森蘭變頻器在市政集中供熱工程上的應(yīng)用

希望森蘭科技股份有限公司 羅 深

森蘭變頻器在市政集中供熱工程上的應(yīng)用

希望森蘭科技股份有限公司 羅 深

本文介紹了市政工程城市集中供熱換熱站的自動化改造和出現(xiàn)問題的解決方案，補水泵和循環(huán)泵采用變頻調(diào)速后，可實現(xiàn)無人值守。并用實例說明控制方法和計算出節(jié)能率。

換熱站；補水泵；循環(huán)水泵；變頻調(diào)速；節(jié)能

1 概述

我國已經(jīng)進(jìn)入城鎮(zhèn)化與城市發(fā)展雙重轉(zhuǎn)型的新階段，預(yù)計城鎮(zhèn)化率年均提高0.8%~1.0%，到2015年達(dá)到52%左右，到2030年達(dá)到65%左右。因此，市政工程的市場將更加龐大，而處于市政工程產(chǎn)業(yè)鏈中的各個領(lǐng)域都將受益。

城鎮(zhèn)化建設(shè)是市政工程市場最大的推動力。當(dāng)前，我國城市化還在快速發(fā)展中，大中小城市以及城鄉(xiāng)一體化的發(fā)展中的眾多城市基礎(chǔ)設(shè)施，城市交通工程、城市給水工程、城市排污工程、城市供電工程、城市燃?xì)夤こ?、城市供熱工程、城市通信工程、城市防?zāi)工程、城市環(huán)境衛(wèi)生工程等建設(shè)都在不斷上馬。伴隨著地方城鎮(zhèn)化程度的提升，各地加大市政設(shè)施的投資。隨著國民經(jīng)濟(jì)和財政收入的大幅提升，市政公用設(shè)施建設(shè)也進(jìn)入快車道，市政行業(yè)發(fā)展空間廣闊，前景喜人。理論上變頻器可用在市政行業(yè)的各個方面，因此市政行業(yè)也是變頻器應(yīng)用最廣泛的行業(yè)之一。一直以來，森蘭變頻器廣泛應(yīng)用于城市供水、污水處理、集中供熱、消防等市政領(lǐng)域，為市政行業(yè)的自動化和節(jié)能作出了貢獻(xiàn)。近年來，森蘭科技公司為地鐵提供照明和傳動的應(yīng)急供電系統(tǒng)解決方案，為新能源汽車提供變頻驅(qū)動系統(tǒng)和交直流充電樁、供熱工程的一體化解決方案等。

為節(jié)省能源、減少城市污染，熱電聯(lián)產(chǎn)是一重要措施，就是充分利用熱電廠汽輪機(jī)發(fā)電后蒸汽的余熱，在冬季對北方城市集中供熱。其供熱的方法是，從發(fā)電廠送出來的熱水，到城市中的換熱站時，一次供水熱水溫度有90多度，經(jīng)過熱交換器后，一次回水熱水的溫度下降到60多度，然后再流回發(fā)電廠。送到城市居民家中的熱水，流過各用戶的熱交換器，在熱交換器中進(jìn)行熱交換，然后流回?fù)Q熱站，進(jìn)入換熱站熱板式交換器的二次回水溫度不到50度，二次供水溫度60多度。換熱站設(shè)備比較簡單，由數(shù)臺板式熱交換器，幾臺泵組成的循環(huán)泵組，一臺補水泵構(gòu)成。例如有一換熱站有四臺熱交換器，四臺37kW的管道泵組成的循環(huán)泵組，一臺3.7kW的補水泵。循環(huán)泵采用人工開、關(guān)閥門控制流量，使管路的阻尼增大而造成電能浪費。為更進(jìn)一步的節(jié)能，陜西某熱力公司對換熱站實施了自動化改造，循環(huán)泵和補水泵用變頻調(diào)節(jié)，整個城市供熱系統(tǒng)用計算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)了換熱站無人值守。

2 換熱站的變頻調(diào)速控制

2.1 補水泵變頻調(diào)速控制

通過循環(huán)泵使熱水在供熱系統(tǒng)中運行，管道、閥門的泄漏引起循環(huán)水的水壓降低，如不及時補水，會造成供熱系統(tǒng)運行不正常。補水泵的變頻泵補水方式比較簡單，系統(tǒng)內(nèi)熱水的水壓為0.4MPa，將壓力變送器安裝在回水主管上，管網(wǎng)上壓力的變化經(jīng)壓力變送器變換為4～20mA信號反饋到變頻器的PI調(diào)節(jié)器的輸入端。變頻器的給定值設(shè)置為4Kg。當(dāng)供熱系統(tǒng)的壓力低于4Kg時，變頻器的輸出頻率上升開始補水；達(dá)到4Kg時，反饋信號與給定信號基本相等，變頻器輸出頻率下降停止補水。本例選用一臺森蘭SB200P3.7kW變頻器，選用森納斯DG130W-BZ-A 1MPa壓力變送器，變頻調(diào)速補水系統(tǒng)如圖1所示。

2.2 循環(huán)泵的變頻調(diào)速控制

循環(huán)泵的控制相對于補水泵的控制要復(fù)雜一些。供熱系統(tǒng)的最終目標(biāo)是保持熱用戶的室內(nèi)溫度的穩(wěn)定，但由于熱用戶沒有室溫調(diào)節(jié)器，且對眾多的熱用戶的室溫不可能形成閉環(huán)控制。為做到經(jīng)濟(jì)運行又保證供熱質(zhì)量，最有效的方法是控制換熱站的二次供水溫度。穩(wěn)態(tài)條件下系統(tǒng)的供熱量，散熱器的散熱量及用戶的耗熱量相等的規(guī)律，可得到穩(wěn)態(tài)條件下的二次供水溫度：

圖1 變頻調(diào)速補水系統(tǒng)原理圖

對式（1）進(jìn)行修正并考慮到室內(nèi)溫度nt、二次管網(wǎng)實際流量與設(shè)計流量之比和回水溫度ht2近似為常數(shù)，則

式中: a、b、c為管網(wǎng)所處地區(qū)氣象的有關(guān)參數(shù)

式（2）為二次供水溫度給定值的計算方法。由式（2）確定的gt2能跟蹤室外溫度wt的變化，使熱用戶室內(nèi)溫度不受wt變化的影響，實現(xiàn)穩(wěn)定供熱。

循環(huán)泵的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2中，BP1為森蘭SB200P37kW變頻器，BU為軟起動器（自耦減壓起動器），系統(tǒng)采用循環(huán)投切方式，溫差信號送入PLC，經(jīng)過PLC處理后，到變頻器作為調(diào)速控制信號。系統(tǒng)啟動時，電機(jī)M1變頻調(diào)速，頻率升到50Hz時，循環(huán)水流量達(dá)不到給定要求，則電機(jī)M1投工頻，M2變頻運行；如果循環(huán)水流量仍達(dá)不到給定要求，則電機(jī)M2投工頻，M3變頻運行……；由于某種原因，循環(huán)水流量超過給定要求，那就停止電機(jī)M1、M2……等，任何時候只有一臺循環(huán)泵電機(jī)在變頻運行。若只有一臺電機(jī)M3在變頻運行，循環(huán)水流量達(dá)不到給定要求時，則電機(jī)M3投工頻，M4變頻運行；M4投工頻，M1變頻運行，又到了初始狀態(tài)。電機(jī)M1～M4總是在工頻—變頻之間循環(huán)投切。BU1用于備用，整個系統(tǒng)的運行信息由PLC送到計算機(jī)上。

3 出現(xiàn)問題及解決方案

(1) 當(dāng)二次回路的水壓低于0.4MPa時，補水泵運轉(zhuǎn)進(jìn)行補水。補水泵補水后不久二次回路的水壓超過0.4MPa較多，使用戶管道的接頭處出現(xiàn)泄露，嚴(yán)重時閥門破損，房間內(nèi)漏了一地水，用戶意見非常大。

究其原因是熱脹冷縮，補水泵補的是冷水，經(jīng)過換熱器后水溫升高體積膨脹，液體又不能壓縮，因此水壓升高脹破管道中的薄弱環(huán)節(jié)，引起泄露。解決的方法是少補一點水，但是這不好控制。不需要人工介入的方法是在二次回路的管道上安裝電磁閥，電磁閥受壓力變送器控制，水壓超過0.4MPa時電磁閥打開放水，低于0.4MPa是關(guān)閉，使管道壓力總是維持在規(guī)定的壓力上。

(2) 由于熱用戶室內(nèi)采暖系統(tǒng)采用的都是上供下回式單管供熱方式，從供熱理論可知，單管供熱最佳調(diào)節(jié)方式應(yīng)為溫度和流量的綜合調(diào)節(jié)。由式（1）可見，隨著室外溫度wt的變化，不但要及時地調(diào)整二次供水溫度gt2，還應(yīng)相應(yīng)地調(diào)整循環(huán)水的流量G，以免產(chǎn)生上部室溫嚴(yán)重偏高，下部室溫嚴(yán)重偏低的“垂直失調(diào)”現(xiàn)象。二次供水的水溫與一次供水的溫度和流量有關(guān)，與二次回水流量有關(guān)，還與環(huán)境溫度有關(guān)。一般來說，在這些因素中，一次供水的溫度和流量在換熱站不作調(diào)節(jié)，能夠調(diào)節(jié)的就是循環(huán)水的流量G。二次供水溫度自動化系統(tǒng)控制的控制策略是這樣的，如果二次供水溫度低，循環(huán)水的流量G增加；反之，如果二次供水溫度高，循環(huán)水的流量G減少。但這里沒有考慮到環(huán)境溫度變化的影響，如果室外溫度改變，要使室內(nèi)的溫度基本恒定，一種控制策略是用二次進(jìn)水與回水的溫差來控制循環(huán)泵變頻器的轉(zhuǎn)速，設(shè)定二次進(jìn)水與回水的溫差為12℃。當(dāng)二次進(jìn)水與回水的溫差大于12℃時，循環(huán)泵變頻器加速，循環(huán)水的流量G增加；當(dāng)二次進(jìn)水與回水的溫差小于12℃時，循環(huán)泵

圖2 循環(huán)泵變頻調(diào)速系統(tǒng)圖

變頻器減速，循環(huán)水的流量G減少。再考慮到循環(huán)水的流量G較小時，循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速較低，循環(huán)水不能供應(yīng)最高層的用戶。因此，在溫差控制的基礎(chǔ)上，溫差的目標(biāo)值可以在一定范圍內(nèi)根據(jù)熱用戶所處的高度要求的最低揚程來進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，避免了產(chǎn)生上部室溫嚴(yán)重偏高，下部室溫嚴(yán)重偏低的“垂直失調(diào)”現(xiàn)象。

4 循環(huán)泵的節(jié)能

換熱站設(shè)計過程中過多考慮建設(shè)前、后長期供熱容量，并考慮長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題，使裕量過大。實際上大多數(shù)換熱站的供熱并非一開始就達(dá)到設(shè)計的最大容量，而是隨著城市建設(shè)的發(fā)展，供熱的面積逐步達(dá)到設(shè)計容量；另一方面，設(shè)計過程中很難準(zhǔn)確地計算出供熱容量，通常總把系統(tǒng)的最大供熱容量作為循環(huán)泵選型的依據(jù)，但循環(huán)泵的系列是有限的，往往選不到合適的循環(huán)泵型號就往上靠，使裕量更進(jìn)一步的增大。供熱實際操作時，常用閥門進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，增加了系統(tǒng)的阻力，耗能較大。

循環(huán)泵變頻調(diào)速后，所有的閥門開度最大，系統(tǒng)的阻力最小。根據(jù)用二次進(jìn)水與回水的溫差和熱用戶所處的高度要求的最低揚程來控制循環(huán)泵變頻器的轉(zhuǎn)速，可大大減少循環(huán)泵的流量，當(dāng)平均流量是設(shè)計流量的80%時，節(jié)電率可按GB12497《三相異步電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運行》強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)實施監(jiān)督指南中的計算公式計算：

Application in Municipal District Heating Engineering

The article introduces the automation reformation in municipal district heating engineering heating exchange station and some solutions to problems. The unattended operation can be realized after the variable frequency regulation is applied in water pump and circulating pump. The control methods and the energy saving rate is explained with the practical example.

Heating exchange station; Water pump; Circulating pump; Variable frequency; Save power