合同能源管理在水泥企业的应用分析

贾丕建，张小东，邢学荣

（1.烟台市节能监察支队，山东 烟台 264003；2.烟台市清洁能源检测中心，山东 烟台 264001）

近几年，水泥行业生产工艺、产品质量、单位能耗、除尘降噪等各项指标均大幅提高，煤耗和电耗均大幅降低，但与国外先进水平相比，我国水泥行业无论在生产工艺、单位产品能耗等方面还有一定的差距，而拖动大容量风机的高压电动机耗电量约占厂用电量的30%～40%，因此改造高压电动机的运行模式和控制方式成为节能降耗的有效途径。但是由于高压变频器设备一次性投资大，加大了企业资产负债率，对企业目前需要实现的效益目标形成障碍，而合同能源管理就是高压变频器技改项目运作及顺利实施的关键。

合同能源管理（energy performance contracting,EPC）是一种新型的市场化节能机制，其实质就是以减少的能源费用来支付节能项目全部成本的节能服务方式。能源管理合同在实施节能项目投资的企业（用户）与专门的盈利性能源管理公司之间签订，双方通过实施节能项目获取“绿色利润”。2010年国家先后出台发布了《合同能源管理财政奖励资金管理暂行办法》、GB/T 24915—2010《合同能源管理技术通则》，分别从政策和财政上予以扶持，有力地推动了节能技术改造项目的开展。

1 项目概况

蓬莱蔚阳水泥有限公司水泥生产线为新型干法预分解窑，配套一座6 MW低温余热发电站，生产过程全部实行集散控制系统（DCS）集中控制，实现了生产规模化、数字化和自动化，产品各项技术指标达到同行业先进水平，年生产水泥200万t。

项目是由烟台东方电子科技发展有限公司以合同能源管理模式全额投资实施的节能技术改造项目，改造内容包括对1号磨循环风机、2号磨循环风机、窑尾排风机、窑头排风机、煤粉通风机、窑尾高温风机等6台高压电动机及2台蓖冷机冷却风机的低压电动机进行变频技术改造，通过新增变频器系统，在满足运行工艺要求（保证风量和生产工艺）的前提下，改善原有运行方式，从而达到节约电能、改善运行工艺的目的。

烟台东方电子科技发展有限公司对“蓬莱蔚阳水泥有限公司高压变频EPC改造项目”（以下简称项目）全额投资，独自承担项目的风险，完成项目的设计、改造设备（DF5000系列高压变频器系统与低压变频器系统）的提供及安装调试、电气施工工程（电缆敷设、检测试验等）的实施、合同能源管理期内的技术服务等内容。

依据双方签订的能源管理合同，在项目合同期内，烟台东方电子科技发展有限公司拥有对项目有关投入(包括原材料、设备、技术等)所有权，并定期与蓬莱蔚阳水泥有限公司分享项目产生的节能效益。在烟台东方电子科技发展有限公司的项目资金、运行成本、所承担的风险及合理的利润得到补偿之后（合同期结束），设备的所有权将转让给用户，蓬莱蔚阳水泥有限公司最终将获得高能效设备和享受合同期后产生的全部节能效益。

2 项目的节能诊断

蓬莱蔚阳水泥有限公司水泥生产线的新型干法预分解窑所配的风机主要是离心风机，主要以控制风量或负压为目标量，在项目实施前，烟台东方电子科技发展有限公司技术人员对现场进行了监测分析，发现1号磨循环风机、2号磨循环风机、窑尾排风机、窑头排风机、煤粉通风机、窑尾高温风机等6台高压电动机与蓖冷机四室、五室低压电动机驱动的风机风量由风门调节，且风门开度均比较小，存在较大的节能空间，实际运行时，大部分的能量都被消耗在挡板上，且挡板的开度越小则消耗在挡板上的能量也就越多，通过节能诊断分析，项目实施前，在如下几方面情况造成电能大量浪费。

（1）风机运行中实际风量仅为额定风量的一部分，风机远离额定工作点运行，其实际运行效率很低，能耗浪费问题严重。

（2）由于挡板的存在，挡板前后存在压差，消耗了很大一部分能量，同时加大了对管道和风机的磨损。

（3）采用人工方式来调节挡板，操作麻烦，实时性差。

（4）电动机直接启动，启动电流为额定电流的6～8倍，严重影响电动机的绝缘性能和使用寿命，并会对电网造成较大冲击。

（5）电动机运行功率因数最高为0.8，功率因数低，无功损耗大。

3 项目方案设计

3.1 技术改造节能原理

项目通过技术改造，新增高、低压变频器系统，以调节电动机运行频率（转速）的方式替代了原有的调节风门的运行方式，从而起到节省电能、提高功率因数、改善运行工艺的作用，其节能原理如图1所示。从风机的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。

图1 风机的运行曲线

当所需风量从Q1减小到Q2时，如果采用调节风门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B点运行，所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比；如果采用调速控制方式，风机转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但风机的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点，此时所需轴功率P3与面积HB×Q2成正比。从理论上分析，所节约的轴功率ΔP与（H2-HB）×（B-C）的面积成正比。

3.2 项目技术改造方案

通过新增的高压变频器系统与低压变频器系统，使风机可以在变频运行状态和工频运行状态间进行切换，即使在变频器发生故障时也不会影响风机的运行，保证不因增加高压变频器系统与低压变频器系统而降低原有系统的整体可靠性，同时在变频运行时，调节电动机转速，达到节能效果。改造后的一次主回路系统如图2。

图2 改造后的一次主回路系统图

DF5000系列高压变频器与低压变频器系统是一种高可靠、高效率、高节能、无污染的变频装置。设备网侧功率因数高于0.96，无需进行无功补偿；系统效率大于96%；输入输出谐波满足IEEE Std 519—1992及GB/T 14549—1993要求，对电网无谐波污染，同时优良的输出电压波形也消除了电动机发热，附加应力等问题，大大延长了电动机的使用寿命。

低压变频系统核心设备采用ABB公司生产的低压变频器,运行高效稳定,通过控制输出频率来控制电动机转速，从而达到节能的目的。

3.3 项目改造设备情况

项目改造的1号磨循环风机、2号磨循环风机、窑尾排风机、窑头排风机、煤粉通风机、窑尾高温风机等6台高压电动机驱动的风机，技术改造前均未处于满负荷运行状态，挡板开度均未到80%，通过技术改造，达到了改善运行方式、节约电能的效果。节能技术改造设备情况见表1。

表1 节能技术改造设备表

3.4 项目电能监测计量

烟台东方电子科技发展有限公司与蓬莱蔚阳水泥有限公司就项目的电能计量位置、方式进行了确认，1号磨循环风机、2号磨循环风机、窑尾排风机、窑头排风机、煤粉通风机、窑尾高温风机等6台高压电动机及2台蓖冷机冷却风机的低压电动机均加装了单独计量智能电能表进行能源计量，计量装置型号为DSSD178。

采用的DSSD178智能电能表符合IEC687和GB/T 17883—1999、GB/T 17215—2002、GB/T 17882—1999、DL/T 614—1997、DL/T 645—1997等标准。具有各种计量、显示、通信、监控等功能，可以精确地分时计量三相正反向有功电能、四象限无功电能以及需量；精密实时测量三相电压、电流、有功无功功率、功率因数等；检测并记录失压、失流、断相等事件。

4 项目实施节能效果监测分析

技术改造项目实施后，用户蓬莱蔚阳水泥有限公司和第三方机构烟台清洁能源检测中心分别对实施后节能效果进行了监测分析。

4.1 蔚阳水泥有限公司项目的节能效果

技术改造项目实施后（安装变频器），将风门开度调整为100%，风机原先调节方式为通过调节风门开度的方式，改为调节风机的电动机运行频率，从而靠改变电动机的转速来达到调节风量的目的，在风量完全满足工艺要求基础上，节能降耗。项目实施后运行状况如下：

（1）通过调节运行频率，在满足运行工况的前提下，降低了电动机的功耗，从而达到了节能的效果。

（2）运行中将风门开度开至100%，同时通过调频降低电动机和风机的转速，减少了对设备的磨损，延长风机使用寿命，降低维修费用。

（3）采用无级调速改变电动机转速从而达到调节风量的目的，改进了风机的调节品质，避免了以人工方式来调节挡板的麻烦和不具实时性的弊端。

（4）通过高、低压变频器可实现高、低压电动机的软启动，降低电动机启动电流，延长电动机使用寿命，降低电动机启动对电网的冲击。

（5）在变频技术改造后，网侧功率因数达0.96以上，降低了无功损耗。

4.2 项目的节能效果监测分析

4.2.1 技改后能源消耗状况

技术改造后，风机风门开度始终为100%，变频器采用改变风机转速对风量进行调节时，在满足运行工况的情况下，可以大大提高风机系统运行效率，因为当风机转速下降时，风量随转速下降成一次方比例关系下降，而其轴功率则按转速下降成3次方关系下降。改造后经现场测量仪表计量，现场监测各电动机运行功率及技术改造前后能耗情况如表2。

4.2.2 节能量分析

节电量计算依据如下：通过以上数据可知工频运行时功率P，变频运行功率Pb，从而可知工频运行年用电量Q工频=P×T，变频运行年用电量Q变频=Pb×T，则年节约电量Q=Q工频-Q变频（T为年运行时间），节电率K=（Q工频-Q变频）/Q工频×100%，工频和变频运行功率及运行时间确定后，则由以上工频运行数据和变频运行数据可知该项目年节约电量，如表3。

5 结束语

通过监测分析计算的年节电量为1082.34万kWh，折合年节约标准煤为3961.36 tce，其节能效果得到了蓬莱蔚阳水泥有限公司（用户）和烟台东方电子科技发展有限公司（节能服务公司）共同确认，双方已对项目产生的效益予以共同分享。

表2 技改前后各设备工频运行功率及耗电量

表3 节能量计算表