变频器在换热站的应用

0 引言

中国是能耗大国，能源利用率却非常低，而能源储备又明显不足。我国北方大部分地区冬季时间长，为保障居民的正常取暖，相应供暖期就比较长，部分地区一年当中有一半以上的时间都需要供暖，供暖行业已经成为一个能源消耗巨大的行业。这样，在保障居民正常取暖的前提下，如何响应国家的要求，最大限度地节能降耗，已经成为众多同仁不懈的追求。

1 换热站运行情况

现在，为了节能和环保的目的，我国北方地区已经或者正在推行集中供暖，由集中供暖中心将从锅炉制热后的热源通过一次循环水泵在一次管网中循环，而换热站的作用则是将一次管网中的热源通过板式换热器，使二次管网制热，利用二次或三次管网向最终用户供暖。换热站供暖示意图如图1所示。

由于一些历史原因，大部分的换热站都是利用小区内原有的供暖中心改建或扩建而成，依旧沿用陈旧的人工控制方式，个别地方还一直在使用20 世纪50~60年代的设备，换热站的主要耗能设备———循环水泵大部分采用星角转换启动方式，只有部分新建换热站采用变频控制方式，而采用智能化变频节能运行的换热站就更是少之又少了。因此，能源浪费严重，主要表现在：

1)循环水泵的启动/停止、运转，完全没有量化，这样由于人为因素产生大量不必要的浪费是必然的;

2)由于循环水泵没有采用变频控制方式，所以，其一旦运转将是满负荷运转，而换热站循环水泵的电机容量是为了满足极限运行情况而设计的，实际余量很大，这样不但管网持续承受高压，增加了管网的维修工作量，而且无形之中又带来了大量的电能和热能浪费。

然而可喜的是大部分新建的或在建的供暖中心、换热中心都已经开始考虑了自动控制，至少都预留自动控制接口，而且变频节能技术现在已经被广泛地接受了。

图1 换热站供暖示意图

2 智能变频节能改造方案

由于中国北方地区地域辽阔，各地区冬季平均气温差别较大，对于整个供暖系统的要求也不尽相同，但大体运行情况还是一致的。现在以某地区为例，要求一次管网的温度要高于35益，居民室内温度不得低于18益。以此地区一个换热面积为30 万m2的中型换热站为例，站内配有2台55 kW循环水泵(一用一备)，7.5 kW补水泵及其他相关管网设备，以及完成智能化变频控制所需设备，包括温度变送器、电动调节阀、差压控制器、DANFOSS 气候补偿仪、室外传感器、压力变送器，PLC、DANFOSS变频器。具体安装位置如图2所示。

2.1 智能化变频节能功能的实现

1)差压控制器在一次管网近换热器侧安装差压控制器，用来控制一次管网的供水量和回水量维持在一个正常压力差范围内，保障二次管网所需的换热量。

2)气候补偿仪和电动调节阀气候补偿仪将采集到的室外温度、回水温度和供水温度等3个温度值，作为变量通过内部计算，自动控制电动调节阀的开启角度，以使得一次供水量可以根据室外的温度变化而变化，当外界气温升高时将相应减小阀门的开启角度，当外界气温降低时将相应增大阀门的开启角度，以最大限度地减小供热中心的供热量，最大限度地节能降耗。

3)二次管网的循环水泵控制当在一次管网的回水端加装的温度变送器检测到温度高于35益(此值为系统设定值，各地的标准不一样，所设的温度值也不尽相同)时，系统认为换热站已经具备工作条件，由PLC 向变频器发出启动信号，而在二次管网供水、回水端的压力变送器将两压力值都反馈到循环泵变频器中，由变频器完成差压计算并根据二次管网的设定的压力差自动控制循环水泵启动及转速;当温度低于30益时，系统认为换热站不具备工作条件，由PLC向变频器发出停止指令，自动控制循环水泵停止。

4)二次管网的恒压补水控制在二次管网的回水端距离水泵3~5 m的位置安装的压力变送器，用来检测二次管网回水的压力，并将实时压力值反馈给补水变频器，由变频器控制补水泵的转速，维持二次管网内正常恒定的压力，并且在二次管网上加装了电磁阀，当管网中液体受热膨胀超出临界压力时，由变频器控制电磁阀动作实现超压泄水。同时，考虑到极端情况———二次供水管网产生爆管的严重事故，变频器将根据内部所设的反馈压力下限实时与管网压力进行比较，如果反馈压力持续低于反馈下限10 min，变频器将认为发生了爆管事故，会发出一个开关量信号，控制补水，循环水泵停止工作并产生报警信号。

5)PLC PLC 与气候补偿仪和变频器可以通过RS485 完成串行通讯，具体通讯协议可根据设备进行选择，完成对气候补偿仪、循环水泵和补水泵等换热站设备和运行状况的监控，并通过以太网实现远程监控的目的。

2.2 一些需要注意的事项

1)由于本系统智能化程度较高，采用了大量的传感器、变送器，及其他相关仪器仪表，众所周知，变频器在工作过程中将不可避免地产生大量的电磁干扰和对电网的谐波污染，严重的情况下这些噪音将使整个系统瘫痪。基于以上原因，所有仪器仪表的信号传输最好选用满足EMC要求的电缆，变频器最好选用内置RFI 滤波器，直流电抗器，全金属封装的，并且在建站时预留专用接地线，所有设备要完全可靠地接地。

2)循环水泵的启动最好由星角转换启动方式改为变频软启动，以实现无级调速，减少启动过程对电网和机械设备的冲击。

3)系统所选用的DANFOSS 变频器，具备双通道PID调节功能，可以将两个压力信号同时反馈以完成差压计算，如选用其他品牌变频器需加装压差变送器，以完成类似功能。

4)系统所选用的DANFOSS 变频器，具备压力反馈上限和反馈下限延时报警功能，如在实际应用中所选用的变频器无此功能，可在PLC 中增加相应的模拟输入点，以完成类似的功能。

5)系统内所有设备应具备在自动控制和手动控制之间进行相互切换的功能，以利于换热站的检修或维护工作，以及在自控系统瘫痪的情况下保证居民的正常供暖。

3 预计节能效果

以某换热站为例，其预计改造成本如下：

注：以上电缆及元件的费用，可根据实际情况增减。

根据以上所述，以2台55 kW循环泵、2台7.5 kW补水水泵共同运行时间为3 个月，交替循环运行时间为3个月，每天运行12 h，电费按1 元/kW·h 计算(以下计算为理论值)，则改造前一年的用电量为[2(55+7.5)+(55+7.5)]伊3伊30伊12=178 500 kW·h折合电费为178 500元。

改造后保守估计一年的电费将至少节省30豫~40豫，即可节省53 550 元~71 400 元，也就是说一年的时间就可以收回全部投资成本，而一年以后节约的电费便成为了企业经济效益的提高。

4 结语

通过以上分析和计算，可以看到一个小小的换热站，通过技术改造，实现自动变频控制后，其节能效果是非常可观的。