節能技術改造項目節能量與經濟效益的評價方法

郁東青 浙江云碳科技有限公司

2022年國家發布《工業能效提升行動計劃》，表明工業節能是一條重要的碳中和途徑，工業節能技術改造目前是國家、各省重點開展的行動，有利于推進節能降耗。節能技術改造即以提高能源利用效率、降低能源消耗為目的，在保證設備及系統安全、穩定運行的前提下，采用先進、適用的技術，對現有用能設備或工藝進行改進。決定一個節能改造項目是否成功的關鍵包括技術能力、節能效果和經濟效益等。

本文從節能技術改造項目實施前后節能效果和產生的經濟效益角度入手，以某企業的循環冷卻水系統改造項目為實例，進行分析、計算和評價，助力國家節能降碳。

1 某企業循環冷卻水系統

1.1 系統現狀

某企業現有1套循環冷卻水系統，母管制供水，配有7臺循環水泵，均為工頻泵，單臺水泵額定流量6500m3/h、額定揚程45m、額定功率1250kW、額定效率84%。水泵配套電動機型號YKK710-6-8，額定電壓10kV、額定功率1250kW。實際運行方式為5用2備。根據該企業實際運行數據，循環冷卻水系統實際運行5臺水泵，母管總循環水量為28723m3/h，瞬時總有功功率為5706kW，循環水泵系統出水母管平均壓力0.368MPa。

1.2 系統存在的問題

由該循環冷卻水系統運行狀態數據可知，系統實際運行5臺水泵，實際水泵平均負荷約為88.37%（5臺總額定流量32500m3/h），實際揚程約為32.43m，電動機效率按90%計，傳動效率按98%計，實際泵的運行效率只有60%左右，因此系統存在多方面的問題：

①循環冷卻水泵運行狀態不佳，水泵額定揚程與實際循環水管網不匹配，額定揚程過大。②現有水泵運行5臺可滿足裝置需求，但同樣造成運行負荷不高，平均實際單臺流量只有5744m3/h，遠低于額定流量6500m3/h，造成水泵未在額定工況點運行。③由于實際揚程和流量與泵額定參數偏離，水泵實際運行效率大幅下降。④所有水泵均為工頻泵，無法及時根據生產設備負荷變化需求調整水泵的運行工況，只能通過閥門調節或改變水泵運行數量來調節總循環水量，且長期閥門處于未100%開啟狀態，造成一定的節流損失。⑤水泵投用時間早，受早期技術條件的限制，水泵額定效率整體偏低。

2 節能技術改造方案

某企業循環冷卻水系統共配置有7臺水泵，其中5用2備。從經濟性考慮，可對在用的5臺進行改造。5臺水泵中，4臺更換為高效水泵，額定流量8100m3/h，額定揚程37m，額定功率1000kW，額定效率91.5%，另外1臺更換為高效變頻水泵，額定流量6800～9800m3/h，額定揚程37m，額定功率1250kW，額定效率91.2%。正常運行期間，保證水泵出門閥門100%全開，變頻水泵采用變頻調節措施以此來根據生產設備負荷調節循環水量。根據改造內容，預計需投入資金370萬元。

3 節能技術改造原理

選用高效水泵替換低效水泵，在滿足生產設備循環水量需求前提下，進一步降低循環水系統用電量。按實際循環水管網工況設計選定新水泵的參數，其中揚程按實際管網揚程需求量的1.1倍計算，選擇水泵額定揚程約為37m。通過重新對水泵進行選型，使得循環水泵組運行在高效率區間。采用多臺工頻水泵+1臺變頻水泵的組合方式，保證工頻水泵實際運行工況在額定設計點，同時變頻水泵可滿足負荷變化需求，減少節流損失。

4 節能量前評估及經濟效益預測評估

在改造項目實施前，需對項目產生的節能效果和經濟效益進行測算評估，以保證項目經濟上可行。

4.1 節能效果預測評估

首先，按照《節能量前評估計算方法》（GB/T 39965-2021），在節能項目實施前應確認基準能耗，基準能耗指節能措施實施前既有能源措施的實際能耗，本項目改造的基準能耗即為項目實施前循環冷卻水系統1年的總用電量。首先，根據某企業的運行數據，該循環冷卻水系統全年總用約量為4471萬kWh。再次，計算出項目實施的預測節能率，現有循環冷卻水泵額定效率84%，實際運行效率60%。新型高效循環水泵額定效率91.2%，新型水泵按實際循環水管網工況設計，預計實際運行效率與額定效率差異不大。因此,預測節能率根據現有循環冷卻水泵實際運行效率和新型高效循環水泵額定效率差值確定為30%。最后，根據《節能量前評估計算方法》中的公式，即式（1）計算前評估期節能量。經測算，本項目實施預計年可節電1341萬kWh。

式中ESp—前評估期節能量；Eb—基準能耗；εp—預測節能率。

4.2 經濟效益預測評估

項目實施主要節約電力消耗，電力成本按0.83元/kWh計算，預計年可產生經濟效益1113萬元。項目預計投資額為370萬元，綜合稅率、貼現率分別依15%和10%計算，設備折舊年限按10a，經粗略計算，方案的投資償還期0.39a，內部收益率257.19%，方案的經濟效益顯著。綜合上述節能量前評估及經濟效益預測，項目節能效果好，節能量大，經濟效益顯著。

5 項目實施后實際節能量及經濟效益計算

項目實施后，應按照《用能單位節能量計算方法》（GB/T 13234-2018）中的方法對實際產生的節能效果進行測算，同時分析其實際的經濟效益。根據標準，確定用能系統的邊界、能源基準、基期和報告期，之后對基期或報告期的能源消耗進行歸一化，并根據歸一化后的基期能源消耗和報告期能源消耗之差計算用能系統的節能量，必要時可進行非常規調整。評價節能技術改造項目實施后的節能效果，可以選擇后推校準法或前推校準法進行歸一化，以下以前推校準法為例。

5.1 項目邊界描述

根據節能技術改造內容，項目邊界為循環水系統。邊界內相關參數包括循環水泵總用電量、出水母管壓力、回水母管壓力和循環水總流量。

5.2 能源基準

所謂的能源基準指用作比較能源績效的定量參考依據，在本項目中可以將循環冷卻水系統的循環水量作為基準，即循環冷卻水系統的產品—循環冷卻水。

5.3 基期及基期能源消耗

基期即用以比較和確定節能量的，能源績效改進措施實施前的時間段。基期選擇時間為項目實施前一年。項目改造時間為2019年11月至2020年5月，2018年12月至2019年1月裝置檢修，因此項目基期時間為2018年8月至11月、2019年2月至9月。某企業循環冷卻水系統所有循環水泵配備電力計量表，循環水出口母管配有壓力表和流量計總表，循環水回水母管配有壓力表。

5.4 報告期及報告期能源消耗

報告期即用以比較和確定節能量的，能源績效改進措施實施后的時間段。依據標準要求，報告期選擇時間為項目實施后一年，即2020年6月至2021年5月。循環冷卻水系統基期及報告期相關運行數據如表1所示。

表1 循環冷卻水系統基期和報告期相關運行數據表

5.5 循環冷卻水系統運行參數歸一化（前推校準法）

循環冷卻水系統通過消耗電力將冷卻水輸送至生產設備，其電力消耗量與循環水量成一定的關聯性，另外出水母管壓力和回水母管壓力可能對電力消耗產生一定的影響，因此需考慮相關影響節能量的因素，對可能的因素進行分析，分析采用Pearson相關系數方法。

通過收集報告期12個月的循環水泵總用電量、循環水總流量、出水母管壓力、回水母管壓力數據，將總用電量與其他參數兩兩之間進行相關性計算發現，循環水泵總用電量與出水母管壓力相關性系數0.727，中度相關；與回水母管壓力相關性系數0.209，極弱相關；與循環水總流量相關性系數0.947，高度相關。按照對項目循環水泵總用電量的影響方式和大小，確定該項目主要影響因素為循環水總流量、出水母管壓力。

再將報告期12組數據的循環水泵總用電量和循環水總流量、出水母管壓力進行線性回歸，回歸采用Minitab軟件，響應值為循環水泵總用電量（kWh），連續預測變量為循環水總流量（m3）、出水母管壓力（kPa），得到回歸方程（即報告期校準能耗公式）。為保證回歸方程有效，設回歸模型不確定性標準為R2≥80%，顯著性檢驗標準為F≥30，顯著性水平為Sig＜0.05。循環水泵總用電量=15475320+0.0934×循環水總流量-39757×出水母管壓力。通過計算，該回歸模型擬合優度R2=91.38%，顯著性檢驗標準F=47.72，顯著性水平Sig=0.000，回歸模型滿足顯著性假設檢驗要求。

將表1中基準期實際數據（循環水流量和出水母管壓力）代入回歸方程算得前推校準后的報告期循環水泵總用電量。項目實施節電量=基期總用電量-前推校準后的報告期總用電量=4471萬kWh-3144萬kWh=1327萬kWh，基本接近節能量前評估預測的年節電量1341kWh。電力成本按0.83元/kWh計算，實際年可產生經濟效益1101萬元。

項目實際投資額按366.75萬元計，綜合稅率、貼現率分別依15%和10%計算，設備折舊年限按10a，經粗略計算，方案的投資償還期0.39a，內部收益率256.67%，實際經濟效益可觀。

6 結語

本文以節能改造實例，從節能技術改造原理，節能項目實施前節能量前預測評估和經濟效益預測評估，項目實際實施后節能量計算和經濟效益計算等整個流程完整闡述了節能技術改造項目的實施效果評價方法，為節能改造項目實施前、后節能量和經濟效益預測、認定提出了切實可行的操作方法，助力工業企業踐行綠色發展理念，持續提升能源資源利用效率，加快實現節能提效與綠色低碳轉型。