動。對能耗的管理就是通過改善作業(yè)流程,縮短工作時間。另外可根據(jù)物料不同選用適當?shù)碾姍C功率。
裝瓶車間。電費主要組成:空壓機、輸送線、裝瓶機、打孔機、蓋蓋機、上筐機械手。其中裝瓶打孔涉及氣動設備,而空壓機是高能耗設備,如何保證機器的正常運轉,降低設備故障率以及保障壓縮空氣管道的密封度是管理的核心。然后是各設備之間的匹配問題,生產效率的一致性越高,則相應的能耗就會越低。
搔菌車間。電費主要組成:下筐機械手、輸送線、去蓋機、搔菌機、除菌渣設備等。以工作類設備為主,氣動和電機類較多,具體改善方法與拌料、裝瓶車間相同。
包裝車間。電費主要組成:輸送帶、包裝機、空壓機。包裝機主要為電機和氣動設備,具體改善方法同上。
挖瓶車間。電費主要組成:輸送線、氣動式或者機械式挖瓶設備、空壓機。具體改善方法同上。
環(huán)境類。
主要涉及強冷室、接種室、培養(yǎng)庫、出菇房。廠房建設時應注意庫房的密閉性及保溫性能,庫房設計、庫板選擇和工程安裝均應予以重視(圖3)。
工廠外在的氣候條件因所在地的地理位置及季節(jié)不同,與食用菌生長所需的環(huán)境相差較大。而不同食用菌不同生長時期對環(huán)境條件(溫度、濕度、光照和新鮮空氣)的需求亦不同。以金針菇為例,培養(yǎng)期菌絲生長的溫度一般要求在18℃左右,而出菇溫度在3~15℃,濕度、光照和空氣在不同的時期要求也不同。需要通過設備調節(jié)氣候因素,達到周年化生產良好高產食用菌產品的目的。
創(chuàng)造適宜食用菌生長的微氣候環(huán)境主要是通過暖通設備來完成,不同設備之間差別較大,按照冷卻介質不同,主要為風冷式和水冷式;壓縮機按其原理一般有渦旋式、活塞式、螺桿式、離心式、磁懸浮式等;空調按冷媒(制冷劑)類型有R22(氟利昂22)、乙二醇溶液、R410A等。一般中小型工廠以風冷式或水冷式氟利昂機組為主,而大型企業(yè)常以水冷式螺桿、離心式等為主,磁懸浮因造價過高,除特殊要求外一般不采用。
因地制宜選擇不同的生產模式,是食用菌生產能源管理大的影響因素。在工作類設備中,選型尤為重要,不應簡單對比設備價格,正確的成本核算應是機器的折舊成本+機器的運行費用,這個指標終影響我們的生產。例如空壓機,簡單的電機啟停類與永磁變頻類運行成本有明顯的差別,購置價格差別也大,應綜合考慮機器折舊費用和運行費用。如果初始投資過大,那么還要考慮因投資產生的利息成本。
在實際生產中,電費占比大的是暖通設備,而暖通設備的專業(yè)化程度較高,不同模式差別較大,同等模式不同廠家及安裝隊伍的差別也較大,而這些設備是建廠的時候即需確定的,所以要慎之又慎。
2.3滅菌費用分析
從疫情開始以后,天然氣價格急速變化,導致以天然氣為滅菌燃料的食用菌工廠燃料費用大幅上漲,甚至翻倍。燃料費是滅菌費用中大的一項,根據(jù)不同地區(qū)的環(huán)保要求,采用天然氣、料渣、生物質顆粒三種燃料的滅菌成本差別巨大,使用成本較低的燃料具有決定性的優(yōu)勢(圖4)。其中,菌渣是生產食用菌鮮品的附屬產物,以其為燃料,滅菌成本僅鍋爐使用產生的少量電費和菌渣成本,費用非常低;生物質顆粒的成本隨著能源市場的價格波動,其成本一般比傳統(tǒng)的燃煤高20%左右;天然氣成本高,其隨著市場變化波動較大,例如2022年天然氣價格在7元/千克左右,對應滅菌成本比歷史平均成本高出200%。滅菌設備主要由鍋爐、管道、滅菌柜組成,對于節(jié)能,鍋爐的能效比是關鍵,剩余就是管道和滅菌柜的保溫。滅菌后的蒸汽排出溫度較高,可加以回收利用。目前常用的天然氣類型主要是兩種:一種是管道天然氣(CNG,氣態(tài)),又叫壓縮天然氣;另一種是液化天然氣(LNG,液態(tài)),LNG能量品味(能源所含有用成分的百分率)較高,以?162℃的超低溫儲存在真空絕熱的低溫容器(氣瓶)內,其氣化過程釋放大量冷能,可以采取相應的措施進行回收。
3未來能源管理可以擴展的方向
3.1太陽能
太陽能是否能在食用菌工廠使用,其核心指標在于此項投資的回報率。未來可能是我們食用菌企業(yè)需要考慮的一個方向,原因有以下幾點。
一是食用菌工廠化企業(yè)屬于高耗能企業(yè),每千瓦時所產生的銷售額與其他行業(yè)相比明顯偏高。二是食用菌在行業(yè)劃分上屬于農業(yè)項目,國家給予了農業(yè)用電的優(yōu)惠價格,但應從長遠考慮此項政策的可持續(xù)性。三是隨著目前國家太陽能的快速發(fā)展和技術的進步,特別是目前單晶硅的技術革新,光電轉化率得到很大提升,而對應太陽能的每千瓦的裝機投資額正在逐年降低,也就意味著投資回報率上升。四是食用菌栽培屬于大型設施類農業(yè),一般占地面積較大,屋頂面積較多,為使用太陽能提供了安裝條件。五是太陽能發(fā)電的峰值與食用菌的用電峰值重合,太陽能發(fā)電效率高一般在夏季,而此時也是食用菌栽培能耗大的時候。后,從經營角度來講,食用菌產品價格隨著蔬菜價格暴漲暴跌,出于企業(yè)穩(wěn)健經營、持續(xù)發(fā)展考慮,在追求成本為主同時保有足夠的現(xiàn)金留存,防止出現(xiàn)特殊年份類似2018年的價格導致的企業(yè)經營問題。但現(xiàn)金留存收益較低,適當投資太陽能也不失為一種辦法。
3.2配合蒸汽使用的溴化鋰吸收式制冷機
溴化鋰吸收式制冷機以水為制冷劑、以溴化鋰水溶液為吸收劑,與蒸氣壓縮式制冷機相比,這種制冷機以熱能制冷,有明顯的節(jié)電特點;運行無毒、無味、無爆炸危險,可靠;能利用如廢汽、熱水、物料熱等低溫廢熱、余熱熱源作為動力。其主要部件為蒸發(fā)器、冷凝器、發(fā)生器、吸收器、溶液熱交換器、溶液泵和U形管等。蒸發(fā)器為高真空容器。水的蒸發(fā)能使管內的冷媒水放出熱量而降溫,獲得冷量,所產生的水蒸氣流入吸收器。由吸收器泵送來的溴化鋰濃溶液有吸收水分的能力,吸收水蒸氣后形成稀溶液,并由發(fā)生器泵送入真空度較低的發(fā)生器。由于水的沸點遠低于溴化鋰的沸點,水分汽化析出后進入冷凝器,冷卻凝結成水,然后經U形管節(jié)流降壓,進入蒸發(fā)器進行再一次的蒸發(fā)、制冷。發(fā)生器內被濃縮的溶液經過溶液熱交換器預冷后再進入吸收器,進行另一次循環(huán)。隨著國家環(huán)保政策的成熟化和環(huán)保設備的發(fā)展,在滿足國家法規(guī)的要求下,企業(yè)可以通過燃燒食用菌生產的副產物廢菌渣來提供能源。既滿足了滅菌對蒸汽的需求,又能通過蒸汽配合溴化鋰空調來提供冷源,在冬季對某些特殊車間又能提供熱源,利于食用菌工廠實現(xiàn)能源的自給自足。
4能源管理的基本思路
能源管理是對能源的生產、分配、轉換和消耗的全過程進行科學的計劃、組織、檢查、控制和監(jiān)督工作的總稱。食用菌工廠進行能源管理的基本思路如下。
確定改善目標。目標越明確,意識越強烈,達到目標的成功率就越高。在目標改善的過程中,會面臨各式各樣的問題,所以需要不斷地對目標加以修正。
劃分區(qū)域。劃分區(qū)域的目的是找到實際的執(zhí)行主體,只有深入了解日常的工作,才可能找到可改善的部位。
明確費用。改善之前,要有數(shù)字統(tǒng)計的明確費用,清楚改善設備和問題所在。
改善實施。改善實施時,需要對專業(yè)的知識和原理有一定的認識。對于一般的設備只需要做簡單的替換,牽涉金額較小。但對于大型投資和暖通類設備,需要能夠構建模型,把大的設備進行分解,用小區(qū)域進行驗證,然后逐步改善改進。
核算結果。核算結果,是以明確的金額計算投入和收益各是多少,回報的周期多長。這既是對工作的總結,也可為下一步的改善確定更為明細的目標。
5 AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)
企業(yè)微電網(wǎng)的數(shù)字化系統(tǒng)(EMS)包含安裝于現(xiàn)場的傳感器、智能網(wǎng)關和微電網(wǎng)數(shù)字化軟件。傳感器用于監(jiān)測和控制建筑的負荷設備和分布式發(fā)電設備(系統(tǒng)),現(xiàn)場傳感器的數(shù)據(jù)接入邊緣計算智能網(wǎng)關,每個智能網(wǎng)關可以看做是一個區(qū)域指揮部,采集所接傳感器數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉換后上傳EMS或轉發(fā)第三方平臺,網(wǎng)關可以根據(jù)預設閾值或自動學習來執(zhí)行邏輯計算,并執(zhí)行EMS的指令。EMS可以看做是企業(yè)微電網(wǎng)的指揮部,根據(jù)智能網(wǎng)關上傳的數(shù)據(jù)生成各類圖表、控制策略和分析結論,并響應虛擬電廠的調度指令,系統(tǒng)架構圖如圖5所示。
圖5企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)(EMS)網(wǎng)絡架構
AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)融合企業(yè)負荷側的電力監(jiān)控、能耗統(tǒng)計、電能質量分析及治理、智能照明控制、主要用能設備監(jiān)控、充電樁運營管理、分布式光伏監(jiān)控、儲能管理等功能,用戶通過一個平臺即可全局、整體的對企業(yè)微電網(wǎng)進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調度、統(tǒng)一運維,同時滿足企業(yè)用電可靠、節(jié)約、效率、有序用電要求。
5.1電力監(jiān)控
對企業(yè)高低壓變配電系統(tǒng)的變壓器、斷路器、直流屏、母排、無功補償柜及電纜等配電相關設備的電氣參數(shù)、運行狀態(tài)、接點溫度進行實時監(jiān)測和控制,監(jiān)測企業(yè)微電網(wǎng)主要回路的電能質量并進行治理,對故障及時處理并發(fā)出告警信息,提高企業(yè)供電可靠性。
圖6電力監(jiān)控功能
5.2能耗分析
采集企業(yè)電、水、燃氣等能源消耗,進行分類分項能耗統(tǒng)計,計算單位面積或單位產品的能耗數(shù)據(jù)以及趨勢,對標主要用能設備能效進行能效診斷,計算企業(yè)碳排放,為企業(yè)制定碳達峰、碳中和路線提供數(shù)據(jù)支持。
圖7能耗分析功能
5.3照明控制
智能照明控制功能可以根據(jù)企業(yè)情況實現(xiàn)定時控制、光照感應控制、場景控制、調光控制等,并結合紅外傳感器、超聲波傳感器,實現(xiàn)人來燈亮、人走燈滅,并可以根據(jù)系統(tǒng)的控制策略實現(xiàn)集中控制,為企業(yè)節(jié)約照明用電。
圖7照明控制功能
5.4分布式光伏監(jiān)控
監(jiān)測企業(yè)分布式光伏電站運行情況,包括逆變器運行數(shù)據(jù)、光伏發(fā)電效率分析、發(fā)電量及收益統(tǒng)計以及光伏發(fā)電功率控制。
圖9分布式光伏發(fā)電監(jiān)測
5.5儲能管理
監(jiān)測儲能系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)(BMS)和儲能變流器(PCS)運行,包括運行模式、功率控制模式,功率、電壓、電流、頻率等預定值信息、儲能電池充放電電壓、電流、SOC、溫度,根據(jù)企業(yè)峰谷特點和電價波動以及上級平臺指令設置儲能系統(tǒng)的充放電策略,控制儲能系統(tǒng)充放電,實現(xiàn)削峰填谷,降低企業(yè)用電成本。
圖10儲能管理
5.6充電樁運營管理
監(jiān)測企業(yè)充電樁的運行狀態(tài),提供充電樁收費管理和狀態(tài)監(jiān)測功能,并根據(jù)企業(yè)負荷率變化和虛擬電廠的調度指令調節(jié)充電樁的充電功率,使企業(yè)微電網(wǎng)穩(wěn)定運行。
圖11充電樁管理
5.7需求響應
根據(jù)企業(yè)負荷波動數(shù)據(jù),再結合虛擬電廠的調度指令,決定以何種方式參與電網(wǎng)需求響應,平臺可通過給儲能系統(tǒng)下發(fā)控制策略,調整充發(fā)電時間。平臺在需求響應時間段調整可控負荷功率,停止給可中斷負荷供電,并且可以根據(jù)企業(yè)可控負荷數(shù)據(jù)制定需求響應控制策略,實現(xiàn)一鍵響應。
圖12企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)需求響應示意圖
6微電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)硬件設備
安科瑞針對企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)除了軟件外,還具備現(xiàn)場傳感器、智能網(wǎng)關等設備,組成了完整的“云-邊-端"數(shù)字化體系,具體包括高低壓配電綜合保護和監(jiān)測產品、電能質量在線監(jiān)測裝置、電能質量治理、照明控制、新能源充電樁、電氣消防類解決方案等,可以為企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化提供一站式服務能力,部分設備見表1。
名稱 | 圖片 | 型號 | 功能 | 應用 |
中高壓微機保護裝置 | AM6、AM5SE | 實現(xiàn)110kV至10kV回路的保護、測量和自動控制功能 | 110kV、10kV回路斷路器 | |
電能質量在線監(jiān)測裝置 | APView500 | 實時監(jiān)測電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諧波等電能質量,記錄各類電能質量事件,記錄事件發(fā)生前后的波形,輔助用戶分析電能質量發(fā)生的原因,定位擾動源。 | 高低壓進線回路 | |
動態(tài)諧波無功補償系統(tǒng) | AnCos*/*-GⅠ型 | 同時具備諧波治理、無功功率線性補償與三相電流平衡治理和穩(wěn)定電壓的功能,響應時間快,精度高、運行穩(wěn)定,能根據(jù)系統(tǒng)的無功特性自動調整輸出,動態(tài)補償功率因數(shù); | 0.4kV電能質量治理 | |
網(wǎng)絡電力儀表 | APM500 | 具有全電量測量,諧波畸變率、電壓合格率統(tǒng)計、電能統(tǒng)計,開關量輸入輸出,模擬量輸入輸出。 | 主要用于高低壓電能監(jiān)測和電能管理 | |
電能表 | DTSD1352 | 具有全電量測量,電能統(tǒng)計,80A內可直接接入,導軌安裝。 | 低壓配電箱 | |
物聯(lián)網(wǎng)儀表 | ADW300W | 主要用于計量中低壓配電的三相電氣參數(shù),采集狀態(tài)量并控制斷路器,可靈活安裝于配電箱內,自帶開口式互感器,可實現(xiàn)不停電安裝,具備RS485、4G、LoRaWan無線通信功能,適用于配電系統(tǒng)數(shù)字化改造。 | 微電網(wǎng)數(shù)字化改造 | |
物聯(lián)網(wǎng)儀表 | ARCM300 | 三相交流電能計量、漏電電流測量、諧波分析、4路溫度采集功能,通過對配電回路的剩余電流、導線溫度等火災危險參數(shù)實施監(jiān)控和管理,可采集狀態(tài)量或控制斷路器,具備RS485通訊或4G通訊功能。 | 微電網(wǎng)電氣消防和數(shù)字化改造 | |
直流電能表 | DJSF1352-RN | 可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率以及正反向電能等,配套霍爾傳感器(可選)。 | 直流計量 | |
馬達保護 | ARD3M | 電動機保護控制器,適用于額定電壓至660V的低壓電動機回路,集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。其完善的保護功能確保電動機運行,強大的邏輯可編程功能可以滿足各種控制要求,多種可選配的通訊方式適應現(xiàn)場不同的總線通訊需求。 | 電機保護控制 | |
遙信遙控單元 | ARTU-KJ8 | 8路狀態(tài)量采集,8路控制輸出,導軌式安裝,485通訊,可實現(xiàn)斷路器或接觸器的遠程控制和狀態(tài)量采集。 | 狀態(tài)量采集和控制輸出 | |
充電樁 | AEV-AC007D | 7kW交流充電樁和30/60/120kW直流充電樁。具備測量、控制與保護的功能,如運行狀態(tài)監(jiān)測、故障狀態(tài)監(jiān)測、充電計量與計費以及充電過程的聯(lián)動控制等。 | 充電樁運營和充電控制 | |
智能網(wǎng)關 | ANet-2E4SM | 邊緣計算網(wǎng)關,嵌入式linux系統(tǒng),網(wǎng)絡通訊方式具備Socket方式,支持XML格式壓縮上傳,提供AES加密及MD5身份認證等需求,支持斷點續(xù)傳,支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協(xié)議 | 電能、環(huán)境等數(shù)據(jù)采集、轉換和邏輯判斷 |
表1企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化建設部分硬件設備
參考文獻
谷繼永.食用菌工廠能源管理的思考[J]食藥用菌.2023,31(1):7~11
黃晨陽,陳強,趙夢然.中國食用菌工廠化生產現(xiàn)狀與問題分析[J].農業(yè)工程技術(溫室園藝),2022(4):12-14
[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)選型手冊2023.02版
作者簡介
劉細鳳,女,現(xiàn)任職于江蘇安科瑞電氣股份有限公司,主要從事企業(yè)能效管理平臺的研發(fā)與應用。