技術文章

當前位置：首頁技術文章淺談基于企業(yè)微電網(wǎng)平臺的食用菌工廠的能源管理

淺談基于企業(yè)微電網(wǎng)平臺的食用菌工廠的能源管理

更新時間：2023-06-28

點擊次數(shù)：502

吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201801

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)的技術特點和競爭戰(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(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(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，而蔬菜供應不足時，則價格上漲。

1.2 技術特點

食用菌工廠化生產(chǎn)屬于大型設施類農(nóng)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(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)技術較難穩(wěn)定，導致生產(chǎn)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(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(jīng)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(chǎn)的成本結構

2.1 食用菌生產(chǎn)成本結構

根據(jù)金針菇工廠生產(chǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計的食用菌成本構成見圖2。食用菌的成本構成中生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(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(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(chǎn)。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(chǎn)生的利息成本。

在實際生產(chǎn)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(chǎn)食用菌鮮品的附屬產(chǎn)物，以其為燃料，滅菌成本僅鍋爐使用產(chǎn)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(chǎn)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(nóng)業(yè)項目，國家給予了農(nóng)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(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。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(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年的價格導致的企業(yè)經(jīng)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(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(jīng)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(jīng)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(chǎn)的副產(chǎn)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(chǎn)、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(chǎn)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(chǎn)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。

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(chǎn)現(xiàn)狀與問題分析[J].農(nóng)業(yè)工程技術(溫室園藝),2022(4):12-14
安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)選型手冊2023.02版

作者簡介

吳柯霓，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。