合同能源管理模式在水泵節能中的應用

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能機制，其實質就是以減少的能源費用來支付節能項目全部成本。這種節能投資方式允許客戶使用未來的節能收益為工廠和設備升級，降低目前運行成本；或者節能服務公司以承諾節能項目的節能效益，或承包整體能源費用的方式為客戶提供節能服務。實施節能項目的企業（用戶）與節能服務公司之間簽訂能源管理合同，有助于推動節能項目的開展。在傳統節能投資方式下，節能項目的所有風險和所有盈利均由實施節能投資的企業承擔，而在合同能源管理模式中，一般不要求企業對節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，年產各種規格熱軋卷板460多萬噸，該生產線使用6臺N600-N6/900（T）型濁環高壓水泵（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。總管壓力升高會對設備產生危害，這時就要開啟泄壓閥，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，始終處于工頻運行，能耗、損耗和成本增大，造成極大浪費，節能技術改造勢在必行。

表1 濁環高壓水泵數據

考慮到利德華福（施耐德）HARSVERT-A10/120變頻器可很好滿足現場設備運行要求，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，即甲方獲得年節電收益的70%，乙方獲得年節電收益的30%；第二年至第五年按二八分成，甲方獲得年節電收益的20%，乙方獲得年節電收益的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，以此計算節約電量（此節約電量由雙方共同確認后有效），并計算出驗收每小時節電量，結合設備月平均運行時間、運行時間波動修正系數、結算周期和當年分成比例等折算出每個結算周期應付款，嚴格按此執行。各項參數具體定義：驗收1 h節電量=（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×每小時節電量×電費×當年分成比例。

二、改造實施

1.系統配置

根據濁環水系統運行保持恒壓，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臺濁環泵，1臺變頻器一拖二控制方式，同時考慮到系統瞬間需要大流量的要求，為滿足快速加速傳動水泵設備，依據現場情況以及綜合乙方設備現場使用經驗，變頻設備按傳動≥1800 kW電機配置。

2.主回路系統

現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變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，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，另一負載工作在工頻狀態，也可兩臺均在工頻狀態。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，M2工作在工頻狀態時，QS43和QS51、QS52分閘，QS42、QS41和QS53處于合閘狀態；M2工作在變頻狀態，M1工作在工頻狀態時，QS42和QS41、QS53分閘，QS51、QS52和QS43處于合閘狀態；如果檢修變頻器，QS43和QS53可處于任一狀態，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.變頻系統控制方式

（1）變頻設備內置PID調節實現閉環控制方式。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調節系統，自動閉環控制調節變頻設備輸出轉速，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。變頻調速系統還可采用變頻配套的遠方上位機控制系統，在監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，實時監控顯示變頻系統各種運行狀態。

圖1 一拖二手動旁路運行系統原理

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

三、節能效果

（1）工頻狀態下耗電計算。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

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

表2 濁環泵平均工頻功耗

（2）變頻狀態下耗電計算。變頻下的網側功耗見式（2）

式中P＇——水泵軸功率

ηd——電機效率

ηb——變頻器實際效率

λ——管網特性系數

Q——出口流量

H——出、入口壓力差

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

表3 水泵變頻狀態下年耗電量

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泵進行節能改造，效果明顯。

（1）改造后單臺水泵直接節電率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較工頻泵提高，減少了系統銅損和鐵損等情況。

（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，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、自動穩壓，減少了對電網、管網的沖擊。

2150帶鋼生產線高壓濁環泵變頻節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挖掘水泵、風機變頻節能技改項目，大力推行合同能源管理模式，為國家節能減排作出貢獻。