安科瑞關(guān)于企業(yè)微電網(wǎng)平臺的食用菌工廠的能源管理

摘  要：從食用菌生產(chǎn)經(jīng)營者角度指出食用菌工廠化生產(chǎn)的產(chǎn)品生鮮屬性、微生物培養(yǎng)的技術(shù)特點(diǎn)和競爭戰(zhàn)略難以突破決定了成本控制是經(jīng)營的核心。分析食用菌生產(chǎn)的成本構(gòu)成，指出加強(qiáng)能源管理是節(jié)本增效的重要途徑，從電費(fèi)的分類和改變方式、滅*的燃料選擇和改改變善方法、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(jī)）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變目標(biāo)、劃分區(qū)域、明確費(fèi)用、改變實(shí)施和核算結(jié)果。

關(guān)鍵詞：食用菌；節(jié)能分析;能源管理系統(tǒng)；電費(fèi)分類；太陽能

0 引言

   2006年以來，中國食用菌工廠化生產(chǎn)得到迅速發(fā)展。據(jù)報道，2021年全國食用菌工廠化總產(chǎn)量為280.4萬噸，比2019年343.68萬噸下降了63.28萬噸，其中，產(chǎn)量較高的三個品種為金針菇（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(chǎn)主要品種合計占年總產(chǎn)量的百分之68。

1 食用菌工廠化生產(chǎn)的特性

1.1產(chǎn)品屬性

   目前食用菌工廠化生產(chǎn)的產(chǎn)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(fù)值（圖1）。食用菌鮮品銷售的市場總?cè)萘肯鄬^小，其替代品主要是蔬菜類，價格受蔬菜產(chǎn)品的影響較大，順季蔬菜大量上市時，食用菌產(chǎn)品價格降低，而蔬菜供應(yīng)不足時，則價格上漲。

1.2技術(shù)特點(diǎn)

    食用菌工廠化生產(chǎn)屬于大型設(shè)施類農(nóng)業(yè)，一次性投資較大，運(yùn)營資金相對較少。由于食用菌屬于微生物范疇，因此其技術(shù)屬性為采用農(nóng)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(chǎn)技術(shù)較難穩(wěn)定，導(dǎo)致生產(chǎn)風(fēng)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(nèi)企業(yè)一般以成本為主型為主。

    從食用菌工廠經(jīng)營的三大要素——收入、成本及生產(chǎn)效率來講，由于產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、生物學(xué)效率各個工廠差別較大，因此成本控制是經(jīng)營的核心要素。食用菌工廠產(chǎn)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(chǔ)單價每波動0.1元/千克，所對應(yīng)銷售額的影響接近百分之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(jīng)營管理的要點(diǎn)是質(zhì)量的穩(wěn)定性與成本的控制能力。

2食用菌生產(chǎn)的成本結(jié)構(gòu)

2.1食用菌生產(chǎn)成本結(jié)構(gòu)

   根據(jù)金針菇工廠生產(chǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計的食用菌成本構(gòu)成見圖2。食用菌的成本構(gòu)成中生產(chǎn)成本占比百分之92，其主要由原材料、人工費(fèi)用、制造費(fèi)用和包裝費(fèi)用四大費(fèi)用構(gòu)成。其中，制造費(fèi)用占總成本的百分之20，占生產(chǎn)成本的百分之21.74。而制造費(fèi)又以能源費(fèi)為主，占制造費(fèi)用的百分之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(diǎn)。能源管理主要為電費(fèi)、滅*燃料費(fèi)用，而日常產(chǎn)生的設(shè)施設(shè)備維修費(fèi)也牽涉到能源的費(fèi)用；折舊費(fèi)與設(shè)備投資直接相關(guān)，不同投資的設(shè)備也會產(chǎn)生不同的能源管理費(fèi)用。

2.2電費(fèi)的分類

   以金針菇工廠化生產(chǎn)為例，設(shè)備電費(fèi)按照技術(shù)改變途徑可分為兩類：工作類和環(huán)境類，具體見圖3。

2.2.1工作類。

   主要為拌料、裝瓶、搔菌、包裝、挖瓶等工序設(shè)備，其能耗管理基本計算公式為：能耗=工作設(shè)備功率×工作時間。

2.2.1.1拌料車間

   電費(fèi)主要組成：攪拌鍋、輸送帶、水泵，主要是靠電機(jī)帶動。對能耗的管理就是通過改變作業(yè)流程，縮短工作時間。另外可根據(jù)物料不同選用適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)功率。

2.2.1.2裝瓶車間

   電費(fèi)主要組成：空壓機(jī)、輸送線、裝瓶機(jī)、打孔機(jī)、蓋蓋機(jī)、上筐機(jī)械手。其中裝瓶打孔涉及氣動設(shè)備，而空壓機(jī)是高能耗設(shè)備，如何保證機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，降低設(shè)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(shè)備之間的匹配問題，生產(chǎn)效率的一致性越高，則相應(yīng)的能耗就會越低。

2.2.1.3搔菌車間

   電費(fèi)主要組成：下筐機(jī)械手、輸送線、去蓋機(jī)、搔菌機(jī)、除*渣設(shè)備等。以工作類設(shè)備為主，氣動和電機(jī)類較多，具體改變方法與拌料、裝瓶車間相同。

2.2.1.4包裝車間

   電費(fèi)主要組成：輸送帶、包裝機(jī)、空壓機(jī)。包裝機(jī)主要為電機(jī)和氣動設(shè)備，具體改變方法同上。

2.2.1.5挖瓶車間

   電費(fèi)主要組成：輸送線、氣動式或者機(jī)械式挖瓶設(shè)備、空壓機(jī)。具體改變方法同上。

2.2.2環(huán)境類。

    主要涉及強(qiáng)冷室、接種室、培養(yǎng)庫、出菇房。廠房建設(shè)時應(yīng)注意庫房的密閉性及保溫性能，庫房設(shè)計、庫板選擇和工程安裝均應(yīng)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(shè)備調(diào)節(jié)氣候因素，達(dá)到周年化生產(chǎn)良好高產(chǎn)食用菌產(chǎn)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(shè)備來完成，不同設(shè)備之間差別較大，按照冷卻介質(zhì)不同，主要為風(fēng)冷式和水冷式；壓縮機(jī)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(diào)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(fēng)冷式或水冷式氟利昂機(jī)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(chǎn)模式，是食用菌生產(chǎn)能源管理大的影響因素。在工作類設(shè)備中，選型尤為重要，不應(yīng)簡單對比設(shè)備價格，正確的成本核算應(yīng)是機(jī)器的折舊成本+機(jī)器的運(yùn)行費(fèi)用，這個指標(biāo)終影響我們的生產(chǎn)。例如空壓機(jī)，簡單的電機(jī)啟停類與永磁變頻類運(yùn)行成本有明顯的差別，購置價格差別也大，應(yīng)綜合考慮機(jī)器折舊費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。如果初始投資過大，那么還要考慮因投資產(chǎn)生的利息成本。

    在實(shí)際生產(chǎn)中，電費(fèi)占比大的是暖通設(shè)備，而暖通設(shè)備的技術(shù)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(shè)備是建廠的時候即需確定的，所以要慎之又慎。

2.3滅*費(fèi)用分析

    從疫情開始以后，天*氣價格急速變化，導(dǎo)致以天*氣為滅*燃料的食用菌工廠燃料費(fèi)用大幅上漲，甚至翻倍。燃料費(fèi)是滅*費(fèi)用中大的一項，根據(jù)不同地區(qū)的環(huán)保要求，采用天*氣、料渣、生物質(zhì)顆粒三種燃料的滅*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(chǎn)食用菌鮮品的附屬產(chǎn)物，以其為燃料，滅*成本僅鍋爐使用產(chǎn)生的少量電費(fèi)和菌渣成本，費(fèi)用非常低；生物質(zhì)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)的燃煤高百分之20左右；天*氣成本高，其隨著市場變化波動較大，例如2022年天*氣價格在7元/千克左右，對應(yīng)滅*成本比歷史平均成本高出2倍。滅*設(shè)備主要由鍋爐、管道、滅*柜組成，對于節(jié)能，鍋爐的能效比是關(guān)鍵，剩余就是管道和滅*柜的保溫。滅*后的蒸汽排出溫度較高，可加以回收利用。目前常用的天*氣類型主要是兩種：一種是管道天*氣（CNG，氣態(tài)），又叫壓縮天*氣；另一種是液化天*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(nèi)，其氣化過程釋放大量冷能，可以采取相應(yīng)的措施進(jìn)行回收。

3未來能源管理可以擴(kuò)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(biāo)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(diǎn)。

1）食用菌工廠化企業(yè)屬于高耗能企業(yè)，每千瓦時所產(chǎn)生的銷售額與其他行業(yè)相比明顯偏高。

2）食用菌在行業(yè)劃分上屬于農(nóng)業(yè)項目，給予了農(nóng)業(yè)用電的優(yōu)惠價格，但應(yīng)從長遠(yuǎn)考慮此項政策的可持續(xù)性。

3）隨著目前太陽能的快速發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，特別是目前單晶硅的技術(shù)革新，光電轉(zhuǎn)化率得到很大提升，而對應(yīng)太陽能的每千瓦的裝機(jī)投資額正在逐年降低，也就意味著回報率上升。

4）食用菌栽培屬于大型設(shè)施類農(nóng)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。

5）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。

6）從經(jīng)營角度來講，食用菌產(chǎn)品價格隨著蔬菜價格暴漲暴跌，出于企業(yè)穩(wěn)健經(jīng)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(dǎo)致的企業(yè)經(jīng)營問題。但現(xiàn)金留存收益較低，適當(dāng)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(jī)

   溴化鋰吸收式制冷機(jī)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(jī)相比，這種制冷機(jī)以熱能來制冷，有明顯的節(jié)電特點(diǎn)；運(yùn)行沒有毒、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(nèi)的冷媒水放出熱量而降溫，獲得冷量，所產(chǎn)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(diǎn)遠(yuǎn)低于溴化鋰的沸點(diǎn)，水分汽化析出后進(jìn)入冷凝器，冷卻凝結(jié)成水，然后經(jīng)U形管節(jié)流降壓，進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行再一次的蒸發(fā)、制冷。發(fā)生器內(nèi)被濃縮的溶液經(jīng)過溶液熱交換器預(yù)冷后再進(jìn)入吸收器，進(jìn)行另一次循環(huán)。

   隨著環(huán)保政策的成熟化和環(huán)保設(shè)備的發(fā)展，在滿足法規(guī)的要求下，企業(yè)可以通過燃燒食用菌生產(chǎn)的副產(chǎn)物廢菌渣來提供能源。既滿足了滅*對蒸汽的需求，又能通過蒸汽配合溴化鋰空調(diào)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(shí)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(chǎn)、分配、轉(zhuǎn)換和消耗的全過程進(jìn)行科學(xué)的計劃、組織、檢查、控制和監(jiān)督工作的總稱。食用菌工廠進(jìn)行能源管理的基本思路如下。

4.1確定改變目標(biāo)

    目標(biāo)越明確，意識越強(qiáng)烈，達(dá)到目標(biāo)的成功率就越高。在目標(biāo)改變的過程中，會面臨各式各樣的問題，所以需要不斷地對目標(biāo)加以修正。

4.2劃分區(qū)域

   劃分區(qū)域的目的是找到實(shí)際的執(zhí)行主體，只有深入了解日常的工作，才可能找到可改變的部位。

4.3明確費(fèi)用

   改變之前，要有數(shù)字統(tǒng)計的明確費(fèi)用，清楚改變設(shè)備和問題所在。

4.4改變實(shí)施

   改變實(shí)施時，需要對相關(guān)的知識和原理有一定的認(rèn)識。對于一般的設(shè)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(shè)備，需要能夠構(gòu)建模型，把大的設(shè)備進(jìn)行拆分，用小區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證，然后逐步改變改進(jìn)。

4.5核算結(jié)果

   核算結(jié)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(jié)，也可為下一步的改變確定更為明細(xì)的目標(biāo)。

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(guān)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(fù)荷設(shè)備和分布式發(fā)電設(shè)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(guān)，每個智能網(wǎng)關(guān)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(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后上傳EMS或轉(zhuǎn)發(fā)第三方平臺，網(wǎng)關(guān)可以根據(jù)預(yù)設(shè)閾值或自動學(xué)習(xí)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(guān)上傳的數(shù)據(jù)生成各類圖表、控制策略和分析結(jié)論，并響應(yīng)虛擬電廠的調(diào)度指令，系統(tǒng)架構(gòu)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(luò)架構(gòu)

    AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)包括企業(yè)負(fù)荷側(cè)的電力監(jiān)控、能耗統(tǒng)計、電能質(zhì)量分析及治理、智能照明控制、主要用能設(shè)備監(jiān)控、充電樁運(yùn)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(jìn)行進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一運(yùn)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(bǔ)償柜及電纜等配電相關(guān)設(shè)備的電氣參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、接點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)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(zhì)量并進(jìn)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?xì)獾饶茉聪模M(jìn)行分類分項能耗統(tǒng)計，計算單位面積或單位產(chǎn)品的能耗數(shù)據(jù)以及趨勢，對標(biāo)主要用能設(shè)備能效進(jìn)行能效診斷，計算企業(yè)碳排放，為企業(yè)制定碳達(dá)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(shí)現(xiàn)定時控制、光照感應(yīng)控制、場景控制、調(diào)光控制等，并結(jié)合紅外傳感器、超聲波傳感器，實(shí)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(shí)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(yùn)行情況，包括逆變器運(yùn)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(yùn)行，包括運(yùn)行模式、功率控制模式，功率、電壓、電流、頻率等預(yù)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(diǎn)和電價波動以及上級平臺指令設(shè)置儲能系統(tǒng)的充放電策略，控制儲能系統(tǒng)充放電，實(shí)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(yùn)營管理

    監(jiān)測企業(yè)充電樁的運(yùn)行狀態(tài)，提供充電樁收費(fèi)管理和狀態(tài)監(jiān)測功能，并根據(jù)企業(yè)負(fù)荷率變化和虛擬電廠的調(diào)度指令調(diào)節(jié)充電樁的充電功率，使企業(yè)微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖11充電樁管理

5.7需求響應(yīng)

    根據(jù)企業(yè)負(fù)荷波動數(shù)據(jù)，再結(jié)合虛擬電廠的調(diào)度指令，決定以何種方式參與電網(wǎng)需求響應(yīng)，平臺可通過給儲能系統(tǒng)下發(fā)控制策略，調(diào)整充發(fā)電時間。平臺在需求響應(yīng)時間段調(diào)整可控負(fù)荷功率，停止給可中斷負(fù)荷供電，并且可以根據(jù)企業(yè)可控負(fù)荷數(shù)據(jù)制定需求響應(yīng)控制策略，實(shí)現(xiàn)一鍵響應(yīng)。

圖12企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)需求響應(yīng)示意圖

6微電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)硬件設(shè)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(guān)等設(shè)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(hù)和監(jiān)測產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、電能質(zhì)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(wù)能力，部分設(shè)備見表1。

表1企業(yè)微電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)部分硬件設(shè)備

參考文獻(xiàn)

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