換熱站電氣部分和變頻控制的節能原理

步長鋒

[摘 要]本文主要對換熱站的電氣部分和變頻控制進行介紹，重點對換熱站循環泵和補水泵電機的變頻控制節能效果進行詳盡分析，并對變頻器的抗干擾問題進行討論，肯定了變頻控制節能的優越性。

[關鍵詞]變頻器；電氣部分；節能

[中圖分類號]TP273 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-6432（2013）6-0027-02

1 引 言

本文首先介紹了變頻驅動水泵的節能原理，然后結合集中供熱現場的實際情況，設計了一套PLC控制的換熱站變頻調速自動控制系統用于采暖系統。該系統能自動調節換熱站的二次供水設定溫度、循環泵的流量及補水泵的補水量。現場運行表明，系統運行可靠、穩定性好、節能效果顯著、操作方便、監控及時，整個系統的啟動性能也得到了有效地改善。

2 變頻驅動供熱站節能機理

采用水暖方式的供暖系統中，離心泵是用來傳送熱水或補充熱媒的機械。這些設備都是按最大負荷設計和選型的，而實際運行時，大部分時間輕載運行，負荷并沒有達到設計要求，為了保證生產平穩，原來老式換熱站都是通常采用閥門控制流量，這樣浪費了大量電能。因此在換熱站電氣節能中，研究循環泵和補水泵的優化運行具有重要的理論意義和實際意義。根據流體力學理論可知，離心水泵的轉速與流量、揚程、軸功率之間有如下相似關系：

以上公式說明，當水泵的轉速改變時，水泵的流量、揚程和軸功率也隨之改變，即流量與轉速成正比，揚程與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。由這些關系可知，采用改變轉速調節流量可以大大減少軸功率，從而起到降低損耗的作用。從實際統計情況來看，節能效果可達30%～40%。這也是變頻調速驅動水泵節能的關鍵之所在。

3 控制系統設計

3.1 系統整體設計及控制原理

以天福換熱站設計為例，站內配置了三臺75kW的循環泵和兩臺2.2kW的補水泵。由于實際熱負荷大于設計熱負荷和熱負荷隨氣溫變化較大，因此需要及時調節供熱量。根據供熱的實際情況和用戶的要求，系統采用質量雙調的控制方式，即同時控制換熱站的二次供水設定溫度、循環泵的流量，其中量調的節能效果最為顯著。再者，系統運行過程中，管網失水是不可避免的，因此需要控制補水泵的補水量以保證系統的穩定運行，電氣部分的設計都是全部獨立運行、PLC程序控制調節流量和電動調節閥調節溫度的閉環管理系統。

3.2 二次供水設定溫度的控制

由于供熱系統的最終目標是保持熱用戶的室內溫度穩定，但由于熱用戶均沒有室溫調節裝置，且對數以萬計的熱用戶的室溫不可能形成閉環控制，為了做到既經濟運行又保證供熱質量，最有效的方法是控制換熱站的二次供水溫度。根據穩態條件下，系統的供熱量、散熱器的散熱量及用戶的耗熱量相等的規律，可以得到穩態條件下二次供水溫度：

3.3 循環泵的流量控制

由于換熱站循環泵的額定流量和電機功率是按照該換熱小區最大供熱面積配備的，而實際上大多數換熱站的供熱面積并非一開始就達到設計能力，而是逐步發展用戶增加供熱面積；另外，也很難選到恰好符合該管網特性流量和揚程的水泵，這就應調節水泵的流量，以滿足不同情況的需要。循環水流量減少太多時會使熱用戶產生垂直失調，因此循環泵流量變化應遵循一定的規律，這一規律是由供熱系統的性質和供熱質量的要求決定的。由于熱用戶室內采暖系統采用的都是上供下回式單管供熱系統，從供熱理論可知，單管供熱系統最佳調節工況應為質和量的綜合調節。由式（4）可以看出，隨著室外溫度tw的變化，不但要及時調整二次供水溫度t2g，而且還應相應調整循環水流量g，只有這樣熱用戶室內采暖系統才不會產生垂直失調。而采用變頻調速技術控制水泵的流量（變頻器的輸入由PLC根據室外溫度和二次供回水的溫度計算給出），無疑是最高效、節能的方法，其節能原理前面已經詳細介紹，在此不再贅述。經過計算公式的粗略計算，在循環水泵采用變頻變流量調節時，當平均運行流量是設計流量的80%時，節電49%；平均運行流量是設計流量的70%時，節電66%，可見節電效果相當可觀。

3.4 補水泵的定壓控制

熱水供熱系統在運行中管網失水是不可避免的，如果不及時補水，不僅會造成管網壓力降低，還會使管網及汽—水換熱器內的水汽化，造成整個供熱系統不能正常運行甚至停止運行。補水泵定壓就是通過補水泵間斷或不間斷地向系統補水，保證供熱系統在規定的壓力下運行。以往老式換熱站的設計方案有兩種：一是采用間斷性補水，這種系統在熱網回水管上安裝一塊電接點壓力表，利用電接點壓力表的微動觸點開關，根據管網壓力的上下限整定值來自動控制補水泵的起、停。這一控制為位式控制，系統壓力只能在一區間內波動，補水泵的起、停頻繁，在啟動的瞬間，會造成管網局部壓力突然升高從而造成補水泵誤停車，且電動機啟動電流一般為其工作電流的7倍左右，極易造成電器元件和設備的損壞；二是采用自力式壓力調節閥進行不間斷補水。此方法是依靠自力式壓力調節閥調節回水管的流量控制補水量，缺點是白白消耗大量能量，而且調節效果要依賴調節閥的質量和使用的好壞。鑒于上述的缺點，本系統采用了變頻調速技術，利用恒壓供水的原理控制補水泵，此方法是利用壓力傳感器（壓力傳感器質量的好壞和安裝位置的不同，直接影響系統恒壓的實現，通過運行實踐發現，壓力傳感器安裝在回水母管直線段最為理想。）在線監測系統壓力作為反饋信號傳送給PLC，與給定壓力值相比較，如低于此值則加大補水流量，反之，則減少流量，如此恰到好處地補充失水量，保證系統壓力恒定。在PLC里通過編程實現，此方法的定壓誤差遠小于上述兩種方法，節約了電能，且減少了電機啟動時大電流對電機定子繞組電動力的作用。

3.5 系統主要功能及軟件實現

根據集中供熱現場的實際需求，本系統選用ABB 變頻器；選用西門子區域供熱專用的ACS800控制器，用來控制運行泵和備用泵之間的運行邏輯，改變調節器的參數。并具有可選的通訊模塊和帶液晶顯示的操作面板。編程靈活，功能強大，非常適用于小型控制場合。由于供熱系統是一個要求高可靠性的系統，因此本系統還備有手動控制部分，防止自動控制出現故障時系統癱瘓。系統的自動運行由程序控制器來控制，主要實現啟動、加泵、減泵、熱備、故障自動切換等功能，首先所有泵的啟動都采用變頻啟動，在一臺泵工作時，若溫度沒有達到設定值，而變頻器的輸出頻率已經達到了上限，則自動切換本泵為工頻運行，投入第二臺泵為變頻運行；在兩臺泵工作時，若溫度達到了要求，而變頻器的輸出頻率低于設定頻率，則停變頻泵，將工頻泵投變頻運行。其次，系統設置了熱備功能（我們沒使用），在兩臺泵都無故障的前提下，一臺單獨運行8h后，將自動切換另一臺泵。最后，故障自切換功能保證了在有備用泵的前提下，在運行泵出現故障時可以自動切換到備用泵，從而防止停泵后水錘對熱網設備和用戶系統造成破壞。此外系統還具有頻率、電流、電壓、管網壓力、溫度等監視功能，壓力、溫度異常報警及變頻器、電機故障報警等功能。

4 變頻器電磁干擾問題

變頻器在運行過程能產生功率較大的諧波，由于功率較大，成為一個強有力的干擾源，通過輻射、傳導等途徑，對電網及周圍電子設備產生嚴重影響。切斷、消除或削弱耦合路徑是控制變頻器干擾的主要或幾乎唯一的手段，也是變頻器在工程應用中的主要抗電磁干擾措施。通常變頻器本身有鐵殼屏蔽，防止電磁干擾泄漏；輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號控制變頻器時，采用雙芯屏蔽線且盡可能短（一般為20m以內），并與主電路線（AC380V）及控制線（AC220V）完全分離，絕不能放于同一配管或線槽內，周圍電子敏感設備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。電源線要采用隔離變壓器或電源濾波器以避免傳導干擾，為減少電動機的電磁噪聲和損耗可以配置輸出濾波器，欲減少對電源的污染可配置輸入濾波器或零序電感。

5 結 論

本文結合集中供熱現場的實際情況，利用ABB區域供熱專用的PLC控制器為換熱站設計了一套變頻調速自動控制系統。該系統具有以下突出優點：增加了供熱系統的穩定性，提高了供熱設施的可靠性、安全性；提高了控制精度，壓力控制精度在1%以內，溫度控制精度小于5%；實現了電機的軟啟動，減小了啟動電流而使啟動平滑無沖擊，延長了電機和機械設備壽命，降低了水泵的維修工作量。節約了電能，降低了供熱設施的運行費，運行穩定可靠，供熱質量高，減輕了工人的勞動強度，經濟效益和社會效益明顯。