合同能源管理在水泥企業(yè)的應(yīng)用分析

賈丕建，張小東，邢學(xué)榮

（1.煙臺市節(jié)能監(jiān)察支隊，山東 煙臺 264003；2.煙臺市清潔能源檢測中心，山東 煙臺 264001）

近幾年，水泥行業(yè)生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量、單位能耗、除塵降噪等各項指標(biāo)均大幅提高，煤耗和電耗均大幅降低，但與國外先進水平相比，我國水泥行業(yè)無論在生產(chǎn)工藝、單位產(chǎn)品能耗等方面還有一定的差距，而拖動大容量風(fēng)機的高壓電動機耗電量約占廠用電量的30%～40%，因此改造高壓電動機的運行模式和控制方式成為節(jié)能降耗的有效途徑。但是由于高壓變頻器設(shè)備一次性投資大，加大了企業(yè)資產(chǎn)負(fù)債率，對企業(yè)目前需要實現(xiàn)的效益目標(biāo)形成障礙，而合同能源管理就是高壓變頻器技改項目運作及順利實施的關(guān)鍵。

合同能源管理（energy performance contracting,EPC）是一種新型的市場化節(jié)能機制，其實質(zhì)就是以減少的能源費用來支付節(jié)能項目全部成本的節(jié)能服務(wù)方式。能源管理合同在實施節(jié)能項目投資的企業(yè)（用戶）與專門的盈利性能源管理公司之間簽訂，雙方通過實施節(jié)能項目獲取“綠色利潤”。2010年國家先后出臺發(fā)布了《合同能源管理財政獎勵資金管理暫行辦法》、GB/T 24915—2010《合同能源管理技術(shù)通則》，分別從政策和財政上予以扶持，有力地推動了節(jié)能技術(shù)改造項目的開展。

1 項目概況

蓬萊蔚陽水泥有限公司水泥生產(chǎn)線為新型干法預(yù)分解窯，配套一座6 MW低溫余熱發(fā)電站，生產(chǎn)過程全部實行集散控制系統(tǒng)（DCS）集中控制，實現(xiàn)了生產(chǎn)規(guī)?；?shù)字化和自動化，產(chǎn)品各項技術(shù)指標(biāo)達到同行業(yè)先進水平，年生產(chǎn)水泥200萬t。

項目是由煙臺東方電子科技發(fā)展有限公司以合同能源管理模式全額投資實施的節(jié)能技術(shù)改造項目，改造內(nèi)容包括對1號磨循環(huán)風(fēng)機、2號磨循環(huán)風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機、窯頭排風(fēng)機、煤粉通風(fēng)機、窯尾高溫風(fēng)機等6臺高壓電動機及2臺蓖冷機冷卻風(fēng)機的低壓電動機進行變頻技術(shù)改造，通過新增變頻器系統(tǒng)，在滿足運行工藝要求（保證風(fēng)量和生產(chǎn)工藝）的前提下，改善原有運行方式，從而達到節(jié)約電能、改善運行工藝的目的。

煙臺東方電子科技發(fā)展有限公司對“蓬萊蔚陽水泥有限公司高壓變頻EPC改造項目”（以下簡稱項目）全額投資，獨自承擔(dān)項目的風(fēng)險，完成項目的設(shè)計、改造設(shè)備（DF5000系列高壓變頻器系統(tǒng)與低壓變頻器系統(tǒng)）的提供及安裝調(diào)試、電氣施工工程（電纜敷設(shè)、檢測試驗等）的實施、合同能源管理期內(nèi)的技術(shù)服務(wù)等內(nèi)容。

依據(jù)雙方簽訂的能源管理合同，在項目合同期內(nèi)，煙臺東方電子科技發(fā)展有限公司擁有對項目有關(guān)投入(包括原材料、設(shè)備、技術(shù)等)所有權(quán)，并定期與蓬萊蔚陽水泥有限公司分享項目產(chǎn)生的節(jié)能效益。在煙臺東方電子科技發(fā)展有限公司的項目資金、運行成本、所承擔(dān)的風(fēng)險及合理的利潤得到補償之后（合同期結(jié)束），設(shè)備的所有權(quán)將轉(zhuǎn)讓給用戶，蓬萊蔚陽水泥有限公司最終將獲得高能效設(shè)備和享受合同期后產(chǎn)生的全部節(jié)能效益。

2 項目的節(jié)能診斷

蓬萊蔚陽水泥有限公司水泥生產(chǎn)線的新型干法預(yù)分解窯所配的風(fēng)機主要是離心風(fēng)機，主要以控制風(fēng)量或負(fù)壓為目標(biāo)量，在項目實施前，煙臺東方電子科技發(fā)展有限公司技術(shù)人員對現(xiàn)場進行了監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)1號磨循環(huán)風(fēng)機、2號磨循環(huán)風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機、窯頭排風(fēng)機、煤粉通風(fēng)機、窯尾高溫風(fēng)機等6臺高壓電動機與蓖冷機四室、五室低壓電動機驅(qū)動的風(fēng)機風(fēng)量由風(fēng)門調(diào)節(jié)，且風(fēng)門開度均比較小，存在較大的節(jié)能空間，實際運行時，大部分的能量都被消耗在擋板上，且擋板的開度越小則消耗在擋板上的能量也就越多，通過節(jié)能診斷分析，項目實施前，在如下幾方面情況造成電能大量浪費。

（1）風(fēng)機運行中實際風(fēng)量僅為額定風(fēng)量的一部分，風(fēng)機遠(yuǎn)離額定工作點運行，其實際運行效率很低，能耗浪費問題嚴(yán)重。

（2）由于擋板的存在，擋板前后存在壓差，消耗了很大一部分能量，同時加大了對管道和風(fēng)機的磨損。

（3）采用人工方式來調(diào)節(jié)擋板，操作麻煩，實時性差。

（4）電動機直接啟動，啟動電流為額定電流的6～8倍，嚴(yán)重影響電動機的絕緣性能和使用壽命，并會對電網(wǎng)造成較大沖擊。

（5）電動機運行功率因數(shù)最高為0.8，功率因數(shù)低，無功損耗大。

3 項目方案設(shè)計

3.1 技術(shù)改造節(jié)能原理

項目通過技術(shù)改造，新增高、低壓變頻器系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)電動機運行頻率（轉(zhuǎn)速）的方式替代了原有的調(diào)節(jié)風(fēng)門的運行方式，從而起到節(jié)省電能、提高功率因數(shù)、改善運行工藝的作用，其節(jié)能原理如圖1所示。從風(fēng)機的運行曲線圖來分析采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果。

圖1 風(fēng)機的運行曲線

當(dāng)所需風(fēng)量從Q1減小到Q2時，如果采用調(diào)節(jié)風(fēng)門的辦法，管網(wǎng)阻力將會增加，管網(wǎng)特性曲線上移，系統(tǒng)的運行工況點從A點變到新的運行工況點B點運行，所需軸功率P2與面積H2×Q2成正比；如果采用調(diào)速控制方式，風(fēng)機轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，其管網(wǎng)特性并不發(fā)生改變，但風(fēng)機的特性曲線將下移，因此其運行工況點由A點移至C點，此時所需軸功率P3與面積HB×Q2成正比。從理論上分析，所節(jié)約的軸功率ΔP與（H2-HB）×（B-C）的面積成正比。

3.2 項目技術(shù)改造方案

通過新增的高壓變頻器系統(tǒng)與低壓變頻器系統(tǒng)，使風(fēng)機可以在變頻運行狀態(tài)和工頻運行狀態(tài)間進行切換，即使在變頻器發(fā)生故障時也不會影響風(fēng)機的運行，保證不因增加高壓變頻器系統(tǒng)與低壓變頻器系統(tǒng)而降低原有系統(tǒng)的整體可靠性，同時在變頻運行時，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，達到節(jié)能效果。改造后的一次主回路系統(tǒng)如圖2。

圖2 改造后的一次主回路系統(tǒng)圖

DF5000系列高壓變頻器與低壓變頻器系統(tǒng)是一種高可靠、高效率、高節(jié)能、無污染的變頻裝置。設(shè)備網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高于0.96，無需進行無功補償；系統(tǒng)效率大于96%；輸入輸出諧波滿足IEEE Std 519—1992及GB/T 14549—1993要求，對電網(wǎng)無諧波污染，同時優(yōu)良的輸出電壓波形也消除了電動機發(fā)熱，附加應(yīng)力等問題，大大延長了電動機的使用壽命。

低壓變頻系統(tǒng)核心設(shè)備采用ABB公司生產(chǎn)的低壓變頻器,運行高效穩(wěn)定,通過控制輸出頻率來控制電動機轉(zhuǎn)速，從而達到節(jié)能的目的。

3.3 項目改造設(shè)備情況

項目改造的1號磨循環(huán)風(fēng)機、2號磨循環(huán)風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機、窯頭排風(fēng)機、煤粉通風(fēng)機、窯尾高溫風(fēng)機等6臺高壓電動機驅(qū)動的風(fēng)機，技術(shù)改造前均未處于滿負(fù)荷運行狀態(tài)，擋板開度均未到80%，通過技術(shù)改造，達到了改善運行方式、節(jié)約電能的效果。節(jié)能技術(shù)改造設(shè)備情況見表1。

表1 節(jié)能技術(shù)改造設(shè)備表

3.4 項目電能監(jiān)測計量

煙臺東方電子科技發(fā)展有限公司與蓬萊蔚陽水泥有限公司就項目的電能計量位置、方式進行了確認(rèn)，1號磨循環(huán)風(fēng)機、2號磨循環(huán)風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機、窯頭排風(fēng)機、煤粉通風(fēng)機、窯尾高溫風(fēng)機等6臺高壓電動機及2臺蓖冷機冷卻風(fēng)機的低壓電動機均加裝了單獨計量智能電能表進行能源計量，計量裝置型號為DSSD178。

采用的DSSD178智能電能表符合IEC687和GB/T 17883—1999、GB/T 17215—2002、GB/T 17882—1999、DL/T 614—1997、DL/T 645—1997等標(biāo)準(zhǔn)。具有各種計量、顯示、通信、監(jiān)控等功能，可以精確地分時計量三相正反向有功電能、四象限無功電能以及需量；精密實時測量三相電壓、電流、有功無功功率、功率因數(shù)等；檢測并記錄失壓、失流、斷相等事件。

4 項目實施節(jié)能效果監(jiān)測分析

技術(shù)改造項目實施后，用戶蓬萊蔚陽水泥有限公司和第三方機構(gòu)煙臺清潔能源檢測中心分別對實施后節(jié)能效果進行了監(jiān)測分析。

4.1 蔚陽水泥有限公司項目的節(jié)能效果

技術(shù)改造項目實施后（安裝變頻器），將風(fēng)門開度調(diào)整為100%，風(fēng)機原先調(diào)節(jié)方式為通過調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的方式，改為調(diào)節(jié)風(fēng)機的電動機運行頻率，從而靠改變電動機的轉(zhuǎn)速來達到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的，在風(fēng)量完全滿足工藝要求基礎(chǔ)上，節(jié)能降耗。項目實施后運行狀況如下：

（1）通過調(diào)節(jié)運行頻率，在滿足運行工況的前提下，降低了電動機的功耗，從而達到了節(jié)能的效果。

（2）運行中將風(fēng)門開度開至100%，同時通過調(diào)頻降低電動機和風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，減少了對設(shè)備的磨損，延長風(fēng)機使用壽命，降低維修費用。

（3）采用無級調(diào)速改變電動機轉(zhuǎn)速從而達到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的，改進了風(fēng)機的調(diào)節(jié)品質(zhì)，避免了以人工方式來調(diào)節(jié)擋板的麻煩和不具實時性的弊端。

（4）通過高、低壓變頻器可實現(xiàn)高、低壓電動機的軟啟動，降低電動機啟動電流，延長電動機使用壽命，降低電動機啟動對電網(wǎng)的沖擊。

（5）在變頻技術(shù)改造后，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)達0.96以上，降低了無功損耗。

4.2 項目的節(jié)能效果監(jiān)測分析

4.2.1 技改后能源消耗狀況

技術(shù)改造后，風(fēng)機風(fēng)門開度始終為100%，變頻器采用改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速對風(fēng)量進行調(diào)節(jié)時，在滿足運行工況的情況下，可以大大提高風(fēng)機系統(tǒng)運行效率，因為當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速下降時，風(fēng)量隨轉(zhuǎn)速下降成一次方比例關(guān)系下降，而其軸功率則按轉(zhuǎn)速下降成3次方關(guān)系下降。改造后經(jīng)現(xiàn)場測量儀表計量，現(xiàn)場監(jiān)測各電動機運行功率及技術(shù)改造前后能耗情況如表2。

4.2.2 節(jié)能量分析

節(jié)電量計算依據(jù)如下：通過以上數(shù)據(jù)可知工頻運行時功率P，變頻運行功率Pb，從而可知工頻運行年用電量Q工頻=P×T，變頻運行年用電量Q變頻=Pb×T，則年節(jié)約電量Q=Q工頻-Q變頻（T為年運行時間），節(jié)電率K=（Q工頻-Q變頻）/Q工頻×100%，工頻和變頻運行功率及運行時間確定后，則由以上工頻運行數(shù)據(jù)和變頻運行數(shù)據(jù)可知該項目年節(jié)約電量，如表3。

5 結(jié)束語

通過監(jiān)測分析計算的年節(jié)電量為1082.34萬kWh，折合年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤為3961.36 tce，其節(jié)能效果得到了蓬萊蔚陽水泥有限公司（用戶）和煙臺東方電子科技發(fā)展有限公司（節(jié)能服務(wù)公司）共同確認(rèn)，雙方已對項目產(chǎn)生的效益予以共同分享。

表2 技改前后各設(shè)備工頻運行功率及耗電量

表3 節(jié)能量計算表