发动机实验室水泵节能改造

毛开清，沙宣宝，鲍国勇

（华菱星马汽车（集团）股份有限公司，安徽马鞍山 243061）

0 引言

党的十九大报告提出，要把污染防治列入全面建成小康社会的三大攻坚战之一，着力解决突出环境问题。根据《“十三五”全民节能行动计划》要求，不断加快节能环保技术创新，推广节能环保先进技术及成果转化，深入挖掘和释放创新潜能，是当前社会和企业均需考虑的问题。节能降耗，就是节约能源，降低消耗，用较少的投入获得较大的经济效益。

1 实验室水泵房项目背景

面对日趋激烈竞争的市场环境，企业想要获得持续性的发展与盈利，必要的研发投入是企业立于不败之地的基础。做好开源节流和成本控制，优化成本结构，降本增效，对于企业发展有着重要战略意义。

发动机实验室主要测试发动机在各种工况下的动力性和经济性，通过测试发动机启动、急速、加速等各种性能试验参数，来评定被测发动机台架系统综合性能，为进一步优化发动机性能提供理论依据。安徽华菱汽车有限公司发动机实验室是为满足公司自主开发的重型环保大功率发动机研发而新建，发动机实验室水泵房设有完善的给排水系统，其中设置2 套循环冷却水系统：发动机试验台用循环水和测功机循环水，工程循环冷却水总量为2035 m3/h。循环水系统主要功能为发动机试验台架运行提供冷却用水。循环水简单工艺示意如图1 所示，水泵取自冷水池的水，通过管道输送至各个用水点进行换热后，经回水管路上冷却塔，降温后回至冷水池。

图1 循环水工艺示意

实验室水泵房原有水泵（表1）施工按照设计图纸选型施工，和技改节能公司对实验室整个循环水系统取水动力端、输水端、用水端、回水端、冷却端进行详细调研检测，对系统数据进行诊断、分析、研究。发现实际运行中需求与当时设计要求存在较大偏差，设计选型的水泵流量、扬程和电机功率均偏大，能源浪费严重，增加了企业运营成本。为响应国家号召，降低企业能耗和运营成本，急需对实验室水泵房设备进行节能改造。

表1 水泵房原水泵参数

实验室水泵房原有水泵电机型号为Y2 系列，经查阅属于中华人民共和国工业和信息化部2014 第16 号文件公告的《高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录（第三批）》淘汰品，急需进行升级改造。水泵节能改造实施前，做好充分调研准备工作，确认目前系统正常运行工况及系统运行参数，在不改变现有工艺装置冷却水要求及循环水工艺指标的前提下，保证系统正常换热效果的情况下进行改造。

2 技术实施改造方案

对发动机研究所实验室整个循环水系统供水动力端、输水端、用水端、回水端、冷却端进行详细调研检测，从循环水系统的整个工艺过程进行诊断、分析、研究、设计，得出可行性技改报告。

2.1 取水端诊断和分析

目前实验室循环水系统实际运行工况常年相对稳定，运行工况变化有规可循，且管线相对固定，水泵实际运行工况点与原设计的工况点不吻合，水泵普遍存在憋阀门，机封漏水等现象，导致水泵运行参数偏离水泵高效区域，造成水泵运行机械效率偏低。

循环水系统中输送水泵的出水力不仅与水泵自身有关，还与管路有着最直接的关系，即水泵运行参数由水泵和管阻共同决定。分析该系统现场检查的运行参数，低压和高压水泵运行参数偏离高效设计参数，原因在于系统而不在于水泵。管路的设计合理与否，对日常运行能耗有很大影响，因此在循环水系统管网计算中合理选择管径是必须考虑的问题。

管段的设计流量Q、管径D 与流速v 的关系为Q=πD2v/4。v与Q 成正比，与D 成反比，流量相同，则流速v 越大，水头损失随管径的减小而增大，运行成本随之增大。故需要选择经济流速，在保证换热效果前提下选择经济流量。根据数据分析，系统没有在经济流速运行。

2.2 输水端、回水端诊断和分析

由于管路布置已经固定，大面积修正系统管路布置不切合实际，故局部修正管路特性曲线，调整局部阻抗较大的水力设备，促使管阻相对平稳，科学合理，适当调节母管线阀门开度，优化系统管路特性曲线。

2.3 用水端诊断和分析

热交换量=水流量×温差。因此保持热交换量不变的前提下，理想状态下采用小水量大温差的热交换工艺。减小循环水量，降低循环水系统能耗不失为较为理想的节能方法，但较难实现。循环水系统中有多个换热设备，且高度和用水量不同，导致水力不平衡。通过检测换热器进出口温差和阀门开度，分类统计各换热器的温差并与设计工况进行比对。可以根据换热器实际换热情况，调整换热器进出口阀门，平衡系统阻力，优化循环水系统各项参数，增大供回水温差，关小温差较小的换热器阀门，开大温差较大及高位或远端换热器阀门。经过现场调研发现，实验车间有的换热器进出口温度相差过大，阀门开度过低，开大情况下不能保证其他换热器冷却效果，流量不足以提供该设备冷却。

2.4 冷却端诊断和分析

冷却塔的主要功能是对高温循环水冷却回水进行蒸发散热、提供低温出水。其散热冷却能力是保证整个循环水系统正常运行的关键，整个系统的优化要以冷却塔的实际冷却能力为基础。在回水量一定情况下，只有增大空气与回水的接触面积达到最佳冷却效果，及时保证冷却塔填料和空气良好的流动性。

3 水泵改造实施内容

3.1 更换高效节能水泵

根据现场实际工况，重新设计与系统匹配的高效节能循环水泵。循环水泵是整个循环水系统的核心部件，同时是循环水系统的能耗最大部件。经调查发现，一套循环水系统在其终身使用中，它的购置成本占总成本的5%～8%，维护成本10%～15%，运行电费成本占75%～85%，可见提高水泵自身效率非常重要。

水泵房原有10 台水泵全部更换为高效节能水泵。水泵效率比国内目前同类产品高出5%以上，符合国家最新绿色高效节能标准GB 19762 的最新型离心泵产品，达到国际先进水平。

3.2 更换高效节能电机

更换高效节能电机，高效电机是比普通电机效率高1%～3%的节能电机，高效电机与高效节能水泵配套，系统运行效率更高。与国际标准IEC 60034—30《单速三相鼠笼型感应电动机效率分级》中的IE3 保持一致，效率由测量输入—输出功率的损耗分析法确定（按照GB/T 1032—2012 中11.3 的规定）。现场选用一级能效电机（图2），在行业内具有领先地位。

图2 一级能效电机

3.3 水泵改造实施前后情况

改造后水泵房水泵如图3 所示，监控实施后运行模式的各项数据，检验并网运行时循环水总管工艺参数均满足生产工艺要求，系统换热效果正常。改造后不仅有效提高了水泵运行效率，降低了设备故障率，且水泵电机功率下降，使得备件更换成本和用电成本大大降低，达到了降本增效目的。

3.3.1 实施前、后能耗理论节电计算

年能耗=P×7920（330×24）h/a，实际年节电量以安装计量设备为准，与计算年节能量有一定波动（表2）。

（1）计算依据。循环水系统各台水泵电机前、后功率对比。

（2）计算方法。系统单位小时能耗N改前系统=N改前单台单位时间能耗之和=37×3+55×2+30×2=281 kW·h。

表2 水泵房改造前、后经济效益对比

统计改造前单位小时能耗，得出单位设备能耗N改前系统，同样方法得出技改后系统单位小时能耗N改后系统=22×3+45×2+22×2=200 kW·h。

3.3.2 系统节能效益

改造后系统年节电量=（N改前运行水泵总功率-N改后运行水泵总功率）×年运行时间=（281-200）×7920=64.152 万度。

3.3.3 节电率计算

节电率=（技改前每小时耗电量－技改后每小时耗电量）/技改前每小时耗电量=（281-200）/281=28.8%。

4 结束语

为贯彻落实国务院《关于加快发展节能环保产业的意见》《打赢蓝天保卫战三年行动计划》和《“十三大”节能减排综合性工作方案》文件精神，根据《“十三大”全民节能行动计划》要求。制造企业应不断加快节能环保创新，推广节能环保应用及成果转化，共同享受国家相关奖励优惠政策。本技改项目实施后为企业节省年用电支出近64 万元，降低了企业能耗。本改造项目适用于其他行业，有一定借鉴意义。