合同能源管理施耐德(施耐德的合同能源管理收益机制)

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摘要：本文结合日照钢铁有限公司2150带钢厂浊环高压水泵中HARSVERT-A10/120变频器的应用情况，重点介绍了合同能源管理模式在日照钢铁的首次引进、变频系统的整体组成、结构特点以及典型应用方案，从合同能源管理角度对节能效果进行了分析。

1前言

日照钢铁有限公司2150热轧带钢生产线2008年底建成投产，年产各种规格合格热轧卷板460多万吨，该条生产线的浊环高压水泵采用1600KW/10KV电动机传动，采用母管制供水方式，采用4用2备方式。浊环高压水泵是通过调整阀门开度、泄压泄流的方式来调节母管压力。由于浊环水系统流量从6000m3/h到10500m3/h变化，母管压力流量变化大，运行时易出现压力不稳定易造成母管破裂。无论工艺用水需求大小，一直处于工频运行，以阀门泄压限流方式调节压力流量，致使能耗、损耗与成本增大，给公司造成极大的浪费，经公司各部门论证，进行节能技术改造已势在必行。

合同能源管理（EMC——Energy Management Contracting）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业务方式。这种节能投资方式允许客户用未来的节能收益为工厂和设备升级，以降低目前的运行成本；或者节能服务公司以承诺节能项目的节能效益、或承包整体能源费用的方式为客户提供节能服务。能源管理合同在实施节能项目的企业（用户）与节能服务公司之间签订，它有助于推动节能项目的开展。在传统节能投资方式下，节能项目的所有风险和所有盈利都由实施节能投资的企业承担；在合同能源管理方式中，一般不要求企业自身对节能项目进行大笔投资。利德华福（施耐德）HARSVERT-A10/120变频器很好的满足了现场设备的运行要求，且日照钢铁首次尝试合同能源管理模式，经过双方友好协商，最终决定采用合同能源管理模式的合作方式。双方合同约定如下：

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1.1电效益分成年限、比例：考虑到乙方（利德华福）承担了全部的节能改造的风险、提供改造所需资金、设备及工程安装；还免费提供五年内所有的备品备件与免费维护维修等技术服务诸多因素，且资金回收期限又较长；按照效益共享、合作双赢、平等互利的原则，双方的整体分成比例为三比七，即甲方（日照钢铁）占三，乙方（利德华福）占七。具体分成办法如下：双方的节电收益第一年按七三分成，甲方占七成，乙方占三成（即甲方获得年节电收益的70%，乙方获得年节电收益的30%）；第二年至第五年按二八分成（即甲方获得年节电收益的20%，乙方获得年节电收益的80%）。

1.2项目的验收：项目安装完毕后三日内，由甲方按设计方案检查安装情况；安装检查合格后，试运行72小时，试运行期间可对设备进行调试。试运行结束后无异常发生，则甲方应出具试运行正常的项目验收证明文件并签字盖章确认。

1.3节能付款方式及结算办法：以设备改造前168小时正常生产条件下的工频总耗电量与设备改造后168小时正常生产条件下的变频总耗电量相比较，以此计算节约电量（此节约电量由双方共同确认后有效），并计算出验收每小时节电量，结合设备月平均运行时间，运行时间波动修正系数，结算周期，当年分成比例等折算出每个结算周期应付款，严格按此执行。各项参数具体定义如下：

验收每小时节电量 =（技改前168小时工频耗电量 - 技改后168小时变频耗电量）÷168小时

电费：0.60元/千瓦时

年平均运行时间：300天

运行时间波动修正系数：0.96

月平均运行小时 = 350天×24小时×0.96÷12月

结算周期：3个月

每个结算周期应付款：=结算周期×月平均运行时间×每小时节电量×电费×当年分成比例

2方案概述

在该生产线原使用6台轧辊高压水泵，轧辊高压水泵供水主要是用来冷却轧机工作轧辊与卷取等设备冷却。浊环水泵单台额定供水流量为4200m3/h，正常生产时一般运行4台可满足轧机现场用水要求；运行4台水泵时，供水流量一般保持在10500m3/h，总供水管供水压力一般保持在1.14-1.18MPa之间，水泵供水位恒定不变。而实际轧机用水一般具有间歇周期性，轧机轧钢时用水流量为10500m3/h、轧机非轧钢时用水流量为6000m3/h 。由于轧机供水水泵供水量是恒定的，而轧机现场工艺用水量又是变化的，且用水量始终小于水泵总供水量，所以在浊环水供水总管末端安装有三个泄压阀来平衡供水总管上的压力用来控制轧机的用水量，总管压力升高会对设备产生危害，这时就靠泄压阀开启将总管的水量排泄一部分，从而保证总管的压力正常。这种工作方式既增加了工序能耗又对设备产生了隐患，故通过采用利德华福HARSVERT-A10/120变频器就很好地满足了工艺设备的运行要求。

3典型方案介绍

3.1系统配置

根据浊环水系统运行要求保持恒压，供水流量变化较大，并且要求在很短时间内达到水泵额定流量值的变化，故设计采用2台浊环泵采用1台变频器一拖二控制方式，同时考虑到系统瞬间需要大流量的要求，为了满足快速加速传动水泵设备，依据现场情况以及综合乙方设备现场使用经验，变频设备按传动不小于1800KW电动机配置。

3.2主回路系统方案

考虑到现场设备实际运行情况，现场设备采用一拖二手动旁路，采用一台变频器分别传动二台泵中的一台电机变频运行：电机可以变频运行也可以通过旁路方式工频运行，当一台泵检修时，可随时切换到另一台备用泵变频运行，确保始终有一台泵变频运行。选用变频器采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。变频器具有对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用原来的异步电机，不需要更换电机。

一拖二手动旁路运行系统基本原理：它是由六个高压隔离开关QS41～QS43、QS51～QS53组成（见下图1）。其中QS42和QS43,QS52和QS53安装机械互锁装置；QS42和QS52,QS41和QS51有电气互锁。如果两路电源同时供电，M1工作在变频状态，M2工作在工频状态时，QS43和QS51、QS52分闸，QS42、QS41和QS53处于合闸状态；M2工作在变频状态，M1工作在工频状态时，QS42和QS41、QS53分闸，QS51、QS52和QS43处于合闸状态；如果检修变频器，QS43和QS53可以处于任一状态，其它隔离开关都分闸，两台负载可以同时工频运行；当一路电源检修时，可以通过分合隔离开关使任一电机变频运行。

特点：正常情况下，允许有一负载工作在变频状态，另一负载工作在工频状态，也可以两台都在工频状态。

3.3控制系统方案

变频系统控制方式可以采用下述2种方式：

A、变频设备内置PID调节实现闭环控制方式

现场变频系统内置PID调节闭环控制方式，通过采集母管实际压力的模拟量信号，与在变频设备监控界面上设定的实际要求压力值比较后，采用变频设备内置PID调节系统，自动闭环控制调节变频设备输出转速以保证母管压力达到实际要求压力值和流量需求。同时在变频设备本体监控界面上完成变频设备的启动、运行及停机操作；变频调速系统还可以采用变频配套的远方上位机控制系统，在监控室远方直接全方位控制变频运行，设定要求母管压力值，启动、停止变频设备，实时监控显示变频系统各种运行状态。

B、远控开环控制方式

变频调速系统可由现场监控操作系统进行协调控制，根据生产需要流量、压力等因素，给定对应负载需要的转速值，实现对负载设备电动机转速控制。

变频系统和现场监控操作系统进行通讯连接，从现场监控操作系统上发出变频器的启动、停机等信号。变频器反馈以下信号接入到现场监控操作系统上： (1)报警及故障信息：重故障报警、轻故障报警；(2)调速装置的状态信息：待机状态、正常运行状态、故障状态、系统旁路状态；（3）电机电流、转速、电压等。

3.4高压变频调速系统参数及构成

3.4.1高压变频调速系统参数

3.4.2高压变频调速系统组成特点

高压变频调速系统本体由变压器柜、功率柜及控制柜组成。如下图2：

图（2）高压变频调速系统示意图

下面分述高压变频调速系统几大主要构成部分及其特点：

（1）变压器柜输入移相变压器的作用是将输入的高压工频电变换成为多组彼此间相互绝缘、电位独立的低压工频电输出，并分别送到各个变频单元中，各变频单元将输入的各组低压交流电分别经整流滤波变换成直流电然后再逆变成单相交流电。

1）、变压器配封闭强迫风冷系统，特点：风量大、能耗小、噪声低、外形美观、安装简便、运行可靠，通过该系统，操作人员可随时了解变压器运行温度，还可以设定控制器温度转折点，超温报警，超温跳闸等。

做“低碳生活”的实践者节约用纸，草稿纸尽量双面使用，可用看过的报纸与期刊来默写单词;

2）、温度保护采用三路巡检温度控制器，可以输出温度轻度过温和严重过热保护。具有就地和远方超温报警功能。温度控制原理示意图如下：

3）、变压器柜内装设了电压、电流检测器件，乙方的高压变频调速系统把相关电压检测融入到了功率柜的功率单元中，极大限度的减少了日常维护的工作量和缩小了整个设备的体积。变压器输入侧电压、电流检测原理如下图：

（2）功率柜是高压变频调速系统中重要的执行部件，基本特点如下：

1）、采用功率单元模块化的设计理念，每一个功率单元可以从机架上非常方便的抽出，移动和更换，所有功率单元是完全一致的，如果某一单元由于故障而不能正常工作，可以在允许设备退出的时间用备用单元将其替换，更换一个单元的时间只需5分钟，无须专用工具。

2）、采用成熟的逆变技术，功率柜中每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。每个功率单元直接使用大功率功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题，结构上完全一致，可以互换，系统为基本的单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，IGBT逆变桥的控制方式为PWM控制。

功率单元原理如下图：

3）、采用单元串联多电平技术，根据电压等级不同采用级数不同的解决方案，通过每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，得到非常好的PWM波形，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶轮的机械力。高压变频调速系统输出的相电压阶梯PWM波形如下图：

（3）控制柜

控制柜是整个高压变频调速系统的核心，人机界面提供友好的全中文WIN CE监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器还包括一台内置的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号(支持DCS硬连接/RS485/Profibus/Modbus/以太网等)的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强了系统的灵活性。控制器结构上采用VME标准箱体结构，各控制单元板采用FPGA、CPLD等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。采用温度检测模块可以随时监控高压变频器各个部位温度。变频器控制系统各部件间的相互连接关系如下图：

（4）、变频器与现场控制系统的通讯

变频器控制系统可编程控制器采用西门子PLC，模拟量信号为4～20mA，4路输入2路输出，开关量的输入和输出接点全部为无源接点，24点输入16点输出，接受现场控制系统的控制信号，支持RS485、Modbus-RTU、Profibus-DP、TCP/IP、DeviceNet等通讯方式（具体通讯方式可在技术协议中明确），并反馈变频装置的主要状态信号和故障报警信号，实现与现场控制系统的闭环控制。

4水泵变频改造节能效果分析

4.1现场浊环泵设备数据：

4.2工频状态下耗电计算（年运行时间按7200h，电价0.60元/度）

Pd：电动机功率 ；d：电动机效率 ； U：电动机输入电压 ；I：电动机实际运行电流 ；cosφ：功率因子。

计算公式：Pd =×U×I1×cosφ1×T1 +×U×I2×cosφ2×T2…①

浊环泵平均工频功耗计算如下：

4.3变频状态下年耗电量计算

1）、泵类负载的运行性能曲线的绘制与计算：

Pd：电动机轴功率 ； P′：轴功率 ；：电动机效率 ；：变频器实际效率 ；

Q：出口流量 ；H：出、入口压力差。

根据泵工作特性：系统采用阀门调节时，泵工作点将由A沿曲线向B点移动；系统采用转速调节时，泵转速由n0 调整为n时负载设备工作点将由B点降至C点。因此采用高压变频器调速，其节电量如下图所示。

另有，电动机效率与电动机负荷率β之间的关系如图一所示。变频器的效率

与电动机负荷率β之间的关系如图二所示。

油泵功率：P=…①代入泵的额定值，得出管网特性系数：λ=P÷（H×Q）

将泵在不同负载下的

、压力、流量值分别代入①，可以求得

泵轴功率。则在变频下的网侧功耗为： Pb=P /ηd ×

相应的节电率为：

具体计算结果如下：

通过上述计算，日钢2150带钢厂通过浊环泵高压变频改造年可节电300多万元（3套）。

5、结束语：

通过对利德华福HARSVERT-A10/120系列变频器在2150热轧带钢生产线浊环泵控制系统中的应用与合同能源管理模式的结合，取得了明显的效益和效果：

5.1改造后直接节电率（单台）=（1301.43-966.91）/1301.43*100%=25.7%，节能效果明显（注：1301.43KWh为技改前单位时间工频耗电量，966.91KWh为技改后单位时间变频耗电量）；

5.2变频泵电机功率因数较工频泵提高了，减少了系统的铜损和铁损等；

5.3水泵出口压力不再大幅波动，不再憋泵，大大减小了叶轮汽蚀，消除了水锤冲击，水泵运行在高效工况区，既提高了效率还降低了能耗，减少了叶轮、阀门等设备维护量；

5.4由于变频泵的缓起缓停、自动稳压，减少了对电网、管网的冲击。

2150带钢生产线高压浊环泵变频节能技改项目为日照钢铁集团首次采用合同能源管理模式，对于公司节能改造具有划时代的意义，截止2015年1月底，已支付乙方利德华福公司419.4723万元，已支付比例为48.55%，目前仍按照合同约定比例定期支付。有了这次成功实施的经验，下一步，日照钢铁将继续挖掘水泵、风机变频节能技改项目，并将大力推行合同能源管理模式，为国家节能减排做出最大贡献。

资源是人类赖以生存和社会赖以发展的基础，如果我们再滥用这些资源，而不去保护或重新开发新的资源，到那时候，人类将永远呆在这荒凉的大地上。