發動機實驗室水泵節能改造

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之一，著力解決突出環境問題。根據《“十三五”全民節能行動計劃》要求，不斷加快節能環保技術創新，推廣節能環保先進技術及成果轉化，深入挖掘和釋放創新潛能，是當前社會和企業均需考慮的問題。節能降耗，就是節約能源，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境，企業想要獲得持續性的發展與盈利，必要的研發投入是企業立于不敗之地的基礎。做好開源節流和成本控制，優化成本結構，降本增效，對于企業發展有著重要戰略意義。

發動機實驗室主要測試發動機在各種工況下的動力性和經濟性，通過測試發動機啟動、急速、加速等各種性能試驗參數，來評定被測發動機臺架系統綜合性能，為進一步優化發動機性能提供理論依據。安徽華菱汽車有限公司發動機實驗室是為滿足公司自主開發的重型環保大功率發動機研發而新建，發動機實驗室水泵房設有完善的給排水系統，其中設置2 套循環冷卻水系統：發動機試驗臺用循環水和測功機循環水，工程循環冷卻水總量為2035 m3/h。循環水系統主要功能為發動機試驗臺架運行提供冷卻用水。循環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，和技改節能公司對實驗室整個循環水系統取水動力端、輸水端、用水端、回水端、冷卻端進行詳細調研檢測，對系統數據進行診斷、分析、研究。發現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，增加了企業運營成本。為響應國家號召，降低企業能耗和運營成本，急需對實驗室水泵房設備進行節能改造。

表1 水泵房原水泵參數

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。水泵節能改造實施前，做好充分調研準備工作，確認目前系統正常運行工況及系統運行參數，在不改變現有工藝裝置冷卻水要求及循環水工藝指標的前提下，保證系統正常換熱效果的情況下進行改造。

2 技術實施改造方案

對發動機研究所實驗室整個循環水系統供水動力端、輸水端、用水端、回水端、冷卻端進行詳細調研檢測，從循環水系統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

目前實驗室循環水系統實際運行工況常年相對穩定，運行工況變化有規可循，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，機封漏水等現象，導致水泵運行參數偏離水泵高效區域，造成水泵運行機械效率偏低。

循環水系統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，即水泵運行參數由水泵和管阻共同決定。分析該系統現場檢查的運行參數，低壓和高壓水泵運行參數偏離高效設計參數，原因在于系統而不在于水泵。管路的設計合理與否，對日常運行能耗有很大影響，因此在循環水系統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。根據數據分析，系統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，科學合理，適當調節母管線閥門開度，優化系統管路特性曲線。

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，理想狀態下采用小水量大溫差的熱交換工藝。減小循環水量，降低循環水系統能耗不失為較為理想的節能方法，但較難實現。循環水系統中有多個換熱設備，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，分類統計各換熱器的溫差并與設計工況進行比對。可以根據換熱器實際換熱情況，調整換熱器進出口閥門，平衡系統阻力，優化循環水系統各項參數，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。經過現場調研發現，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水冷卻回水進行蒸發散熱、提供低溫出水。其散熱冷卻能力是保證整個循環水系統正常運行的關鍵，整個系統的優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 更換高效節能水泵

根據現場實際工況，重新設計與系統匹配的高效節能循環水泵。循環水泵是整個循環水系統的核心部件，同時是循環水系統的能耗最大部件。經調查發現，一套循環水系統在其終身使用中，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 更換高效節能電機

更換高效節能電機，高效電機是比普通電機效率高1%～3%的節能電機，高效電機與高效節能水泵配套，系統運行效率更高。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 的規定）。現場選用一級能效電機（圖2），在行業內具有領先地位。

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，監控實施后運行模式的各項數據，檢驗并網運行時循環水總管工藝參數均滿足生產工藝要求，系統換熱效果正常。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、后能耗理論節電計算

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

（1）計算依據。循環水系統各臺水泵電機前、后功率對比。

（2）計算方法。系統單位小時能耗N改前系統=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

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

3.3.2 系統節能效益

改造后系統年節電量=（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 節電率計算

節電率=（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《關于加快發展節能環保產業的意見》《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》和《“十三大”節能減排綜合性工作方案》文件精神，根據《“十三大”全民節能行動計劃》要求。制造企業應不斷加快節能環保創新，推廣節能環保應用及成果轉化，共同享受國家相關獎勵優惠政策。本技改項目實施后為企業節省年用電支出近64 萬元，降低了企業能耗。本改造項目適用于其他行業，有一定借鑒意義。