换热站的变频调速控制系统

1 概述
为节省能源，减少城市污染，在冬季，充分利用火力发电厂蒸汽轮机发电后的余热，可对北方城市集中供热。这种供热的过程是，从发电厂送出来的热水，到城市中的换热站经过热交换器后，一次供水热水温度从90益左右，下降到60益左右，然后再流回发电厂。送到城市居民家中的热水，流过各用户的热交换器，在热交换器中进行热交换，然后流回换热站，进入换热站热交换器的二次回水温度有50益左右，二次供水温度60益左右。陕西宝鸡有许多这样的换热站，大部分换热站设备比较简单，一般由数台热交换器，几台泵组成的循环泵组和一台补水泵构成。
而这些换热站的循环泵和补水泵因为采用人工开、关阀门控制流量，所以使管路的阻尼增大，从而造成电能浪费。随着变频技术的发展，采用变频器对老旧换热站进行技术改造，实现自动控制已经被越来越多的供暖中心所接受。
2 换热站的变频调速控制
陕西宝鸡一换热站由4 台热交换器，4 台37 kW 的管道泵组成的循环泵组，1 台3.7 kW的补水泵组成。
陕西宝鸡热力公司在2003 年至2004 年对换热站实施了自动化改造，循环泵和补水泵用变频调节，整个供热系统用计算机进行监控，实现了换热站无人值守。
2.1 补水泵变频调速控制
供热时，热水通过循环泵在供热系统中运行，管道、阀门的泄漏会引起循环水的水压降低，如不及时补水，会造成供热系统运行不正常。补水泵的变频泵补水方式比较简单，设定系统内热水的水压为0.4 MPa，将压力变送器安装在回水主管上，管网上压力的变化经压力变送器变换为4耀20 mA的信号反馈到变频器的PI 调节器的输入端。变频器的给定值设置为4 kg。当供热系统的压力低于4 kg时，变频器的输出频率上升开始补水；达到4 kg时，反馈信号与给定信号基本相等，变频器输出频率下降停止补水。本例选用1 台森兰变频器BT12S3.7kW，压力变送器选用森纳斯DG130WBZ-A 1MPa，变频调速补水系统如图1 所示。

2.2 循环泵的变频调速控制
相对于补水泵的控制，对循环泵的控制要复杂一些。供热系统的最终目标是保持热用户的室内温度稳定，但由于热用户没有室温调节器，且对众多的热用户的室温不可能形成闭环控制。为做到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。稳态条件下，根据系统的供热量，散热器的散热量及用户的耗热量相等的规律，可得到稳态条件下的二次供水温度。

式（2）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tw的变化，使热用户室内温度不受tw变化的影响，最终实现稳定供热。
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方式，从供热理论可知，单管供热最佳调节方式应为温度和流量的综合调节。由式（1）可见，随着室外温度tw的变化，不但要及时地调整二次供水温度t2g，还应相应地调整循环水的流量G，避免产生上部室温严重偏高，下部室温严重偏低的“垂直失调”现象。二次供水的水温与一次供水的温度和流量有关，与二次回水流量有关，还与环境温度有关。一般来说，在这些因素中，一次供水的温度和流量在换热站不作调节，能够调节的就是循环水的流量G。二次供水温度自动化系统的控制策略是，如果二次供水温度低，循环水的流量G 增加；反之，如果二次供水温度高，循环水的流量G 减少。但这里没有考虑到环境温度变化的影响，如果室外温度改变，要使室内的温度基本恒定，一种控制策略是用二次进水与回水的温差来控制循环泵变频器的转速，设定二次进水与回水的温差为12益。当二次进水与回水的温差跃12益时，循环泵变频器加速，循环水的流量G 增加；当二次进水与回水的温差约12益时，循环泵变频器减速，循环水的流量G 减少。再考虑到循环水的流量G 较小时，循环泵的转速较低，循环水不能供应给最高层的用户。因此，在温差控制的基础上根据热用户所处的高度要求的最低扬程，可以在一定范围内对温差的目标值进行适当的调节。变频器调速的控制信号由自动化系统给出。循环泵变频调速系统图如图2 所示。

图中，BP1 为森兰BT12S37kW变频器，BU 为软起动器（自耦减压起动器），系统采用循环投切方式，温差信号送入PLC，经过PLC 处理后，到变频器作为调速控制信号。系统启动时，电机M1变频调速，频率升到50 Hz时，循环水流量达不到给定要求，则电机M1 投工频，M2变频运行；如果循环水流量仍达不到给定要求，则电机M2投工频，M3 变频运行……由于某种原因，循环水流量超过给定要求，那就停止电机M1，M2……任何时候只有1台循环泵电机在变频运行。若只有1台电机M3 在变频运行，循环水流量达不到给定要求时，则电机M3 投工频，M4变频运行；M4 投工频，M1 变频运行，又到了初始状态。电机M1~M4总是在工频—变频之间循环投切。BU1 用于备用，整个系统的运行信息由PLC 送到计算机上。
3 循环泵的节能
换热站设计过程中过多考虑建设前、后长期供热容量，并考虑长期运行过程中可能发生的各种问题，所以使裕量过大。实际上大多数换热站的供热并非一开始就达到设计的最大容量，而是随着城市建设的发展，供热的面积逐步达到设计容量；另一方面，设计过程中很难准确地计算出供热容量，通常总把系统的最大供热容量作为循环泵选型的依据，但循环泵的系列是有限的，往往是选不到合适的循环泵型号就往上靠，故而使裕量进一步增大。而在实际操作时，常用阀门进行流量调节，这样就增加了系统的阻力，耗能较大。
循环泵变频调速后，所有的阀门开度最大，系统的阻力最小。根据用二次进水与回水的温差和热用户所处的高度要求的最低扬程来控制循环泵变频器的转速，可大大地减少循环泵的流量，当平均流量是设计流量的80%时，节电率可按B12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南中的计算公式计算。

即节电率为

可见节约电能的效益十分可观。
4 结语
我国是能源贫乏的国家之一，节能降耗是我们的国策。在全国各城市中集中取暖的换热站成千上万，如果都进行节能改造，节约的电量不可小视。而且，既可使系统运行稳定可靠，又实现了无人值守，经济效益和社会效益明显。