發(fā)動機實驗室水泵節(jié)能改造

毛開清，沙宣寶，鮑國勇

（華菱星馬汽車（集團）股份有限公司，安徽馬鞍山 243061）

0 引言

黨的十九大報告提出，要把污染防治列入全面建成小康社會的三大攻堅戰(zhàn)之一，著力解決突出環(huán)境問題。根據(jù)《“十三五”全民節(jié)能行動計劃》要求，不斷加快節(jié)能環(huán)保技術創(chuàng)新，推廣節(jié)能環(huán)保先進技術及成果轉化，深入挖掘和釋放創(chuàng)新潛能，是當前社會和企業(yè)均需考慮的問題。節(jié)能降耗，就是節(jié)約能源，降低消耗，用較少的投入獲得較大的經濟效益。

1 實驗室水泵房項目背景

面對日趨激烈競爭的市場環(huán)境，企業(yè)想要獲得持續(xù)性的發(fā)展與盈利，必要的研發(fā)投入是企業(yè)立于不敗之地的基礎。做好開源節(jié)流和成本控制，優(yōu)化成本結構，降本增效，對于企業(yè)發(fā)展有著重要戰(zhàn)略意義。

發(fā)動機實驗室主要測試發(fā)動機在各種工況下的動力性和經濟性，通過測試發(fā)動機啟動、急速、加速等各種性能試驗參數(shù)，來評定被測發(fā)動機臺架系統(tǒng)綜合性能，為進一步優(yōu)化發(fā)動機性能提供理論依據(jù)。安徽華菱汽車有限公司發(fā)動機實驗室是為滿足公司自主開發(fā)的重型環(huán)保大功率發(fā)動機研發(fā)而新建，發(fā)動機實驗室水泵房設有完善的給排水系統(tǒng)，其中設置2 套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)：發(fā)動機試驗臺用循環(huán)水和測功機循環(huán)水，工程循環(huán)冷卻水總量為2035 m3/h。循環(huán)水系統(tǒng)主要功能為發(fā)動機試驗臺架運行提供冷卻用水。循環(huán)水簡單工藝示意如圖1 所示，水泵取自冷水池的水，通過管道輸送至各個用水點進行換熱后，經回水管路上冷卻塔，降溫后回至冷水池。

圖1 循環(huán)水工藝示意

實驗室水泵房原有水泵（表1）施工按照設計圖紙選型施工，和技改節(jié)能公司對實驗室整個循環(huán)水系統(tǒng)取水動力端、輸水端、用水端、回水端、冷卻端進行詳細調研檢測，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行診斷、分析、研究。發(fā)現(xiàn)實際運行中需求與當時設計要求存在較大偏差，設計選型的水泵流量、揚程和電機功率均偏大，能源浪費嚴重，增加了企業(yè)運營成本。為響應國家號召，降低企業(yè)能耗和運營成本，急需對實驗室水泵房設備進行節(jié)能改造。

表1 水泵房原水泵參數(shù)

實驗室水泵房原有水泵電機型號為Y2 系列，經查閱屬于中華人民共和國工業(yè)和信息化部2014 第16 號文件公告的《高耗能落后機電設備（產品）淘汰目錄（第三批）》淘汰品，急需進行升級改造。水泵節(jié)能改造實施前，做好充分調研準備工作，確認目前系統(tǒng)正常運行工況及系統(tǒng)運行參數(shù)，在不改變現(xiàn)有工藝裝置冷卻水要求及循環(huán)水工藝指標的前提下，保證系統(tǒng)正常換熱效果的情況下進行改造。

2 技術實施改造方案

對發(fā)動機研究所實驗室整個循環(huán)水系統(tǒng)供水動力端、輸水端、用水端、回水端、冷卻端進行詳細調研檢測，從循環(huán)水系統(tǒng)的整個工藝過程進行診斷、分析、研究、設計，得出可行性技改報告。

2.1 取水端診斷和分析

目前實驗室循環(huán)水系統(tǒng)實際運行工況常年相對穩(wěn)定，運行工況變化有規(guī)可循，且管線相對固定，水泵實際運行工況點與原設計的工況點不吻合，水泵普遍存在憋閥門，機封漏水等現(xiàn)象，導致水泵運行參數(shù)偏離水泵高效區(qū)域，造成水泵運行機械效率偏低。

循環(huán)水系統(tǒng)中輸送水泵的出水力不僅與水泵自身有關，還與管路有著最直接的關系，即水泵運行參數(shù)由水泵和管阻共同決定。分析該系統(tǒng)現(xiàn)場檢查的運行參數(shù)，低壓和高壓水泵運行參數(shù)偏離高效設計參數(shù)，原因在于系統(tǒng)而不在于水泵。管路的設計合理與否，對日常運行能耗有很大影響，因此在循環(huán)水系統(tǒng)管網計算中合理選擇管徑是必須考慮的問題。

管段的設計流量Q、管徑D 與流速v 的關系為Q=πD2v/4。v與Q 成正比，與D 成反比，流量相同，則流速v 越大，水頭損失隨管徑的減小而增大，運行成本隨之增大。故需要選擇經濟流速，在保證換熱效果前提下選擇經濟流量。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)沒有在經濟流速運行。

2.2 輸水端、回水端診斷和分析

由于管路布置已經固定，大面積修正系統(tǒng)管路布置不切合實際，故局部修正管路特性曲線，調整局部阻抗較大的水力設備，促使管阻相對平穩(wěn)，科學合理，適當調節(jié)母管線閥門開度，優(yōu)化系統(tǒng)管路特性曲線。

2.3 用水端診斷和分析

熱交換量=水流量×溫差。因此保持熱交換量不變的前提下，理想狀態(tài)下采用小水量大溫差的熱交換工藝。減小循環(huán)水量，降低循環(huán)水系統(tǒng)能耗不失為較為理想的節(jié)能方法，但較難實現(xiàn)。循環(huán)水系統(tǒng)中有多個換熱設備，且高度和用水量不同，導致水力不平衡。通過檢測換熱器進出口溫差和閥門開度，分類統(tǒng)計各換熱器的溫差并與設計工況進行比對?？梢愿鶕?jù)換熱器實際換熱情況，調整換熱器進出口閥門，平衡系統(tǒng)阻力，優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)各項參數(shù)，增大供回水溫差，關小溫差較小的換熱器閥門，開大溫差較大及高位或遠端換熱器閥門。經過現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)，實驗車間有的換熱器進出口溫度相差過大，閥門開度過低，開大情況下不能保證其他換熱器冷卻效果，流量不足以提供該設備冷卻。

2.4 冷卻端診斷和分析

冷卻塔的主要功能是對高溫循環(huán)水冷卻回水進行蒸發(fā)散熱、提供低溫出水。其散熱冷卻能力是保證整個循環(huán)水系統(tǒng)正常運行的關鍵，整個系統(tǒng)的優(yōu)化要以冷卻塔的實際冷卻能力為基礎。在回水量一定情況下，只有增大空氣與回水的接觸面積達到最佳冷卻效果，及時保證冷卻塔填料和空氣良好的流動性。

3 水泵改造實施內容

3.1 更換高效節(jié)能水泵

根據(jù)現(xiàn)場實際工況，重新設計與系統(tǒng)匹配的高效節(jié)能循環(huán)水泵。循環(huán)水泵是整個循環(huán)水系統(tǒng)的核心部件，同時是循環(huán)水系統(tǒng)的能耗最大部件。經調查發(fā)現(xiàn)，一套循環(huán)水系統(tǒng)在其終身使用中，它的購置成本占總成本的5%～8%，維護成本10%～15%，運行電費成本占75%～85%，可見提高水泵自身效率非常重要。

水泵房原有10 臺水泵全部更換為高效節(jié)能水泵。水泵效率比國內目前同類產品高出5%以上，符合國家最新綠色高效節(jié)能標準GB 19762 的最新型離心泵產品，達到國際先進水平。

3.2 更換高效節(jié)能電機

更換高效節(jié)能電機，高效電機是比普通電機效率高1%～3%的節(jié)能電機，高效電機與高效節(jié)能水泵配套，系統(tǒng)運行效率更高。與國際標準IEC 60034—30《單速三相鼠籠型感應電動機效率分級》中的IE3 保持一致，效率由測量輸入—輸出功率的損耗分析法確定（按照GB/T 1032—2012 中11.3 的規(guī)定）。現(xiàn)場選用一級能效電機（圖2），在行業(yè)內具有領先地位。

圖2 一級能效電機

3.3 水泵改造實施前后情況

改造后水泵房水泵如圖3 所示，監(jiān)控實施后運行模式的各項數(shù)據(jù)，檢驗并網運行時循環(huán)水總管工藝參數(shù)均滿足生產工藝要求，系統(tǒng)換熱效果正常。改造后不僅有效提高了水泵運行效率，降低了設備故障率，且水泵電機功率下降，使得備件更換成本和用電成本大大降低，達到了降本增效目的。

3.3.1 實施前、后能耗理論節(jié)電計算

年能耗=P×7920（330×24）h/a，實際年節(jié)電量以安裝計量設備為準，與計算年節(jié)能量有一定波動（表2）。

（1）計算依據(jù)。循環(huán)水系統(tǒng)各臺水泵電機前、后功率對比。

（2）計算方法。系統(tǒng)單位小時能耗N改前系統(tǒng)=N改前單臺單位時間能耗之和=37×3+55×2+30×2=281 kW·h。

表2 水泵房改造前、后經濟效益對比

統(tǒng)計改造前單位小時能耗，得出單位設備能耗N改前系統(tǒng)，同樣方法得出技改后系統(tǒng)單位小時能耗N改后系統(tǒng)=22×3+45×2+22×2=200 kW·h。

3.3.2 系統(tǒng)節(jié)能效益

改造后系統(tǒng)年節(jié)電量=（N改前運行水泵總功率-N改后運行水泵總功率）×年運行時間=（281-200）×7920=64.152 萬度。

3.3.3 節(jié)電率計算

節(jié)電率=（技改前每小時耗電量－技改后每小時耗電量）/技改前每小時耗電量=（281-200）/281=28.8%。

4 結束語

為貫徹落實國務院《關于加快發(fā)展節(jié)能環(huán)保產業(yè)的意見》《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》和《“十三大”節(jié)能減排綜合性工作方案》文件精神，根據(jù)《“十三大”全民節(jié)能行動計劃》要求。制造企業(yè)應不斷加快節(jié)能環(huán)保創(chuàng)新，推廣節(jié)能環(huán)保應用及成果轉化，共同享受國家相關獎勵優(yōu)惠政策。本技改項目實施后為企業(yè)節(jié)省年用電支出近64 萬元，降低了企業(yè)能耗。本改造項目適用于其他行業(yè)，有一定借鑒意義。