水泵复合节能技术在工业中的应用案例分析

随着GB／T24915—20l0合同能源管理技术通则及财建【2010】249号合同能源管理项目财政奖励资金管理暂行办法等相关文件的出台，越来越多的节能服务公司加入节能行业。在相同的待改造项目上，由于各家公司的技术产品不尽相同，节能改造的效果也不一样，这给业主在选择什么样的技术产品时造成一定的困扰，针对这一情况，结合相关案例给出分析评价。

1、系统运行情况分析

河北钢铁集团炼钢厂连铸设备冷却泵共2台，运行模式一开一备，电机由佳木斯电机公司生产，型号为Y315L2—4，额定功率为220 kw， 额定电压为380 v，额定电流为359 A，功率因数为o．89；水泵由上海康大泵业公司生产，型号为KD0w200一660C，流量为2l0m3／h一660 m3／h，扬程为98 m，汽蚀余量为5．1 m。

参照sL548—2012泵站现场测试与安全检测规程进行测量，经过与业主相关技术人员沟通及对系统多年的运行参数统计分析后，得出连铸设备冷却泵系统运行流量范围为400 m3／h～500 m3／h，水泵出口压力为0.85 MPa。0.9 MPa。水泵每年大部分时间(约6 000h)运行工况为：出口阀门开度为65％，进口阀门全开，流量为500 m3／h，压力为0.9 MPa，电机运行电流为339 A；在冬季大气温度比较低时(约2 000 h)运行工况为：出口阀门开度为50％，进口阀门全开，流量为400 m3／h，压力为0.1MPa。

2、复合节能技术改造评价

2．1 采用三元流技术设计更换节能泵

三元流技术对循环水泵的节能改造具有重要作用，它的实质是理论与实践相结合的成果。它通过采用先进的水泵设计软件，即榭流一尾迹三元流动理论计算方法》Ⅲ，并与水泵在现实生产运行的实际状况相结合，对水泵内部的以叶轮为主要部件的水力构件进行设计。它主要是通过以下步骤完成的：首先是对正在使用的离心泵的工况，如水流量、压力变化的范围以及离心泵所耗费的功率等进行试验，并将以前泵体运行的参数标准提出来，以这些参数为依据进行离心泵的设计，然后再通过相关软件设计出新的高效水泵。

把现有连铸设备冷却泵更改成高效节能泵，计算前提：水泵出口流量500 m3／h、压力0．9 MPa，水泵出口阀门开度100％，电机运行电流为339 A，其余管网硬件设施不便，经软件分析计算后得出系统改造后的节能量。

改造前：电机耗电功率Pl=1．732×380 x 339×0．89=198．6 kW，电机输出轴功率P2=1．732×380×339×0.89×0.92=182．7 kw，水泵输入轴功率B=电机输出轴功率=182．7 kw，水泵输出轴功率P4=9．8×500×90，3 600=122．5 kW，水泵运行效率=剐P3=67％。通过软件分析计算，新设计的水泵可以运行在高效率区，其效率可达到85％。

改造后：水泵输入轴功率P3。=122．5／0．85=144．1kw，电机输出轴功率P2’=水泵输入轴功率P3’=144．1kW，电机耗电功率Pl’=144．1／0．92=156．6 kW，小时节电量=P1一只。=198．6—156．6=42 kW，节能率=42／198．6=21．1％，年节能量：42 kW×8 000 h=33．6 x 10 4kW·h，电费按照0．6元／(kW．h)计算，年节省电费=33．6×104kW·h×0．6元，(kW·h1=20．2×10 4元，1．5 a左右的时间可以收回投资成本。

2．2节能泵调速节能

根据电机的特性可知电动机的调速原理，异步电动机输出轴转速(简称电机转速)为几0_(1一s)×60×f／p，式中：凡0为电动机同步转速，r／min；f为电动机定子供电频率，Hz；P为电动机极对数，2p；s=(no-n)no；s为转差率，凡为电动机定子供电频率变化后的转速，r／min。通过改变电机供电频率可以改变电机转速。

连铸设备冷却泵更换为高效节能泵以后，考虑到在冬季大气温度比较低时，设备的冷却效果较好，循环水用量有所降低，用水量为400 m3／h。此时若水泵出口阀门全开，其出水流量为500 m3／h，超过了设备冷却实际需求量400 m3／h。不仅电机的能耗较高，也浪费水资源，若采取减小出口阀开度方式来减小水泵出口流量，会造成节流损失，降低水泵系统运行效率。节能泵变速运行可以解决这个问题。在高效节能泵系统上加装变频器，通过改变电机的供电频率，达到改变电机和水泵的转速。根据流体力学原理，离心式水泵风机等负载设备运行负荷相似定律：流量p与电机转速n一次方成正比，即Q ∞ n；水压日与电机转速n二次方成正比，即H ∞n2。功率P与电机转速n三次方成正比，即P ∞ n3。

如果效率一定，当要求调节流量下降时，转速n可成比例下降，则轴输出功率P成立方关系下降，即电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。降低水泵的转速，可以使流量成正比地减少，压力成平方关系减少，轴功率成立方关系降低，因而节电效果显著。Q1/Q2=n1/n2=400／500=O．8，H1/H2=n1/n2=O.85／1.O=0.85，连铸设备冷却泵运行时压力范围为0．85 MPa～O．9 MPa，所以变频调速后的水泵最小转速比n1/n2=0．92，轴功率P3〃／P3ˊ=(n1/n2)3=(0．92)3=0．78。

加装变频器以后电机耗电功率Pl”=P3’×0．78／电机效率／变频器效率=144.1 x 0.78／O.9／0.91=137.2 kw，小时节能量=P1’-P1”=156.6—137.2=19.4 kw，节能率=19.4/156.6=12.4％，更换高效节能泵以后，1 a中需要调速运行的时间按2 000 h计算，年节电量=194×2 000=3．9 x 1 04 kw·h，年节省电费=3.9 x 10 4kW·h×O．6元／(kw．h)=2．3 x 104元，4 a左右的时间可以收回投资成本。更换高效节能泵并加装变频器以后，可以实现以下功能：

a)连铸设备冷却泵系统节能量变大，系统节电量=33．6×10 4kW·h+3.9×10 4kW·h=37．5×10 4kW·h．年节省电费=37．5 x l0 4kW·h×0.6元／(kW·h)=22.5 x104元，2 a左右可以收回投资成本；

}))电机实现软启动，减小启动电流，降低了对电网的冲击和对供电容量的要求，减小机械磨损等。若原连铸设备冷却泵仅采用变频调速技术进行节能改造，节能情况分析如下：

Q1/Q2=n1/n2=400／660=0.6l，H1/H2=(n1／n2)一O.85／9.8=0.86，连铸设备冷却泵运行时压力范围为0.85 MPa一0.9～MPa，所以变频调速后的水泵最小转速比n1/n2=0.93，电机输出轴功率P3〃ˊ／P3=(n1/n2)3=(0．93)3=0．8。加装变频器以后电机耗电功率P1〃ˊ=P3×0．8／电机效率，变频器效率：182.7 x O.8／O.92，0.94=169 kw，小时节电量=P。一P1.=198．6一169=29．6 kw·h，节能率=29.6/198.6=14.9％，一年中需要调速的时间按8 000h计算，年节电量=29.6 kW·h×8 000 h=23.7×1 0 4 kW·h，年节省电费=23.7×10 4 kw·h×0.6元／(kw·h)=14.2×104元，1 a左右的时间可以收回投资成本。

可以看出，只采用变频调速对电机系统进行节能改造比更换节能泵加装变频器方式每年少节约电费8．3×104元(22．5×104元一14．2×104元)。所以。采用复合节能技术对水泵系统改造是菲常理想的方式。特别是业主采用合同能源管理模式和节能服务公司合作，由节能服务公司提供资金和技术产品，节能服务公司和业主按比例分享节能收益，达到双赢结果。

3、结语

离心式水泵风机等电机拖动负载节能改造的方式较多，企业通常采取单一的节能改造技术，没有充分挖掘出电机拖动系统的节能空间，主要原因有：单一的节能技术产品和水泵复合节能技术相比造价较低；水泵复合节能技术在实际操作中有一定的难度，需要经验丰富的技术人员充分分析论证。此案例低压电机拖动水泵系统采用了水泵复合节能技术改造后，取得了良好的经济和社会效益。随着合同能源管理节能机制在中国的发展，节能服务公司利用资金和技术优势，能够为用能单位提供全面的节能评估和节能改造效果保证。相信未来采用合同能源管理模式进行的水泵复合节能技术会在工业企业节能改造中越来越普及。