合同能源管理中的电机项目节电量评估

王 庆，马 研，王 峰

（江苏电力节能服务有限公司，南京 210019）

21世纪世界能源供应越来越紧张，我国同样也面临着发展和转型的双重压力。我国过去几十年的发展中可以看出其生产方式较为落后、能源利用率较低等问题。在这样的大背景下急需对传统能源生产方式和消费方式进行改变。

电机作为经济发展中各种设备的主要驱动设备，广泛应用于水泵、风机和起重机等。以提升电机能效为目标，江苏省“十二五”节能规划要求，促进企业转型升级，围绕电机生产、使用、回收及再制造等关键环节，加快实施电机系统节能改造，推动“十二五”节能减排目标的顺利完成。电机属于面大量广的通用设备，进行节能改造一定程度上可提高能源利用率，但是由于节能技术推广的局限性，对于迫切需要转型的大环境而言仍不足以解决问题。目前国内外采用合同能源管理模式实施电机节能改造，促进电机能效的提升。因此研究合同能源管理的新机制具有重大的意义[1，2]。

1 合同能源管理模式

合同能源管理[3—8]（energy management contract，EMC）起源于美国，产生于20世纪70年代世界能源危机，其本质是将节约的能源费用作为支付节能改造项目全部投资的节能投资方式，允许能耗企业使用节能投资收益来对未来节能设备进行升级，以此降低目前的运行成本。1996年，世界银行第一次把合同能源管理这一概念带到中国。作为市场化的节能减排机制，合同能源管理被我国政府视为节能减排利器，我国政府专门推出了鼓励合同能源管理的相关政策，从而推动了我国合同能源管理的进一步发展。合同能源管理由节能服务公司（energy service cooperation）为能耗用户提供全面的能源服务，从能耗审计、设备投资、设备选取安装一直到运行维护的全方位的一条龙服务。节能服务公司的效益则完全来源于能耗用户通过提高能源使用效率获得的效益，也就是说为用户选择最经济合理的能源消耗方式来实现用户节能效益最大化，才能扩大节能服务公司的经济效益。因此作为一种新的节能机制，合同能源管理不同于传统的节能技术、节能产品的销售模式，而是通过销售一套完整的节能方案，以共同分享节能效益来实现降低能耗、节能服务公司和用户共同获利的双赢目标。合同能源管理的效益分享如图1所示。

图1 合同能源管理效益分享图

现在大部分合同能源管理模式的电机改造项目都采用节能效益分享型，所用技术基本上为变频改造，且能达到较高的节电率。项目完工时可以要求具有节能检测评估服务资质的第三方检测机构对项目改造前、改造后的能耗进行测量并确定相应的节电率，以此达到双方的认可。项目验收后进入实施阶段，进而需要设立项目分享期，合同结束后节能服务公司不再参与节能效益分享，前期投资的节能设备及所有权全部移交给企业。在合同期内节能服务公司承担电机改造中的设备费用、工程费用、以及建设过程中的设备维修、保养等工作，合同截止后节能服务公司不再对其进行承担。

2 电机项目能效测评

2.1 能效测评重要性

能效测评是指对用户能源消耗量及其用能系统效率等性能指标进行计算、检测，并给出其所处水平的活动，主要包括改造前基准能耗测量与改造后能耗测量2个方面。改造前、改造后都需要对设备能耗进行测量，通常由于影响设备运行的因素较多，如果节能项目双方不能拿出一个可供双方完全认可的测量标准，就难免会引起能耗测评结果争议，导致项目不能顺利开展，甚至终止合作。显然，能效测评是合同能源管理项目的关键环节。能效测评的准确度直接决定着节能服务公司项目所得利润以及项目能否顺利开展。一般一个能耗用户的电机种类多且数量大，不同种类的电机（水泵、风机等）的作用不同导致能耗测量时需要将这些电机分成多组分别测评。除此之外，企业的经营状况会受到季节、设备运行时间、电能质量、线损、新增电机、损坏电机或额外增加的其它运行装置等因素的影响，使最终节能费用与预期计算也有很大的差别，因而电量的基准数难以确定。如何准确进行能效测评并得到双方认可，是合同能源管理的最重要的内容之一。

2.2 能效测评内容

在效益分享期内，客户按照合同中规定的节能效益分享计划表分期向节能服务公司支付一定比例的节能费用，剩余节能费用归客户。依据合同能源管理效益分享原则，如果计算的节能费用多，则客户会产生怀疑，对后续的工作产生阻力；反之，节能服务公司可能面临合同期限变长或者收不回前期投资成本的问题。因此，能效测评中应尽量准确计算节能费用。在能效测评计算节能费用的过程中主要的数据为：P1、P2（能耗基准），指改造前、改造后设备的耗电量；Q（年节电量），指改造前与改造后耗电量之差；κ（节电率），指改造后耗电量与改造前耗电量的比值；￥（年节约用能费用），指节电量与实行电价的乘积；T0（年节约标准煤），指目前在江苏省每节约1万kWh电量相当于节约标准煤3.3 t。

计算节能费用的准确度主要取决于能耗基准的确定和节电量的计量。

2.3 能效测评过程

2.3.1 计算能耗基准和节电量

节能项目实施前，节能服务公司会向能耗用户提交节电率及节能效益预测报告，以供企业参考。与能源系统的其他参数不同，节电量是不能被测量的。在实施节能改造之前，节电量是假设的推估值；实施节能改造之后，节电量是基于各种测量数据的综合统计值。由于节电量在各个时期都不是恒定不变的，它随气候、运行条件（如：面积、人数、设备、产量、时间）以及能源价格等许多因素的改变而改变，这就为节电量的准确预测增添了难度。

在此介绍4种节能改造前计算节电量的方法。

（1）设备性能比较法。分析节能改造前后所投入的新旧设备的性能，计算改造前后的能耗基准，取其差值，再结合设备运转时间，即可简单地评价出节能效果。该方法适合于负荷输出较恒定、种类较单一的用户（例如：灯具的更换），对于负荷变化大的设备亦有参考价值。

（2）前后能源消耗比较法。对于年负荷比较稳定、全年内的不同时期能源消耗变化大的企业，直接计算全年的节电量具有一定困难，可寻找一年内具有代表性的时间段，计算节能改造前后相同时间段的能源消耗，即可评价出节能效果。该方法适合于年负荷输出较恒定、但年内变化较大的场合，例如：星级宾馆、连锁商场，这类企业管理比较规范，全年的能源消耗历年变化不大。

（3）产品单耗比较法。有的企业负荷变化大，不好估计节电量。例如：宾馆接待旅客多、工厂产量多、写字楼的出租率高等，能耗也随之增大，但这些企业生产产品类型单一，负荷变化大是因为生产产品数量变化，所以可先通过产品单耗的比较，再得出总能耗随负荷变化的曲线，进而得出节电量变化。该方法适合于负荷变化较大、生产品种单一的用能场合。

（4）模拟分析法。建立改造前后2套计算机仿真系统，用分析软件计算前后的能源消耗量，并随时结合实际测量数据校正计算结果。该方法可独立计量节电量，也可作为上述3种方法的补充方案。

上述方法在实际项目中不是单一采用，通常结合多种方法来计量节电量。

2.3.2 节电率计算

以电机变频改造为例，在项目竣工运行正常后，所有变频器连续运行7天，并记录运行电量及运行时间，计算单位时间内的设备平均用电量，即总用电量/总用电时间。项目节电率按以下公式计算

式中：H节为节电率；Q前为改前设备平均用电量；Q后为改后设备平均用电量。

2.3.3 验证操作方案

（1）采用电能计量的方式测算耗电量。由节能服务公司购买经双方认可的电能计量表和相关的二次测量装置，并负责安装。电流互感器安装在变频器的电源进线侧。

（2）在安装电能表并由节能服务公司与客户双方验收认可后，选定一周时间进行能耗基准的测量，并由双方共同签字认可。

（3）项目建设完成，双方进行工程验收合格后，由双方共同选定一周时间进行改后设备平均用电量的测量，并根据公式（1）计算项目节电率，以书面文件予以确认。

3 应用案例

某公司动力车间共有连铸净环供水泵设备3台：二用一备，由于能耗较高，技术落后，运行效率低下，具有节能降耗的潜力。现对其采用变频调速[9，10]技术进行节能改造。

3.1 技术原理

安装变频器后，将水泵阀门调节到全开状态，调节电动机运行频率控制水泵的转速来达到调节水泵的流量、压力的目的。如图2、图3所示。

图2为水泵用阀门控制时，当流量要求从Q1减小到Q2，必须关小阀门，这时阀门的磨擦阻力变大，管路曲线从R1移到R2，扬程则从Ha上升到Hb，运行工况点从a点移到b点。

图2 阀门调节功耗

图3 变速调节功耗

图3为调速控制时，当流量要求从Q1减小到Q2时，由于阻力曲线R不变，泵的特性取决于转速。如果把速度从n降到n′，性能曲线由（Q1-H1）变为（Q2-H2），运行工况点则从a点移到c点，扬程从Ha下降到Hc。

根据离心泵的特性曲线公式

式中：P为水泵使用工况轴功率；Q为使用工况点的流量；H使用工况点的压力；η为使用工况点的泵效率。

可求出运行在b点泵的轴功率和c点泵的轴功率分别为

从式（5）可以看出用阀门控制流量时，有ΔP功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。而用转速控制时，把电机转速降下来，那么在转运同样流量的情况下，原来消耗在阀门的功率就可以完全避免，可以取得良好的节能效果。

3.2 节电量计算

改造前设备的状态如表1所示。

表1 设备改造前状态表

改造后阀门开度为100%，管网压力控制目标为0.95 MPa，变频器随管网压力变化而进行频率调整。依据客户的需求，管网中净环水流量的控制目标为1 300 m3/h。

根据公式n0=60fN/p可得出同步转速为n0=1 500 r/min；

根据公式H1/H2=(n1/n2)2可得n2=1 350 r/min；

进而根据公式s=(n0-nN)/(n0-nN+n2)得出转差率s=0.011；

将以上结果代入公式n=60f（1-s）/p得到n2对应的频率f为45.5 Hz。

根据以上计算，改造后单台水泵的电机可持续运行在45.5 Hz，此时水泵管网压力为0.95 MPa，满足实际工艺要求。

此时单台水泵的运行功率

式中：η为变频器效率。

理论节电率

注：在实际运行中水泵的节电率受到设备自身的新旧程度、功率因数、电压、负载率、运行效率等因素的影响，且考虑到变频器本身存在一定的功耗及采集数据的误差，现场实际运行工况与理论计算值有差异，综合以上原因保守估计实际节电率为理论节电率的0.9倍，则

实际节电率为

年节电量为

式中：T为年运行时间；k为设备数目。

年节约标准煤量为

注：目前在江苏省每节约1万kWh电量相当于节约3.3 tce。

年节约用能费用

式中：dj为平均电价。

表2 设备改造后效益表

改造后项目统计参数如表2所示。

根据上述分析，在项目竣工运行正常后，所有变频器连续运行7天，经节能服务公司与客户双方实测，项目实施后节电率为21.9%，达到3.2节约定的节电率17.22%的指标要求。

4 结束语

本文针对合同能源管理中节电量的计量问题，通过研究能效测评重要性、能效测评内容、能效测评方法及过程，从多方面避免了节电量测量不准导致项目争议的问题。以连铸静环供水泵节能改造项目作为案例，对其改造前、改造后的能耗基准进行计算统计，结果显示实测节电率比预估节电率高出4.68%，表明节能改造前的节电量计算误差在允许范围之内。

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