工业互联网:突破智慧和机器的界限(五)

【编者按】大量的能源资源被用来生产世界所需的货物和服务。如果将能源生产和转换看成是制造业和运输业的附加物，工业互联网将对全球过半数的能源消费产生有益影响。

能耗视角

图6 2011年全球能源流动

智能技术和健全网络相融合的一个主要益处是节能降耗和降低成本。能源体系的局限性越来越明显。目前，全球普遍面临着资源短缺、环境污染、基础设施落后的问题。工业互联网的兴起可能是对资源限制和稀缺的一个直接回应。因此，考察工业互联网规模的另一视角可以从了解全球工业体系的能源足迹着手。大量的能源资源被用来生产世界所需的货物和服务。如果将能源生产和转换看成是制造业和运输业的附加物，工业互联网将对全球过半数的能源消费产生有益影响。

能源行业涉及最终能源消耗的一系列活动，它包括：

发掘燃料(如石油、天然气、煤炭、铀)或利用水、风和太阳能

将初始燃料提炼、加工为最终可配送的产品(如石油、液态天然气等)

将燃料转化为电力

2011年，全世界生产的能源超过130亿吨油当量，为方便比较以石油为标准(十亿吨油当量，Btoe)。美国所有的小汽车和轻型汽车(约2.4亿辆)消耗不到一半的Btoe。全球一次能源生产的13Btoe中，4.9Btoe以40%的转化率被转化为电，而其他8.1Btoe则经过提炼、提纯、洗煤、转化等流程运输和配送到能源消费者手中。值得注意的是，能源生产伴随着巨大的成本。为了维持和提高能源供给，全球能源工业(包括煤、天然气、石油、电力等)每年需注资19万亿美元(几乎是全球GDP的3%)。大量高成本的能源消耗为持续应用工业互联网技术提供了广泛的空间。

转向能源的消费端，世界上的一次能源被转化为9.5 Btoe的可用能源产品，包括1.9 Btoe的电力和7.1 Btoe的其他可用燃料。36%的工业最终用户的能耗形式为电力、柴油、炼焦煤、天然气和化学原料。这与经济视角中描述的制造业基本一致。在工业领域内，消耗能源最多的是钢铁和金属工业及石油化工业。这些重工业约占工业总能耗的50%。最近的研究表明，使用最佳实践技术将使重工业的能耗降低15%-20%。通过联合工艺、循环优化、有效使用和维护发动机和旋转设备，持续发展的工业互联网应用推动工业逐步降低能耗。

运输业是另一个能源消费大户，占全球能源需求(主要是石油制品)的27%。运输业中近一半(48%)的燃料消费源于重型机车，包括卡车、公交、飞机、船舶、铁路机车等，另一半(52%)运输能源用于轻型车。工业互联网中最让人期待的一项技术是通过信息技术和联网设备体系优化运输业。假设大部分大型机车和小部分轻型车能获益，工业互联网技术将影响14%的全球运输燃料需求。

为完成全球能源消费的实质转变，需要从多个角度着手，并将面临多项挑战。对每个系统和次系统应从系统内表现及其与更大能源网络的相互影响进行评估。

看上去，过去二十年的流程管理和自动化进程基本成功。当部分能源系统在优化时，一些新的尝试还在进行着。许多与能源生产和转化相关的机器、设备、机组、网络的效率低下，随着工业互联网的发展，该效率会随之提高。

实物资产的视角

关于工业互联网发展机遇的第三种视角是研究与工业系统各个组成部分相关的具体实物资产。工业系统由大量的机器和关键系统组成。目前，世界上有数百万台机器，范围从简单的发动机到医疗服务领域用到的极为先进的CT。所有这些设备的部件及相关信息(温度、压强、振动，以及其他关键指标)，对于了解设备本身的性能，以及设备与机器和系统的关系具有价值。

特别值得关注的一个领域涉及到关键的旋转机械。虽然很难知道世界工业体系中机器、设备、机组和网络的具体数量，但对特定的工业组成部分进行分析，可以了解工业体系的规模。

下表2列出了在重要工业分类中旋转机械重要组成部分示例清单。在这个清单中，当今有超过300万种的主要旋转机械。该数目的得出基于对这些机械和工厂重要系统过程所作出的基本评估。

工业系统的高度定制化使得对比分析变的困难。然而，以旋转设备的关键套件、用于目标监测和控制的关键元件为依据，可以做出一般性评估。结果是对工业体系部分“旋转物体”的估计。所有受温度、压力、振动、其他关键指标影响的这些资产，已经通过或可以通过远程监测、模拟和控制的方式，提升安全性,提高生产力,节省运营成本。

表2旋转的物体:旋转机械示例清单

商用喷气飞机

旋转部件的数量和商用喷气飞机发动机组的潜能都较大。根据喷气飞机信息服务，2011年，世界上正在使用的商用喷气飞机和航空发动机数量约分别为2.15万架和4.3万台。最常见的商用喷气式飞机由双喷气发动机组提供动力。每天每架商用喷气式飞机起飞三架次，全年所有的商用喷气式飞机共计起飞2300万架次。每一个喷气式发动机都含有很多移动部件；然而，其中有三个关键的旋转设备：涡轮风扇、压缩机、涡轮机，需要对这三个设备分别进行控制和监测。在当今的商业机群中，大约有12.9万个旋转设备在运转。除了商业喷气式飞机外，这种设备还应用于军事和非商业性的通用飞机，且数量是商用喷气式飞机的10倍以上。喷气式飞机的设备底线需求量巨大，而且每天都在增长。GE航空集团估计，要满足不断增长的航空旅行需求，未来15年全球还需新增3.2万台发动机。在全球飞机的商业发动机中，这意味着还需要10万个旋转机械。

联合循环电站

如同全球火电厂那样，互联网设备同样有着较大的发展机遇。目前，世界上大约有6.25万家火电厂，总容量为30百万瓦特或更大。电厂的全球总容量约为5200千兆瓦(GW)。图7列出了这些电厂的分布情况。联合循环电站仅占全球火电站的2.5%，大约1768家。这些电厂的全球装机容量为564千兆瓦。

图7按技术分类的全球发电厂机组

联合循环燃气轮机串联使用燃气轮机和蒸汽轮机，把同源的热能——天然气——转化为动能，然后转换为电能。将燃气轮机和蒸汽轮机结合，联合循环的燃气轮机用到两种热力循环(燃气涡轮的布雷顿循环和蒸汽轮机的兰金循环)，提高了效率，降低了运营成本。联合循环燃气轮机发电厂通常使用多套燃气涡轮——蒸汽涡轮机的组合。

目前最常见的联合循环配置是2x1，它使用两台燃气涡轮和一台蒸汽涡轮机，包括6个主要旋转部件：2台燃气涡轮机，2台燃气涡轮发电机，1台蒸汽涡轮机，1台蒸汽涡轮发电机。除了大的关键系统外，发电厂还有其余的99组旋转部件——从水泵到空气压缩机。一个2x1联合循环电厂需要使用105个旋转部件。

考虑到全球联合循环机组的影响。如果仪表被应用到1768个电厂的所有组件中，这将需要适用于仪表的1.06万个重要系统部件和17.5万个小的旋转部件。未来15年，全球工业系统还需要新增总装机容量为638千兆瓦，约2000个联合循环电站。这将需要额外配备1.2万台大型旋转设备，以及至少配备 20万个较小的旋转设备，以满足电厂需求。如果其他类型的电厂也被考虑在内，工业互联网技术范围的进一步扩张则显得尤为重要。

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