Pela documentação do Animate no GitHub, você pode tentar o seguinte:
<img id="imagem1" class="img-responsive logo fadeIn pulse" src="imagens/logo.png"/>
<style>
#imagem1{
-vendor-animation-duration: 2s;
-vendor-animation-delay: 3s;
-vendor-animation-iteration-count: infinite;
}
</style>
OBS: substitua "vendor" com o prefixo aplicável (webkit, moz, etc (por questões de compatibilidade, sugiro fazer com todos))
A parte do fadeIn, eu usaria o jQuery pra, após o carregamento do documento e a execução do fadeIn a classe seja removida:
<script type="text/javascript">
$(document).ready(function(){
setTimeout(function(){
$("#imagem1").removeClass("fadeIn");
}, 2000);
});
</script>
Testa e vê se funciona, por favor.
============================EDIT 1==================================
Pode ser que o Animate não permita (ou falhe ao tentar) executar duas animações simultaneamente sobre o mesmo elemento (não tenho certeza, nunca testei e não tenho como testar agora rs), porém, pode ser que isso aqui resolva:
<img id="imagem1" class="img-responsive logo fadeIn" src="imagens/logo.png"/>
<style>
#imagem1{
-vendor-animation-duration: 2s;
-vendor-animation-delay: 3s;
-vendor-animation-iteration-count: infinite;
}
</style>
<script type="text/javascript">
$(document).ready(function(){
setTimeout(function(){
$("#imagem1").removeClass("fadeIn");
$("#imagem1").addClass("pulse");
}, 2000);
});
</script>