换热站中变频控制节能的探究

摘要：本文主要探究了换热站中电气和变频器的控制节能问题。

关键词：换热站；电气；变频器；节能

一、变频驱动供热站节能机理

采用水暖方式的供暖系统中，离心泵是用来传送热水或补充热媒的机械。这些设备都是按最大负荷设计和选型的，而实际运行时，大部分时间轻载运行，负荷并没有达到设计要求，为了保证生产平稳，原来老式换热站都是通常采用阀门控制流量，这样浪费了大量电能。因此在换热站电气节能中，研究循环泵和补水泵的优化运行具有重要的理论意义和实际意义。当水泵的转速改变时，水泵的流量、扬程和轴功率也随之改变，即流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。由这些关系可知，采用改变转速调节流量可以大大减少轴功率，从而起到降低损耗的作用。从实际统计情况来看，节能效果可达30%～40%。这也是变频调速驱动水泵节能的关键之所在。

二、控制系统设计

1、系统整体设计及控制原理

以某换热站设计为例，站内配置了三台75kW的循环泵和两台2.2kW的补水泵。由于实际热负荷大于设计热负荷和热负荷随气温变化较大，因此需要及时调节供热量。根据供热的实际情况和用户的要求，系统采用质量双调的控制方式，即同时控制换热站的二次供水设定温度、循环泵的流量，其中量调的节能效果最为显著。再者，系统运行过程中，管网失水是不可避免的，因此需要控制补水泵的补水量以保证系统的稳定运行，电气部分的设计都是全部独立运行、PLC程序控制调节流量和电动调节阀调节温度的闭环管理系统。

2、二次供水设定温度的控制

由于供热系统的最终目标是保持热用户的室内温度稳定，但由于热用户均没有室温调节装置，且对数以万计的热用户的室温不可能形成闭环控制，为了做到既经济运行又保证供热质量，最有效的方法是控制换热站的二次供水温度。根据稳态条件下，系统的供热量、散热器的散热量及用户的耗热量相等的规律，可以得到稳态条件下二次供水温度：

（1）

其中，t2g，t2n，tn，tw，β分别为二次供、回水温度，室内、室外温度（℃），散热器系数，加“'”的变量为同名变量的设计值，G2为二次管网实际流量g与设计流量g'的比。

对上式进行修正并将 tn，t2h近似G2为常数，可得： （2）

（2）式 中，a，b，c 为管网所处地区气象的有关参数，式 （ 2） 即为二次供水温度给定值的计算方法。由式（2） 确定的 t2g，能跟踪室外温度的变化，使热用户室内温度不受 tw的影响，实现稳定供热。

3、循环泵的流量控制

由于换热站循环泵的额定流量和电机功率是按照该换热小区最大供热面积配备的，而实际上大多数换热站的供热面积并非一开始就达到设计能力，而是逐步发展用户增加供热面积；另外，也很难选到恰好符合该管网特性流量和扬程的水泵，这就应调节水泵的流量，以满足不同情况的需要。循环水流量减少太多时会使热用户产生垂直失调，因此循环泵流量变化应遵循一定的规律，这一规律是由供热系统的性质和供热质量的要求决定的。由于热用户室内采暖系统采用的都是上供下回式单管供热系统，从供热理论可知，单管供热系统最佳调节工况应为质和量的综合调节。由式（1）可以看出，随着室外温度tw的变化，不但要及时调整二次供水温度t2g，而且还应相应调整循环水流量g，只有这样热用户室内采暖系统才不会产生垂直失调。而采用变频调速技术控制水泵的流量（变频器的输入由PLC根据室外温度和二次供回水的温度计算给出），无疑是最高效、节能的方法，其节能原理前面已经详细介绍，在此不再赘述。经过计算公式的粗略计算，在循环水泵采用变频变流量调节时，当平均运行流量是设计流量的80%时，节电49%；平均运行流量是设计流量的70%时，节电66%，可见节电效果相当可观。

4、补水泵的定压控制

热水供热系统在运行中管网失水是不可避免的，如果不及时补水，不仅会造成管网压力降低，还会使管网及汽―水换热器内的水汽化，造成整个供热系统不能正常运行甚至停止运行。补水泵定压就是通过补水泵间断或不间断地向系统补水，保证供热系统在规定的压力下运行。以往老式换热站的设计方案有两种：一是采用间断性补水，这种系统在热网回水管上安装一块电接点压力表，利用电接点压力表的微动触点开关，根据管网压力的上下限整定值来自动控制补水泵的起、停。这一控制为位式控制，系统压力只能在一区间内波动，补水泵的起、停频繁，在启动的瞬间，会造成管网局部压力突然升高从而造成补水泵误停车，且电动机启动电流一般为其工作电流的7倍左右，极易造成电器元件和设备的损坏；二是采用自力式压力调节阀进行不间断补水。此方法是依靠自力式压力调节阀调节回水管的流量控制补水量，缺点是白白消耗大量能量，而且调节效果要依赖调节阀的质量和使用的好坏。鉴于上述的缺点，本系统采用了变频调速技术，利用恒压供水的原理控制补水泵，此方法是利用压力传感器（压力传感器质量的好坏和安装位置的不同，直接影响系统恒压的实现，通过运行实践发现，压力传感器安装在回水母管直线段最为理想。在线监测系统压力作为反馈信号传送给PLC，与给定压力值相比较，如低于此值则加大补水流量，反之，则减少流量，如此恰到好处地补充失水量，保证系统压力恒定。

三、变频器电磁干扰问题

变频器在运行过程能产生功率较大的谐波，由于功率较大，成为一个强有力的干扰源，通过辐射、传导等途径，对电网及周围电子设备产生严重影响。切断、消除或削弱耦合路径是控制变频器干扰的主要或几乎唯一的手段，也是变频器在工程应用中的主要抗电磁干扰措施。通常变频器本身有铁壳屏蔽，防止电磁干扰泄漏；输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，采用双芯屏蔽线且尽可能短（一般为20m以内），并与主电路线（AC380V）及控制线（AC220V）完全分离，绝不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。电源线要采用隔离变压器或电源滤波器以避免传导干扰，为减少电动机的电磁噪声和损耗可以配置输出滤波器，欲减少对电源的污染可配置输入滤波器或零序电感。

参考文献：

[4]焦海生.PLC在提升机电控系统中的应用[J].企业家天地.2011（06）

[8]成海.变频器在供水系统中的节能应用[J].大众科技.2011（06）