變頻器在換熱站的應用

0 引言

中國是能耗大國，能源利用率卻非常低，而能源儲備又明顯不足。我國北方大部分地區冬季時(shí)間長(cháng)，為保障居民的正常取暖，相應供暖期就比較長(cháng)，部分地區一年當中有一半以上的時(shí)間都需要供暖，供暖行業(yè)已經(jīng)成為一個(gè)能源消耗巨大的行業(yè)。這樣，在保障居民正常取暖的前提下，如何響應國家的要求，最大限度地節能降耗，已經(jīng)成為眾多同仁不懈的追求。

1 換熱站運行情況

現在，為了節能和環(huán)保的目的，我國北方地區已經(jīng)或者正在推行集中供暖，由集中供暖中心將從鍋爐制熱后的熱源通過(guò)一次循環(huán)水泵在一次管網(wǎng)中循環(huán)，而換熱站的作用則是將一次管網(wǎng)中的熱源通過(guò)板式換熱器，使二次管網(wǎng)制熱，利用二次或三次管網(wǎng)向最終用戶(hù)供暖。換熱站供暖示意圖如圖1所示。

由于一些歷史原因，大部分的換熱站都是利用小區內原有的供暖中心改建或擴建而成，依舊沿用陳舊的人工控制方式，個(gè)別地方還一直在使用20 世紀50~60年代的設備，換熱站的主要耗能設備———循環(huán)水泵大部分采用星角轉換啟動(dòng)方式，只有部分新建換熱站采用變頻控制方式，而采用智能化變頻節能運行的換熱站就更是少之又少了。因此，能源浪費嚴重，主要表現在：

1)循環(huán)水泵的啟動(dòng)/停止、運轉，完全沒(méi)有量化，這樣由于人為因素產(chǎn)生大量不必要的浪費是必然的;

2)由于循環(huán)水泵沒(méi)有采用變頻控制方式，所以，其一旦運轉將是滿(mǎn)負荷運轉，而換熱站循環(huán)水泵的電機容量是為了滿(mǎn)足極限運行情況而設計的，實(shí)際余量很大，這樣不但管網(wǎng)持續承受高壓，增加了管網(wǎng)的維修工作量，而且無(wú)形之中又帶來(lái)了大量的電能和熱能浪費。

然而可喜的是大部分新建的或在建的供暖中心、換熱中心都已經(jīng)開(kāi)始考慮了自動(dòng)控制，至少都預留自動(dòng)控制接口，而且變頻節能技術(shù)現在已經(jīng)被廣泛地接受了。

圖1 換熱站供暖示意圖

2 智能變頻節能改造方案

由于中國北方地區地域遼闊，各地區冬季平均氣溫差別較大，對于整個(gè)供暖系統的要求也不盡相同，但大體運行情況還是一致的?，F在以某地區為例，要求一次管網(wǎng)的溫度要高于35益，居民室內溫度不得低于18益。以此地區一個(gè)換熱面積為30 萬(wàn)m2的中型換熱站為例，站內配有2臺55 kW循環(huán)水泵(一用一備)，7.5 kW補水泵及其他相關(guān)管網(wǎng)設備，以及完成智能化變頻控制所需設備，包括溫度變送器、電動(dòng)調節閥、差壓控制器、DANFOSS 氣候補償儀、室外傳感器、壓力變送器，PLC、DANFOSS變頻器。具體安裝位置如圖2所示。

2.1 智能化變頻節能功能的實(shí)現

1)差壓控制器在一次管網(wǎng)近換熱器側安裝差壓控制器，用來(lái)控制一次管網(wǎng)的供水量和回水量維持在一個(gè)正常壓力差范圍內，保障二次管網(wǎng)所需的換熱量。

2)氣候補償儀和電動(dòng)調節閥氣候補償儀將采集到的室外溫度、回水溫度和供水溫度等3個(gè)溫度值，作為變量通過(guò)內部計算，自動(dòng)控制電動(dòng)調節閥的開(kāi)啟角度，以使得一次供水量可以根據室外的溫度變化而變化，當外界氣溫升高時(shí)將相應減小閥門(mén)的開(kāi)啟角度，當外界氣溫降低時(shí)將相應增大閥門(mén)的開(kāi)啟角度，以最大限度地減小供熱中心的供熱量，最大限度地節能降耗。

3)二次管網(wǎng)的循環(huán)水泵控制當在一次管網(wǎng)的回水端加裝的溫度變送器檢測到溫度高于35益(此值為系統設定值，各地的標準不一樣，所設的溫度值也不盡相同)時(shí)，系統認為換熱站已經(jīng)具備工作條件，由PLC 向變頻器發(fā)出啟動(dòng)信號，而在二次管網(wǎng)供水、回水端的壓力變送器將兩壓力值都反饋到循環(huán)泵變頻器中，由變頻器完成差壓計算并根據二次管網(wǎng)的設定的壓力差自動(dòng)控制循環(huán)水泵啟動(dòng)及轉速;當溫度低于30益時(shí)，系統認為換熱站不具備工作條件，由PLC向變頻器發(fā)出停止指令，自動(dòng)控制循環(huán)水泵停止。

4)二次管網(wǎng)的恒壓補水控制在二次管網(wǎng)的回水端距離水泵3~5 m的位置安裝的壓力變送器，用來(lái)檢測二次管網(wǎng)回水的壓力，并將實(shí)時(shí)壓力值反饋給補水變頻器，由變頻器控制補水泵的轉速，維持二次管網(wǎng)內正常恒定的壓力，并且在二次管網(wǎng)上加裝了電磁閥，當管網(wǎng)中液體受熱膨脹超出臨界壓力時(shí)，由變頻器控制電磁閥動(dòng)作實(shí)現超壓泄水。同時(shí)，考慮到極端情況———二次供水管網(wǎng)產(chǎn)生爆管的嚴重事故，變頻器將根據內部所設的反饋壓力下限實(shí)時(shí)與管網(wǎng)壓力進(jìn)行比較，如果反饋壓力持續低于反饋下限10 min，變頻器將認為發(fā)生了爆管事故，會(huì )發(fā)出一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號，控制補水，循環(huán)水泵停止工作并產(chǎn)生報警信號。

5)PLC PLC 與氣候補償儀和變頻器可以通過(guò)RS485 完成串行通訊，具體通訊協(xié)議可根據設備進(jìn)行選擇，完成對氣候補償儀、循環(huán)水泵和補水泵等換熱站設備和運行狀況的監控，并通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現遠程監控的目的。

2.2 一些需要注意的事項

1)由于本系統智能化程度較高，采用了大量的傳感器、變送器，及其他相關(guān)儀器儀表，眾所周知，變頻器在工作過(guò)程中將不可避免地產(chǎn)生大量的電磁干擾和對電網(wǎng)的諧波污染，嚴重的情況下這些噪音將使整個(gè)系統癱瘓?；谝陨显?，所有儀器儀表的信號傳輸最好選用滿(mǎn)足EMC要求的電纜，變頻器最好選用內置RFI 濾波器，直流電抗器，全金屬封裝的，并且在建站時(shí)預留專(zhuān)用接地線(xiàn)，所有設備要完全可靠地接地。

2)循環(huán)水泵的啟動(dòng)最好由星角轉換啟動(dòng)方式改為變頻軟啟動(dòng)，以實(shí)現無(wú)級調速，減少啟動(dòng)過(guò)程對電網(wǎng)和機械設備的沖擊。

3)系統所選用的DANFOSS 變頻器，具備雙通道PID調節功能，可以將兩個(gè)壓力信號同時(shí)反饋以完成差壓計算，如選用其他品牌變頻器需加裝壓差變送器，以完成類(lèi)似功能。

4)系統所選用的DANFOSS 變頻器，具備壓力反饋上限和反饋下限延時(shí)報警功能，如在實(shí)際應用中所選用的變頻器無(wú)此功能，可在PLC 中增加相應的模擬輸入點(diǎn)，以完成類(lèi)似的功能。

5)系統內所有設備應具備在自動(dòng)控制和手動(dòng)控制之間進(jìn)行相互切換的功能，以利于換熱站的檢修或維護工作，以及在自控系統癱瘓的情況下保證居民的正常供暖。

3 預計節能效果

以某換熱站為例，其預計改造成本如下：

注：以上電纜及元件的費用，可根據實(shí)際情況增減。

根據以上所述，以2臺55 kW循環(huán)泵、2臺7.5 kW補水水泵共同運行時(shí)間為3 個(gè)月，交替循環(huán)運行時(shí)間為3個(gè)月，每天運行12 h，電費按1 元/kW·h 計算(以下計算為理論值)，則改造前一年的用電量為[2(55+7.5)+(55+7.5)]伊3伊30伊12=178 500 kW·h折合電費為178 500元。

改造后保守估計一年的電費將至少節省30豫~40豫，即可節省53 550 元~71 400 元，也就是說(shuō)一年的時(shí)間就可以收回全部投資成本，而一年以后節約的電費便成為了企業(yè)經(jīng)濟效益的提高。

4 結語(yǔ)

通過(guò)以上分析和計算，可以看到一個(gè)小小的換熱站，通過(guò)技術(shù)改造，實(shí)現自動(dòng)變頻控制后，其節能效果是非?？捎^(guān)的。