郁東青 浙江云碳科技有限公司

2022年國家發(fā)布《工業(yè)能效提升行動計劃》，表明工業(yè)節(jié)能是一條重要的碳中和途徑，工業(yè)節(jié)能技術(shù)改造目前是國家、各省重點開展的行動，有利于推進節(jié)能降耗。節(jié)能技術(shù)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(shè)備及系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的前提下，采用先進、適用的技術(shù)，對現(xiàn)有用能設(shè)備或工藝進行改進。決定一個節(jié)能改造項目是否成功的關(guān)鍵包括技術(shù)能力、節(jié)能效果和經(jīng)濟效益等。

本文從節(jié)能技術(shù)改造項目實施前后節(jié)能效果和產(chǎn)生的經(jīng)濟效益角度入手，以某企業(yè)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)改造項目為實例，進行分析、計算和評價，助力國家節(jié)能降碳。

1 某企業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

某企業(yè)現(xiàn)有1套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，母管制供水，配有7臺循環(huán)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(jù)該企業(yè)實際運行數(shù)據(jù)，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)實際運行5臺水泵，母管總循環(huán)水量為28723m3/h，瞬時總有功功率為5706kW，循環(huán)水泵系統(tǒng)出水母管平均壓力0.368MPa。

1.2 系統(tǒng)存在的問題

由該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)實際運行5臺水泵，實際水泵平均負(fù)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(tǒng)存在多方面的問題：

①循環(huán)冷卻水泵運行狀態(tài)不佳，水泵額定揚程與實際循環(huán)水管網(wǎng)不匹配，額定揚程過大。②現(xiàn)有水泵運行5臺可滿足裝置需求，但同樣造成運行負(fù)荷不高，平均實際單臺流量只有5744m3/h，遠(yuǎn)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(shù)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(jù)生產(chǎn)設(shè)備負(fù)荷變化需求調(diào)整水泵的運行工況，只能通過閥門調(diào)節(jié)或改變水泵運行數(shù)量來調(diào)節(jié)總循環(huán)水量，且長期閥門處于未100%開啟狀態(tài)，造成一定的節(jié)流損失。⑤水泵投用時間早，受早期技術(shù)條件的限制，水泵額定效率整體偏低。

2 節(jié)能技術(shù)改造方案

某企業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)共配置有7臺水泵，其中5用2備。從經(jīng)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(diào)節(jié)措施以此來根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備負(fù)荷調(diào)節(jié)循環(huán)水量。根據(jù)改造內(nèi)容，預(yù)計需投入資金370萬元。

3 節(jié)能技術(shù)改造原理

選用高效水泵替換低效水泵，在滿足生產(chǎn)設(shè)備循環(huán)水量需求前提下，進一步降低循環(huán)水系統(tǒng)用電量。按實際循環(huán)水管網(wǎng)工況設(shè)計選定新水泵的參數(shù)，其中揚程按實際管網(wǎng)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(huán)水泵組運行在高效率區(qū)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(shè)計點，同時變頻水泵可滿足負(fù)荷變化需求，減少節(jié)流損失。

4 節(jié)能量前評估及經(jīng)濟效益預(yù)測評估

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

4.1 節(jié)能效果預(yù)測評估

首先，按照《節(jié)能量前評估計算方法》（GB/T 39965-2021），在節(jié)能項目實施前應(yīng)確認(rèn)基準(zhǔn)能耗，基準(zhǔn)能耗指節(jié)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(zhǔn)能耗即為項目實施前循環(huán)冷卻水系統(tǒng)1年的總用電量。首先，根據(jù)某企業(yè)的運行數(shù)據(jù)，該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)全年總用約量為4471萬kWh。再次，計算出項目實施的預(yù)測節(jié)能率，現(xiàn)有循環(huán)冷卻水泵額定效率84%，實際運行效率60%。新型高效循環(huán)水泵額定效率91.2%，新型水泵按實際循環(huán)水管網(wǎng)工況設(shè)計，預(yù)計實際運行效率與額定效率差異不大。因此,預(yù)測節(jié)能率根據(jù)現(xiàn)有循環(huán)冷卻水泵實際運行效率和新型高效循環(huán)水泵額定效率差值確定為30%。最后，根據(jù)《節(jié)能量前評估計算方法》中的公式，即式（1）計算前評估期節(jié)能量。經(jīng)測算，本項目實施預(yù)計年可節(jié)電1341萬kWh。

式中ESp—前評估期節(jié)能量；Eb—基準(zhǔn)能耗；εp—預(yù)測節(jié)能率。

4.2 經(jīng)濟效益預(yù)測評估

項目實施主要節(jié)約電力消耗，電力成本按0.83元/kWh計算，預(yù)計年可產(chǎn)生經(jīng)濟效益1113萬元。項目預(yù)計投資額為370萬元，綜合稅率、貼現(xiàn)率分別依15%和10%計算，設(shè)備折舊年限按10a，經(jīng)粗略計算，方案的投資償還期0.39a，內(nèi)部收益率257.19%，方案的經(jīng)濟效益顯著。綜合上述節(jié)能量前評估及經(jīng)濟效益預(yù)測，項目節(jié)能效果好，節(jié)能量大，經(jīng)濟效益顯著。

5 項目實施后實際節(jié)能量及經(jīng)濟效益計算

項目實施后，應(yīng)按照《用能單位節(jié)能量計算方法》（GB/T 13234-2018）中的方法對實際產(chǎn)生的節(jié)能效果進行測算，同時分析其實際的經(jīng)濟效益。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，確定用能系統(tǒng)的邊界、能源基準(zhǔn)、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(jù)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(tǒng)的節(jié)能量，必要時可進行非常規(guī)調(diào)整。評價節(jié)能技術(shù)改造項目實施后的節(jié)能效果，可以選擇后推校準(zhǔn)法或前推校準(zhǔn)法進行歸一化，以下以前推校準(zhǔn)法為例。

5.1 項目邊界描述

根據(jù)節(jié)能技術(shù)改造內(nèi)容，項目邊界為循環(huán)水系統(tǒng)。邊界內(nèi)相關(guān)參數(shù)包括循環(huán)水泵總用電量、出水母管壓力、回水母管壓力和循環(huán)水總流量。

5.2 能源基準(zhǔn)

所謂的能源基準(zhǔn)指用作比較能源績效的定量參考依據(jù)，在本項目中可以將循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的循環(huán)水量作為基準(zhǔn)，即循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的產(chǎn)品—循環(huán)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(jié)能量的，能源績效改進措施實施前的時間段?；谶x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(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)所有循環(huán)水泵配備電力計量表，循環(huán)水出口母管配有壓力表和流量計總表，循環(huán)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(jié)能量的，能源績效改進措施實施后的時間段。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(huán)冷卻水系統(tǒng)基期及報告期相關(guān)運行數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)基期和報告期相關(guān)運行數(shù)據(jù)表

5.5 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行參數(shù)歸一化（前推校準(zhǔn)法）

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)通過消耗電力將冷卻水輸送至生產(chǎn)設(shè)備，其電力消耗量與循環(huán)水量成一定的關(guān)聯(lián)性，另外出水母管壓力和回水母管壓力可能對電力消耗產(chǎn)生一定的影響，因此需考慮相關(guān)影響節(jié)能量的因素，對可能的因素進行分析，分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)方法。

通過收集報告期12個月的循環(huán)水泵總用電量、循環(huán)水總流量、出水母管壓力、回水母管壓力數(shù)據(jù)，將總用電量與其他參數(shù)兩兩之間進行相關(guān)性計算發(fā)現(xiàn)，循環(huán)水泵總用電量與出水母管壓力相關(guān)性系數(shù)0.727，中度相關(guān)；與回水母管壓力相關(guān)性系數(shù)0.209，極弱相關(guān)；與循環(huán)水總流量相關(guān)性系數(shù)0.947，高度相關(guān)。按照對項目循環(huán)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(huán)水總流量、出水母管壓力。

再將報告期12組數(shù)據(jù)的循環(huán)水泵總用電量和循環(huán)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(yīng)值為循環(huán)水泵總用電量（kWh），連續(xù)預(yù)測變量為循環(huán)水總流量（m3）、出水母管壓力（kPa），得到回歸方程（即報告期校準(zhǔn)能耗公式）。為保證回歸方程有效，設(shè)回歸模型不確定性標(biāo)準(zhǔn)為R2≥80%，顯著性檢驗標(biāo)準(zhǔn)為F≥30，顯著性水平為Sig＜0.05。循環(huán)水泵總用電量=15475320+0.0934×循環(huán)水總流量-39757×出水母管壓力。通過計算，該回歸模型擬合優(yōu)度R2=91.38%，顯著性檢驗標(biāo)準(zhǔn)F=47.72，顯著性水平Sig=0.000，回歸模型滿足顯著性假設(shè)檢驗要求。

將表1中基準(zhǔn)期實際數(shù)據(jù)（循環(huán)水流量和出水母管壓力）代入回歸方程算得前推校準(zhǔn)后的報告期循環(huán)水泵總用電量。項目實施節(jié)電量=基期總用電量-前推校準(zhǔn)后的報告期總用電量=4471萬kWh-3144萬kWh=1327萬kWh，基本接近節(jié)能量前評估預(yù)測的年節(jié)電量1341kWh。電力成本按0.83元/kWh計算，實際年可產(chǎn)生經(jīng)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(xiàn)率分別依15%和10%計算，設(shè)備折舊年限按10a，經(jīng)粗略計算，方案的投資償還期0.39a，內(nèi)部收益率256.67%，實際經(jīng)濟效益可觀。

6 結(jié)語

本文以節(jié)能改造實例，從節(jié)能技術(shù)改造原理，節(jié)能項目實施前節(jié)能量前預(yù)測評估和經(jīng)濟效益預(yù)測評估，項目實際實施后節(jié)能量計算和經(jīng)濟效益計算等整個流程完整闡述了節(jié)能技術(shù)改造項目的實施效果評價方法，為節(jié)能改造項目實施前、后節(jié)能量和經(jīng)濟效益預(yù)測、認(rèn)定提出了切實可行的操作方法，助力工業(yè)企業(yè)踐行綠色發(fā)展理念，持續(xù)提升能源資源利用效率，加快實現(xiàn)節(jié)能提效與綠色低碳轉(zhuǎn)型。