合同能源管理模式在水泵節(jié)能中的應用

王文超 紀榮勝

（日照鋼鐵有限公司 山東日照）

合同能源管理模式（Energy Management Contracting，EMC）作為一種新型的市場化節(jié)能機制，其實質就是以減少的能源費用來支付節(jié)能項目全部成本。這種節(jié)能投資方式允許客戶使用未來的節(jié)能收益為工廠和設備升級，降低目前運行成本；或者節(jié)能服務公司以承諾節(jié)能項目的節(jié)能效益，或承包整體能源費用的方式為客戶提供節(jié)能服務。實施節(jié)能項目的企業(yè)（用戶）與節(jié)能服務公司之間簽訂能源管理合同，有助于推動節(jié)能項目的開展。在傳統(tǒng)節(jié)能投資方式下，節(jié)能項目的所有風險和所有盈利均由實施節(jié)能投資的企業(yè)承擔，而在合同能源管理模式中，一般不要求企業(yè)對節(jié)能項目進行大筆投資。

一、問題的提出

2008年底，日照鋼鐵有限公司建成投產2150熱軋帶鋼生產線，年產各種規(guī)格熱軋卷板460多萬噸，該生產線使用6臺N600-N6/900（T）型濁環(huán)高壓水泵（表1），水泵供水主要用來冷卻軋機工作軋輥與卷取等設備。水泵由1600 kW/10 kV電機傳動，采用母管制供水方式，4用2備。濁環(huán)水泵單臺額定供水流量為4200 m3/h，正常生產時一般運行4臺即可滿足軋機現(xiàn)場用水要求，此時供水流量保持在10 500 m3/h，總供水管供水壓力保持在1.14～1.18 MPa，水泵供水位恒定不變。實際軋機用水一般具有間歇周期性，軋機非軋鋼時用水流量為6000 m3/h。由于軋機供水水泵供水量恒定，而軋機現(xiàn)場工藝用水量又是變化，且用水量始終小于水泵總供水量，因此在濁環(huán)水供水總管末端安裝3個泄壓閥以平衡供水總管上的壓力，控制軋機用水量?？偣軌毫ι邥υO備產生危害，這時就要開啟泄壓閥，泄放部分總管水量，確?？偣軌毫φ！＿@種工作方式無論工藝用水需求大小，始終處于工頻運行，能耗、損耗和成本增大，造成極大浪費，節(jié)能技術改造勢在必行。

表1 濁環(huán)高壓水泵數(shù)據(jù)

考慮到利德華福（施耐德）HARSVERT-A10/120變頻器可很好滿足現(xiàn)場設備運行要求，而且日照鋼鐵首次嘗試合同能源管理模式，經過甲（日照鋼鐵）乙（利德華福）雙方友好協(xié)商，最終決定采用合同能源管理模式的合作方式，合同約定如下。

（1）電效益分成年限、比例。考慮到乙方承擔了全部節(jié)能改造風險，提供改造所需資金、設備及工程安裝，還免費提供5年內所有備品備件與免費維護維修等技術服務，且資金回收期限又較長。按照效益共享、合作雙贏、平等互利的原則，雙方整體分成比例為甲方占三，乙方占七。具體分成辦法是雙方節(jié)電收益第一年按七三分成，甲方占七成，乙方占三成，即甲方獲得年節(jié)電收益的70%，乙方獲得年節(jié)電收益的30%；第二年至第五年按二八分成，甲方獲得年節(jié)電收益的20%，乙方獲得年節(jié)電收益的80%。

（2）項目驗收。項目安裝完畢后3日內，甲方按設計方案檢查安裝情況。安裝檢查合格后，試運行72 h，試運行期間可對設備進行調試。試運行結束后無異常發(fā)生，則甲方應出具試運行正常的項目驗收證明文件并簽字蓋章確認。

（3）節(jié)能付款方式及結算辦法。以設備改造前、后168 h正常生產條件下的工頻總耗電量與變頻總耗電量相比較，以此計算節(jié)約電量（此節(jié)約電量由雙方共同確認后有效），并計算出驗收每小時節(jié)電量，結合設備月平均運行時間、運行時間波動修正系數(shù)、結算周期和當年分成比例等折算出每個結算周期應付款，嚴格按此執(zhí)行。各項參數(shù)具體定義：驗收1 h節(jié)電量=（技改前168 h工頻耗電量-技改后168 h變頻耗電量）/168 h；電費0.60元/kW·h；年平均運行時間300 d；運行時間波動修正系數(shù)0.96；月平均運行小時=350 d×24×0.96/12；結算周期 3 個月；每個結算周期應付款=結算周期×月平均運行時間×每小時節(jié)電量×電費×當年分成比例。

二、改造實施

1.系統(tǒng)配置

根據(jù)濁環(huán)水系統(tǒng)運行保持恒壓，供水流量變化較大，并且在很短時間內達到水泵額定流量值變化的要求，設計采用2臺濁環(huán)泵，1臺變頻器一拖二控制方式，同時考慮到系統(tǒng)瞬間需要大流量的要求，為滿足快速加速傳動水泵設備，依據(jù)現(xiàn)場情況以及綜合乙方設備現(xiàn)場使用經驗，變頻設備按傳動≥1800 kW電機配置。

2.主回路系統(tǒng)

現(xiàn)場設備采用一拖二手動旁路，電機可以變頻運行也可通過旁路方式工頻運行，當1臺泵檢修時，可隨時切換到另一臺備用泵變頻運行，確保始終有1臺泵變頻運行。變頻器采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出，不必加輸出濾波器，即可使用原異步電機，不需更換電機。一拖二手動旁路運行系統(tǒng)由6個高壓隔離開關QS41～QS43、QS51～QS53組成（圖1），正常情況下，允許1個負載工作在變頻狀態(tài)，另一負載工作在工頻狀態(tài)，也可兩臺均在工頻狀態(tài)。QS42和 QS43、QS52和 QS53安裝機械互鎖裝置；QS42和QS52、QS41和QS51具有電氣互鎖。如果兩路電源同時供電，M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時，QS43和QS51、QS52分閘，QS42、QS41和QS53處于合閘狀態(tài)；M2工作在變頻狀態(tài)，M1工作在工頻狀態(tài)時，QS42和QS41、QS53分閘，QS51、QS52和QS43處于合閘狀態(tài)；如果檢修變頻器，QS43和QS53可處于任一狀態(tài)，其他隔離開關均分閘，兩臺負載可同時工頻運行；當一路電源檢修時，可通過分合隔離開關使任一電機變頻運行。

3.變頻系統(tǒng)控制方式

（1）變頻設備內置PID調節(jié)實現(xiàn)閉環(huán)控制方式。通過采集母管實際壓力的模擬量信號，與在變頻設備監(jiān)控界面上設定的實際要求壓力值比較后，采用變頻設備內置PID調節(jié)系統(tǒng)，自動閉環(huán)控制調節(jié)變頻設備輸出轉速，確保母管壓力達到實際要求壓力值和流量需求。同時在變頻設備本體監(jiān)控界面上完成變頻設備的啟動、運行及停機操作。變頻調速系統(tǒng)還可采用變頻配套的遠方上位機控制系統(tǒng)，在監(jiān)控室遠方直接全方位控制變頻運行，設定要求母管壓力值，啟動、停止變頻設備，實時監(jiān)控顯示變頻系統(tǒng)各種運行狀態(tài)。

圖1 一拖二手動旁路運行系統(tǒng)原理

（2）遠控開環(huán)控制方式。變頻調速系統(tǒng)可由現(xiàn)場監(jiān)控操作系統(tǒng)進行協(xié)調控制，根據(jù)生產需要流量、壓力等因素，給定對應負載需要的轉速值，實現(xiàn)對負載設備電機轉速控制。變頻系統(tǒng)和現(xiàn)場監(jiān)控操作系統(tǒng)進行通信連接，從現(xiàn)場監(jiān)控操作系統(tǒng)上發(fā)出變頻器的啟動、停機等信號。變頻器反饋以下信號接入到現(xiàn)場監(jiān)控操作系統(tǒng)：①重故障、輕故障等報警及故障信息；②待機、正常運行、故障和系統(tǒng)旁路等調速裝置的狀態(tài)信息；③電機電流、轉速、電壓等。

三、節(jié)能效果

（1）工頻狀態(tài)下耗電計算。電機功率計算見式（1）。

式中U——電機輸入電壓

I——電機實際運行電流

cosΦ——功率因數(shù)

按照年運行時間7200 h，電價0.6元/kW·h計算，得出濁環(huán)泵平均工頻功耗（表2）。

表2 濁環(huán)泵平均工頻功耗

（2）變頻狀態(tài)下耗電計算。變頻下的網(wǎng)側功耗見式（2）

式中P＇——水泵軸功率

ηd——電機效率

ηb——變頻器實際效率

λ——管網(wǎng)特性系數(shù)

Q——出口流量

H——出、入口壓力差

計算結果見表3，日鋼2150帶鋼廠濁環(huán)泵高壓變頻改造年可節(jié)電300多萬元（3套）。

表3 水泵變頻狀態(tài)下年耗電量

采用合同能源管理模式，使用利德華福HARSVERT-A10/120系列變頻器對2150熱軋帶鋼生產線濁環(huán)泵進行節(jié)能改造，效果明顯。

（1）改造后單臺水泵直接節(jié)電率25.7%，其中1301.43 kW·h為技改前單位時間工頻耗電量，966.91 kW·h為技改后單位時間變頻耗電量。

（2）變頻泵電機功率因數(shù)較工頻泵提高，減少了系統(tǒng)銅損和鐵損等情況。

（3）水泵出口壓力波動幅度減小，不再憋泵，大大減小了葉輪汽蝕，消除了水錘沖擊，水泵運行在高效工況區(qū)，提高了效率，降低了能耗，減少了葉輪、閥門等設備維護量。

（4）由于變頻泵的緩起緩停、自動穩(wěn)壓，減少了對電網(wǎng)、管網(wǎng)的沖擊。

2150帶鋼生產線高壓濁環(huán)泵變頻節(jié)能改造是日照鋼鐵集團首次采用合同能源管理模式的技改項目，截止2015年1月底，已支付乙方419.4723萬元，支付比例為48.55%，目前仍按照合同約定比例定期支付。有了這次成功經驗，下一步日照鋼鐵將繼續(xù)挖掘水泵、風機變頻節(jié)能技改項目，大力推行合同能源管理模式，為國家節(jié)能減排作出貢獻。