合同能源管理模式在水泵節(jié)能中的應(yīng)用

王文超 紀(jì)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(chǎng)化節(jié)能機(jī)制，其實(shí)質(zhì)就是以減少的能源費(fèi)用來支付節(jié)能項(xiàng)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(shè)備升級(jí)，降低目前運(yùn)行成本；或者節(jié)能服務(wù)公司以承諾節(jié)能項(xiàng)目的節(jié)能效益，或承包整體能源費(fèi)用的方式為客戶提供節(jié)能服務(wù)。實(shí)施節(jié)能項(xiàng)目的企業(yè)（用戶）與節(jié)能服務(wù)公司之間簽訂能源管理合同，有助于推動(dòng)節(jié)能項(xiàng)目的開展。在傳統(tǒng)節(jié)能投資方式下，節(jié)能項(xiàng)目的所有風(fēng)險(xiǎn)和所有盈利均由實(shí)施節(jié)能投資的企業(yè)承擔(dān)，而在合同能源管理模式中，一般不要求企業(yè)對(duì)節(jié)能項(xiàng)目進(jìn)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(chǎn)2150熱軋帶鋼生產(chǎn)線，年產(chǎn)各種規(guī)格熱軋卷板460多萬噸，該生產(chǎn)線使用6臺(tái)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(jī)工作軋輥與卷取等設(shè)備。水泵由1600 kW/10 kV電機(jī)傳動(dòng)，采用母管制供水方式，4用2備。濁環(huán)水泵單臺(tái)額定供水流量為4200 m3/h，正常生產(chǎn)時(shí)一般運(yùn)行4臺(tái)即可滿足軋機(jī)現(xiàn)場(chǎng)用水要求，此時(shí)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(shí)際軋機(jī)用水一般具有間歇周期性，軋機(jī)非軋鋼時(shí)用水流量為6000 m3/h。由于軋機(jī)供水水泵供水量恒定，而軋機(jī)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)泄壓閥以平衡供水總管上的壓力，控制軋機(jī)用水量。總管壓力升高會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生危害，這時(shí)就要開啟泄壓閥，泄放部分總管水量，確保總管壓力正常。這種工作方式無論工藝用水需求大小，始終處于工頻運(yùn)行，能耗、損耗和成本增大，造成極大浪費(fèi)，節(jié)能技術(shù)改造勢(shì)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(chǎng)設(shè)備運(yùn)行要求，而且日照鋼鐵首次嘗試合同能源管理模式，經(jīng)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(dān)了全部節(jié)能改造風(fēng)險(xiǎn)，提供改造所需資金、設(shè)備及工程安裝，還免費(fèi)提供5年內(nèi)所有備品備件與免費(fèi)維護(hù)維修等技術(shù)服務(wù)，且資金回收期限又較長(zhǎng)。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(xiàng)目驗(yàn)收。項(xiàng)目安裝完畢后3日內(nèi)，甲方按設(shè)計(jì)方案檢查安裝情況。安裝檢查合格后，試運(yùn)行72 h，試運(yùn)行期間可對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。試運(yùn)行結(jié)束后無異常發(fā)生，則甲方應(yīng)出具試運(yùn)行正常的項(xiàng)目驗(yàn)收證明文件并簽字蓋章確認(rèn)。

（3）節(jié)能付款方式及結(jié)算辦法。以設(shè)備改造前、后168 h正常生產(chǎn)條件下的工頻總耗電量與變頻總耗電量相比較，以此計(jì)算節(jié)約電量（此節(jié)約電量由雙方共同確認(rèn)后有效），并計(jì)算出驗(yàn)收每小時(shí)節(jié)電量，結(jié)合設(shè)備月平均運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間波動(dòng)修正系數(shù)、結(jié)算周期和當(dāng)年分成比例等折算出每個(gè)結(jié)算周期應(yīng)付款，嚴(yán)格按此執(zhí)行。各項(xiàng)參數(shù)具體定義：驗(yàn)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(fèi)0.60元/kW·h；年平均運(yùn)行時(shí)間300 d；運(yùn)行時(shí)間波動(dòng)修正系數(shù)0.96；月平均運(yùn)行小時(shí)=350 d×24×0.96/12；結(jié)算周期 3 個(gè)月；每個(gè)結(jié)算周期應(yīng)付款=結(jié)算周期×月平均運(yùn)行時(shí)間×每小時(shí)節(jié)電量×電費(fèi)×當(dāng)年分成比例。

二、改造實(shí)施

1.系統(tǒng)配置

根據(jù)濁環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行保持恒壓，供水流量變化較大，并且在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到水泵額定流量值變化的要求，設(shè)計(jì)采用2臺(tái)濁環(huán)泵，1臺(tái)變頻器一拖二控制方式，同時(shí)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(dòng)水泵設(shè)備，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況以及綜合乙方設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，變頻設(shè)備按傳動(dòng)≥1800 kW電機(jī)配置。

2.主回路系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用一拖二手動(dòng)旁路，電機(jī)可以變頻運(yùn)行也可通過旁路方式工頻運(yùn)行，當(dāng)1臺(tái)泵檢修時(shí)，可隨時(shí)切換到另一臺(tái)備用泵變頻運(yùn)行，確保始終有1臺(tái)泵變頻運(yùn)行。變頻器采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)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(jī)，不需更換電機(jī)。一拖二手動(dòng)旁路運(yùn)行系統(tǒng)由6個(gè)高壓隔離開關(guān)QS41～QS43、QS51～QS53組成（圖1），正常情況下，允許1個(gè)負(fù)載工作在變頻狀態(tài)，另一負(fù)載工作在工頻狀態(tài)，也可兩臺(tái)均在工頻狀態(tài)。QS42和 QS43、QS52和 QS53安裝機(jī)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(shí)供電，M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時(shí)，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(shí)，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(guān)均分閘，兩臺(tái)負(fù)載可同時(shí)工頻運(yùn)行；當(dāng)一路電源檢修時(shí)，可通過分合隔離開關(guān)使任一電機(jī)變頻運(yùn)行。

3.變頻系統(tǒng)控制方式

（1）變頻設(shè)備內(nèi)置PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制方式。通過采集母管實(shí)際壓力的模擬量信號(hào)，與在變頻設(shè)備監(jiān)控界面上設(shè)定的實(shí)際要求壓力值比較后，采用變頻設(shè)備內(nèi)置PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，自動(dòng)閉環(huán)控制調(diào)節(jié)變頻設(shè)備輸出轉(zhuǎn)速，確保母管壓力達(dá)到實(shí)際要求壓力值和流量需求。同時(shí)在變頻設(shè)備本體監(jiān)控界面上完成變頻設(shè)備的啟動(dòng)、運(yùn)行及停機(jī)操作。變頻調(diào)速系統(tǒng)還可采用變頻配套的遠(yuǎn)方上位機(jī)控制系統(tǒng)，在監(jiān)控室遠(yuǎn)方直接全方位控制變頻運(yùn)行，設(shè)定要求母管壓力值，啟動(dòng)、停止變頻設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示變頻系統(tǒng)各種運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 一拖二手動(dòng)旁路運(yùn)行系統(tǒng)原理

（2）遠(yuǎn)控開環(huán)控制方式。變頻調(diào)速系統(tǒng)可由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控操作系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，根據(jù)生產(chǎn)需要流量、壓力等因素，給定對(duì)應(yīng)負(fù)載需要的轉(zhuǎn)速值，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載設(shè)備電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。變頻系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控操作系統(tǒng)進(jìn)行通信連接，從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控操作系統(tǒng)上發(fā)出變頻器的啟動(dòng)、停機(jī)等信號(hào)。變頻器反饋以下信號(hào)接入到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控操作系統(tǒng)：①重故障、輕故障等報(bào)警及故障信息；②待機(jī)、正常運(yùn)行、故障和系統(tǒng)旁路等調(diào)速裝置的狀態(tài)信息；③電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、電壓等。

三、節(jié)能效果

（1）工頻狀態(tài)下耗電計(jì)算。電機(jī)功率計(jì)算見式（1）。

式中U——電機(jī)輸入電壓

I——電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流

cosΦ——功率因數(shù)

按照年運(yùn)行時(shí)間7200 h，電價(jià)0.6元/kW·h計(jì)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(jì)算。變頻下的網(wǎng)側(cè)功耗見式（2）

式中P＇——水泵軸功率

ηd——電機(jī)效率

ηb——變頻器實(shí)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(jì)算結(jié)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(duì)2150熱軋帶鋼生產(chǎn)線濁環(huán)泵進(jìn)行節(jié)能改造，效果明顯。

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

（2）變頻泵電機(jī)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(dòng)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(yùn)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(shè)備維護(hù)量。

（4）由于變頻泵的緩起緩?fù)！⒆詣?dòng)穩(wěn)壓，減少了對(duì)電網(wǎng)、管網(wǎng)的沖擊。

2150帶鋼生產(chǎn)線高壓濁環(huán)泵變頻節(jié)能改造是日照鋼鐵集團(tuán)首次采用合同能源管理模式的技改項(xiàng)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(jīng)驗(yàn)，下一步日照鋼鐵將繼續(xù)挖掘水泵、風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能技改項(xiàng)目，大力推行合同能源管理模式，為國(guó)家節(jié)能減排作出貢獻(xiàn)。