当前位置:新闻资讯 > 能源管理

精益能效管理(TEM)——能源数据价值的深度挖掘

作者: 源中瑞 发布时间:2019-09-11 14:04:22

导读:作者|张迪 北京大学中国持续发展研究中心

一、精益能效管理概述

  


  精益能效(TotalEnergy Management, TEM)是在全面质量管理(TQM)、全员设备保全(TPM)、精益六西格玛等国际先进管理方法基础上所发展起来的,将能源作为一种重要生产要素,将精益管理方法与能源管理实际相结合,并以能源价值(单位能源产出/利润)为度量的管理方法。

  


  这一方法的提出,弥补了传统工业工程(IE)专注于对人、物料、设备和信息等要素的系统集成,而对能源要素的未能有效覆盖的管理短板与方法盲区,是精益思想工具在能源领域的扩展应用,有助于对能源系统进行更为精准的管理与控制,实现能源价值。

  精益能效管理追求能源零浪费、系统最小波动(精准控制)、工序/介质间灵活响应(柔性生产)的管理目标,有效协同能源、生产、设备、财务、信息等各要素,实现能源生产力最优化(能源价值实现)。

  精益能效管理强调自上而下的系统策划,同时注重自下而上的现场改善,有效结合节能专家、专业机构的智力资源,以及现场人员能效改善小组(ESGA)的主动性优势。

  综合运用提案改善、5S、设备可用性分析、停机损失分析、产线平衡分析、价值流分析(VSM)等精益六西格玛工具,以及工艺参数分析、能源平衡分析、消耗/产量分析(EP)、能效极限分析等能源流分析工具。

  不仅能够规范能源管理、深挖节能潜力,更可指导能源管控系统(EMS)等自动化系统构架,挖掘能源数据的本源价值,为管理决策提供逆物料流向的数据支持,提高管理的透明度与精细度(颗粒度)。

  二、三类损失分析

  精益能效管理将能源相关损失分为:浪费(对应精益改善)、波动性(对应6改善)和不灵活性(对应约束理论)等三类,据此开发相应改进方法。

  

  1、七大能源浪费

  与精益改善现场七大浪费相对应,也可将现场的各种能源浪费分为过量生产、等待、输送、过度加工、库存、返工、移动等七大类,以便于区分识别并导入相应改善工具,具体介绍如下:

  能源的过量供应:如过量采购、设备加卸载/低负荷时的全负荷供应等;

  等待中的能源浪费:如设备空转、待机、暂停时的保障性供应等;

  输送过程的浪费:如线损/铜铁损、蒸汽/空压等管道浪费、能量转化中的效率损失、回收不充分、跑冒滴漏等;

  能源的过度加工:如蒸汽/空压等的高品低用、压力设定过高等;

  能源库存中的浪费:如煤炭等燃料存储中的风化/热值降低、能源验收/检验中的损失、采购规范不健全、计量误差等;

  返工:如不良品、返工矫正带来能源的额外使用等;

  移动:如设备移动、物品搬运等所消耗的能源等。

  说明:上述分类实际上只涵盖了几种最常见的能源浪费现象,远未能涵盖能源浪费的全部情景,重要的是由此建立分析基础和方法导入,换个角度来看能源。

  

  在精益制造的各种“流”分析过程中,能源流与物质流、价值流、信息流密切协同,交互运用单位价值时间与能源价值理念,有助于由此拓展能源价值管理的领域纵深。

  2、能效带宽

  2000年前后,美国先后进行了两次全国通用设备能效普查,并将数据汇总分析,提出了“能效带宽”这一概念,所指用能设备在各种工况下其能源效率呈现连续移动的“带”状移动。

  带宽的中心曲线即为设备效率控制点,带的宽幅代表了控制精度。

  

  用“能效带宽”衡量用能指标参数的波动特性,以此凸显设备能效的控制精度与移动轨迹范围,便可应用精益六西格玛等方法,识别各影响因素并逐一解决、收敛,从“增效”和“降耗”双向进行改善。

  示例说明:

  通过先进自动化专家优化系统(EO),将窑炉温度控制相关因素逐一收敛,使控制精度(能效带宽)从900±10°C优化到892±1°C,可实现对物料、燃料和炉温的三者协同:在保证质量和安全前提下,炉温可降低8°C。

  具体有两条线路:1)燃料供应不变,则可增加给料,从247吨/小时提高到249吨/小时(产能增加,即“增效”);2)若原料添加速度不变,则燃料消耗从14吨/小时降低到13.68吨/小时(能耗降低,即“节能”)。

  

  图:“能效带宽”及应用

  该系统广泛应用于国际领先水泥生产等企业,可实现设备在线率(连续生产)接近100%。

  以统计技术应用为基础的六西格玛管理方法在能源管理中的应用,有助于扩展、深化该方法的应用范围与内涵。

  3、系统协同

  对因能源供应与使用(生产)系统间的不灵活所带来的损失,一方面应通过提高生产组织计划精准度来稳定生产、尽可能连续生产、均衡生产,另一方面,可通过架构基于精益管理的企业能源管控系统来协同改进,提高能源调度管理水平。

  案例企业依托能源信息化系统进行数据关联,诊断出铸钢车间电炉和除尘器系统分别控制而且距离较远,容易出现电炉关闭后除尘系统未及时关闭的情况(下图左),利用信息平台发现问题后进行改造,实现了电炉和除尘器的联动(下图右),电炉生产间断期间每小时减少电费支出170元。

  运用约束理论的瓶颈分析,协同精益六西格玛与卓越运营等管理方法,可将能源价值管理三重路径进行归一化整合,从指标判据和改善模型等维度共同架构精益能效的方法论框架。

  

  改造前 改造后

  图:改造前后电炉(上)和除尘器(下)电流曲线对比

  三、归一化能源价值指标(精益能效的基本度量)

  正如TPM以综合设备效能(OEE),及其分解的三个指标:时间利用率A、性能利用率P、以及产品合格率Q来标定价值时间、度量浪费,三者相乘放大了每个缺陷与瑕疵,有助于进行更精细化的管理。

  

  TEM强调单位能源的产出价值,通过单位能源生产率、单位能源盈利率、单位停机能耗损失等指标来标定能源效率与损失浪费。

  这既是对单位产出能源消耗量(能源强度)这一传统指标的逆向分析,更是一种体现能源-价值流的进取型、主动性思维方式,其目的在于勾连每一个生产指挥活动与能耗、能源成本,便于达成跨专业能效共识,获得更广泛支持。

  表1 能源管理指标和能源价值指标异同比较

  

  通过单位热值价格指数、工序能源成本、千元盈利能耗、单位能源销售额/利润等技术经济指标,为能源管理指标价值化铺路搭桥。

  既体现能源热值等物理性能,也能反映能源的财务性能,并通过“能源成本占比”、“能效因子”(即各生产指令对能源成本的影响)等追踪性指标,勾连起每个指令所带来的能源成本,将其纳入运营决策,实现能源数据“主流化”。

  

  由此,可将能源数据与采购、制造、设备、财务等管理信息系统相勾连,据此建立各层级分析模型、输出相关指标,共同构成能源价值管理信息系统的内在逻辑(如下图)。

  企业以盈利为目的,不能体现成本的能源指标很难与运营管理的主流结合。一方面,专业化能源管理也造成财务等部门的沟通理解障碍,另一方面,能源管理与制造、成本、设备等专业管理未能形成合力,造成能源管理缺乏成本管理的数据支持,而成本等运营管理缺乏能源管理的专业支持。

  

  传统的能源指标管理是将电、煤、油、汽等所有等能源介质折算成标准煤(tec),不能反映燃料等能源种类变化对能源成本的影响,以及能源外购、加工转换、系统损失、设备维修、项目投资、相关费用等全部能源成本因素。建立能源价值指标有助于打通能源流与价值流的“任督二脉”,共同为管理决策提供依据。

  将价值流的成本管理工具方法与传统能源管理相结合,以能源价值最大为目标,分析能源管理对运营管理的影响和贡献,实现能源价值和能源数据价值,使能源管理精细化、显性化、程序化,克服传统能源管理的不足,拓宽能源管理的范围和深度,与企业的损益直接挂钩,从而得到非能源管理专业人员的认可和支持。

  四、精益能效五步法(DREAM模型)

  TEM融合了能源管理体系(EnMS)、精益六西格玛(DEMIC)、节能诊断(能源审计)、项目管理(PM),以及能源管控系统(EMS)等工具,提出基于能源价值改善视角的五个连贯步骤/阶段,即:Decision(决策)-- Research(调研)-- Evaluation(评估)-- Action(行动)-- Maintenance(维护)等,简称DREAM模型,亦称精益能效改善五步法。

  

  为便于能效小组开展工作,TEM工具包准备了现场调查表、成本分析表、事项清单、速算模板等系列管理工具,通过能效改善小组(ESGA)形式,开展自主改善,协同能效专家自上而下的诊断,以及基层员工自下而上改善的两种力量。

  

  图:TEM候选项目分类

  对项目分类,确定实施策略和优先顺序。

  A:小投资、技术简单、小回报(可由ESGA小组承担,快速改善)

  B:小投资、中等回报(可由项目经理组织)

  C:投资大、技术难、大回报(由公司项目主管部门跨部门组织)

  D:技术难,小回报(淘汰或备选,留待研究跟进)

  良好的项目管理与组织系统是能效提高的成功保障,DREAM每一个步奏都可细化到若干动作,分别对应相应管理工具、方法、表单,层层推进,有效实施。

  

  五、TEM的常用管理工具

  日本节能中心总结泰国经验,列举了一系列适宜的管理工具,并给予了简要介绍说明。

  1) 5S,提高生产力的五项基本活动:整理、整顿,清扫、清洁,和,素养。

  2) 七种浪费: 精益生产的七种浪费是一种减少影响公司盈利的七种浪费的分析过程

  3) 作业成本法(ABC)确定活动实际成本的分析方法,它专注于竞争力和盈利能力。

  4) 检查表是一项检查工具,以确保主要步骤或活动已经被实施,而不是被忘记。

  5) 5 W 1 H,指导工人按照工序工作的指南。

  6) Kaizen 快速改善提案

  7)QCC 全员提案/品管圈

  8) PDCA循环

  9)七项质量管理工具

  10) WHY- WHY分析,也叫5Why分析,丰田的五个为什么。

  11)价值流图与价值流分析

  12) PreventiveMaintenance (PM)预防性维修

  13) ProductiveMaintenance 生产性维护

  14) Six biglosses 六种主要损失

  15) Total QualityManagement (TQM) 全面质量管理

  16) TotalProductive Maintenance (TPM)精益生产/全员设备保全

  17) ToyotaProduction System (TPS) 丰田制造法

  18) LeanProduction System (LPS) 精益生产系统

  国标《GB/T29456 能源管理体系 实施指南》中,在“4.4.1 策划”环节中,总结了体用于体系化能源改善的若干工具。

  

  特别的,中国铝业在其所开发的能效模块中,也列举了十三项重要管理工具,每一项的实施都需要大量数据作保障。

  工具一:能源成本分析

  工具二:现场观测

  工具三:能耗动态分析

  工具四:负载曲线

  工具五:能耗桥分析

  工具六:能源生命周期分析

  工具七:能源流分析

  工具八:产能均衡

  工具九:网络损失分析

  工具十:工艺参数分析

  工具十一:可用性与等待损失

  工具十二:机器灵活性与效率分析

  工具十三:过程能源再利用

  TEM总结梳理了上述各类工具,并结合企业实际应用,提出了DREAM五步法,以及快速改善、小组活动、一点课等三项核心工具,并可根据各单位的实际情况灵活掌握、合理应用。

  

  六、TEM企业应用

  用能单位采用精益管理,对内要科学组织生产、优化流程、调整能源结构,提高设备管理和运行维护水平;对外可采用能效对标、合作交流等方式,与行业领跑者等最佳实践数据相对比,全面衡量内部结构、经营成果、持续发展等指标的控制水平,提升企业竞争力。

  用能单位一方面可将能源精细化管理与TPM、5S、精益六西格玛等以制造流程为主的运营系统相结合,一方面,应同时提升工业工程(IE)人员的能源知识和能源管理人员的精益知识,构建专业互补的能效小活动小组,结合内外部专家资源,从问题诊断开始推进现场和管理系统的能效改善;特别应结合能源管理体系、能源指标管理、能效对标、能源审计、能源管控中心等相关活动,以点带面、系统化推进能效改善,逐步导入精益能效。

  应用案例:鼓风机电耗基准和参数分析

  案例企业通过建立“能耗源”和“能效/成本影响因子”的双向维度,系统识别各用能环节及其影响因素,并与能源成本和能源生产力(单位能源价格指标、千元盈利能耗)等运营指标相关联,实现了对能源的科学管理。

  以高炉鼓风电耗为例。

  经筛选得出主要影响因素为:大气温度、大气湿度、送风压力、高炉定修与临休次数,以及风机效率、阀门泄漏、空转时间、吸入阻损、辅助系统等。

  其中大气温湿度等属于自然环境,可按季节特点做适应性分析;送风压力与停炉次数由生产制造部门控制,可通过能效因子加以区分;而风机效率、泄漏、空转、阻损、辅助系统等因素则属于风机运行管理部门可控因素。

  

  图:高炉鼓风能效的主要影响因素

  经测算,对各外部因素的影响回归如下:

  1)大气温度20℃,实绩温度每增减1℃,电耗增减0.3%;

  2)湿度12g/m3,实绩湿度每增减1g/m3,电耗增减0.038%;

  3)送风平均压力420kpa,实绩每增减10kpa,电耗增减1.5%;

  4)大于两小时的休风次数1次/月,实绩每增减一次,电量增减6万度;

  5)小于两小时的临时休风次数1次/月,每增减一次,电耗增减5万度。

  确定高炉鼓风电耗基准值为:8.07万度/兆立方米。

  实绩分析:某月电耗8.47万度/兆立方米,与基准值相比上升4.83%,分析如下:

  表:高炉鼓风电耗的影响因素分析

  项目

  基准值

  实绩值

  影响电耗

  送风压力

  420kpa

  432kpa

  +1.80%

  大气温度

  20℃

  26℃

  +1.80%

  大气湿度

  12g/m3

  16g/m3

  +0.15%

  大于2小时休风次数

  1次

  0次

  0

  小于两小时休风次数

  1次

  3次

  15万kwh(0.15%)

  合计

  +3.90%

  结论:外部因素合计贡献率为3.90%,其它内部因素影响上升0.93%,高炉鼓风工序全月比基准值多耗电93万度电。

  由此可由生产制造、技术设备与动力供应等部门按照所分担的能效因子分配该电耗指标,做到合理评价、精准控制。

  应用案例2:某企业电耗异常分析

  案例企业采用精益管理方法,将设备运行、故障、成品率、小停机等异常情况折合成效率时间,进一步与单位产品能耗电耗水耗等指标挂钩,实现了较为精准的能效指标管理,把每分钟/每次停机或故障、异常所带来的电耗/能耗损失显现出来,实现了能效管理可视化,上述手段有力地促进了企业单位能源效率的提升。

  

  应用案例3:电力最大需量计划管理

  在各种能源介质中,电能作为一种优质能源资源,除具有成本-效率等传统价值外,更是一种优质数据资源,也是进行智慧管理的要素组成。

  契约负荷(MD)即“最大需量”(kW),是指企业在一个电费结算周期内,每单位时间用电平均负荷的最大值。契约负荷管理直接反映出企业用电管理水平,实际用电负荷与契约用电负荷的差距越大,用电的成本就越高。低于契约负荷就要多付多余部分的基本电费,而高于契约负荷,高出部分就要加倍付费。

  

  图:2014与2015年35kV侧MD申请与实际值情况对比

  案例企业根据电力需求侧管理系统数据,优化生产用能(特别是大功率设备)的错时规划,科学地确定周期性的契约用电负荷(最大需量,MD)计划,来降低原高估的基础电价费用。自管理系统平台上线运行以后,企业MD的预测结果与实际值愈来愈接近。年节电率达1.5%。

  上述方法日本节能中心通过指导泰国、越南等东南亚国家,从TQM(全面质量管理,倡导人的因素)和TPM(全员设备保全,保障设备运行)两条路线,发展到TEM(全员能效管理),继而发展成为精益能效管理,并于2005年出版了项目报告《从TPM到TEM:泰国经验》,报告总结了一组十个泰国工业企业案例,通过成立449个能效改善小组(ESGA),实施了123个项目,年节电11,400,000kwh,节热840,000GJ以上(部分统计),累计节约费用45,601,960泰铢(约合9百万人民币)。

  国内上海市经济团体联合会曾组织过节能减排JJ小组活动,应用类似方法在汽车及建材等行业开展自主改善,取得积极成效。

  总之,用能单位导入精益能效管理(TEM)模式,对内挖掘节能潜力,对外增进交流学习,可不短提升能源管理素养,持续提升能源管理水平。

  一方面,日欧等先进企业过去二十年能源精准管理、系统管理的实践为本领域发展开拓了道路;另一方面,部分国内先进企业的实践也印证了这一道路的合理性与可行性。

  展望未来二十年,在工业4.0、智能制造、绿色制造、低碳发展的模式引领下,一大批中国企业将快速成长、超越发展,TEM所展示的管理方法论将得到越来越多的应用与呼应,不断推动我国能源经济产出水平提升与能效管理精细化的探索实践。

  参考文献:

  1、张迪,桂其林等,构建生态文明的微观基础(上、下)——宝钢“能源价值管理”实践探索[J].世界环境,2014.02/03

  2、桂其林.钢铁企业能源价值管理指标体系的设计与应用[J].冶金自动化.2014(02)

  3、张迪,企业环境行为经济分析[D].中国人民大学,2009.6

  4、张迪,精益能效管理(TEM)——能源数据价值的深度挖掘,电气时代,2019,02

  5、节能减排JJ小组活动:通读本、建材行业篇、汽车行业篇,中国标准出版社,2011

  6、中国铝业公司能效模块应用手册,百度文库

  7、 TOTAL ENERGYMANAGEMENT HANDBOOK:New Approachto Energy Conservation in Thailand, ECCJ, 2005.11

  作者简介:张迪,研究员,工学士、经济学博士,北京大学中国持续发展研究中心企业研究部主任,张迪工作室:致力于能源环境管理的经济学人主持人、阳光道场丨精益能效创新中心负责人,能源环境经济政策研究者。曾承担数十项国家相关课题,指导过数百家企业能源与环境管理工作,承担教学超过3000小时,开发有精益能效管理(TEM)、现代大型钢铁企业基于“三流一态”的能源价值管理模式研究(合作项目,21届国家管理创新奖)、面向“十三五”节能教育培训方法论(O2O模型)等。联系方式,微信:zddi1969, 邮箱:zddi@vip.sina.com,欢迎就此领域课题进行探讨、合作。

  看完此文,热爱精益的您如果有任何想法,欢迎在留言区畅所欲言,优秀留言有机会录入标杆精益·益友会“益问益答”栏目集锦。

  关于益问益答:本栏目旨在搭建精益管理智库,本着“取之于民,用之于民”的原则,即“问题和答案均来源于益友”,实现益友间的经历和经验互通,在提出问题、回答问题、收获答案、实际应用、再提出问题的闭环管理中提升彼此的精益水平。

  每天固定时间段在全国40+益友会微信群提出问题

  万名益友群策群力

  答案集锦在标杆精益公众号“益问益答”栏目公布

  (欲了解更多详情,后台输入“益问益答”即可)

  温馨提示:益友会钢铁分会成立啦!欢迎大家申请加入

  关于益友会:“益友会”简介(益友版)

  如何加入益友会:

  识别二维码加入益友会

  


  资料来源:标杆精益·益友会

  文章编辑:Blean