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1　概述

我國已經(jīng)進(jìn)入城鎮(zhèn)化與城市發(fā)展雙重轉(zhuǎn)型的新階段，預(yù)計(jì)城鎮(zhèn)化率年均提高0.8%~1.0%，到2015年達(dá)到52%左右，到2030年達(dá)到65%左右。因此，市政工程的市場將更加龐大，而處于市政工程產(chǎn)業(yè)鏈中的各個(gè)領(lǐng)域都將受益。

城鎮(zhèn)化建設(shè)是市政工程市場最大的推動(dòng)力。當(dāng)前，我國城市化還在快速發(fā)展中，大中小城市以及城鄉(xiāng)一體化的發(fā)展中的眾多城市基礎(chǔ)設(shè)施，城市交通工程、城市給水工程、城市排污工程、城市供電工程、城市燃?xì)夤こ?、城市供熱工程、城市通信工程、城市防?zāi)工程、城市環(huán)境衛(wèi)生工程等建設(shè)都在不斷上馬。伴隨著地方城鎮(zhèn)化程度的提升，各地加大市政設(shè)施的投資。隨著國民經(jīng)濟(jì)和財(cái)政收入的大幅提升，市政公用設(shè)施建設(shè)也進(jìn)入快車道，市政行業(yè)發(fā)展空間廣闊，前景喜人。理論上變頻器可用在市政行業(yè)的各個(gè)方面，因此市政行業(yè)也是變頻器應(yīng)用最廣泛的行業(yè)之一。一直以來，森蘭變頻器廣泛應(yīng)用于城市供水、污水處理、集中供熱、消防等市政領(lǐng)域，為市政行業(yè)的自動(dòng)化和節(jié)能作出了貢獻(xiàn)。近年來，森蘭科技公司為地鐵提供照明和傳動(dòng)的應(yīng)急供電系統(tǒng)解決方案，為新能源汽車提供變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和交直流充電樁、供熱工程的一體化解決方案等。

為節(jié)省能源、減少城市污染，熱電聯(lián)產(chǎn)是一重要措施，就是充分利用熱電廠汽輪機(jī)發(fā)電后蒸汽的余熱，在冬季對北方城市集中供熱。其供熱的方法是，從發(fā)電廠送出來的熱水，到城市中的換熱站時(shí)，一次供水熱水溫度有90多度，經(jīng)過熱交換器后，一次回水熱水的溫度下降到60多度，然后再流回發(fā)電廠。送到城市居民家中的熱水，流過各用戶的熱交換器，在熱交換器中進(jìn)行熱交換，然后流回?fù)Q熱站，進(jìn)入換熱站熱板式交換器的二次回水溫度不到50度，二次供水溫度60多度。換熱站設(shè)備比較簡單，由數(shù)臺(tái)板式熱交換器，幾臺(tái)泵組成的循環(huán)泵組，一臺(tái)補(bǔ)水泵構(gòu)成。例如有一換熱站有四臺(tái)熱交換器，四臺(tái)37kW的管道泵組成的循環(huán)泵組，一臺(tái)3.7kW的補(bǔ)水泵。循環(huán)泵采用人工開、關(guān)閥門控制流量，使管路的阻尼增大而造成電能浪費(fèi)。為更進(jìn)一步的節(jié)能，陜西某熱力公司對換熱站實(shí)施了自動(dòng)化改造，循環(huán)泵和補(bǔ)水泵用變頻調(diào)節(jié)，整個(gè)城市供熱系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了換熱站無人值守。

2　換熱站的變頻調(diào)速控制

2.1　補(bǔ)水泵變頻調(diào)速控制

通過循環(huán)泵使熱水在供熱系統(tǒng)中運(yùn)行，管道、閥門的泄漏引起循環(huán)水的水壓降低，如不及時(shí)補(bǔ)水，會(huì)造成供熱系統(tǒng)運(yùn)行不正常。補(bǔ)水泵的變頻泵補(bǔ)水方式比較簡單，系統(tǒng)內(nèi)熱水的水壓為0.4MPa，將壓力變送器安裝在回水主管上，管網(wǎng)上壓力的變化經(jīng)壓力變送器變換為4～20mA信號反饋到變頻器的PI調(diào)節(jié)器的輸入端。變頻器的給定值設(shè)置為4Kg。當(dāng)供熱系統(tǒng)的壓力低于4Kg時(shí)，變頻器的輸出頻率上升開始補(bǔ)水；達(dá)到4Kg時(shí)，反饋信號與給定信號基本相等，變頻器輸出頻率下降停止補(bǔ)水。本例選用一臺(tái)森蘭SB200P3.7kW變頻器，選用森納斯DG130W-BZ-A 1MPa壓力變送器，變頻調(diào)速補(bǔ)水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 變頻調(diào)速補(bǔ)水系統(tǒng)原理圖

2.2　循環(huán)泵的變頻調(diào)速控制

循環(huán)泵的控制相對于補(bǔ)水泵的控制要復(fù)雜一些。供熱系統(tǒng)的最終目標(biāo)是保持熱用戶的室內(nèi)溫度的穩(wěn)定，但由于熱用戶沒有室溫調(diào)節(jié)器，且對眾多的熱用戶的室溫不可能形成閉環(huán)控制。為做到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行又保證供熱質(zhì)量，最有效的方法是控制換熱站的二次供水溫度。穩(wěn)態(tài)條件下系統(tǒng)的供熱量，散熱器的散熱量及用戶的耗熱量相等的規(guī)律，可得到穩(wěn)態(tài)條件下的二次供水溫度：

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循環(huán)泵的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 循環(huán)泵變頻調(diào)速系統(tǒng)圖

圖2中，BP1為森蘭SB200P37kW變頻器，BU為軟起動(dòng)器（自耦減壓起動(dòng)器），系統(tǒng)采用循環(huán)投切方式，溫差信號送入PLC，經(jīng)過PLC處理后，到變頻器作為調(diào)速控制信號。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)M1變頻調(diào)速，頻率升到50Hz時(shí)，循環(huán)水流量達(dá)不到給定要求，則電機(jī)M1投工頻，M2變頻運(yùn)行；如果循環(huán)水流量仍達(dá)不到給定要求，則電機(jī)M2投工頻，M3變頻運(yùn)行……；由于某種原因，循環(huán)水流量超過給定要求，那就停止電機(jī)M1、M2……等，任何時(shí)候只有一臺(tái)循環(huán)泵電機(jī)在變頻運(yùn)行。若只有一臺(tái)電機(jī)M3在變頻運(yùn)行，循環(huán)水流量達(dá)不到給定要求時(shí)，則電機(jī)M3投工頻，M4變頻運(yùn)行；M4投工頻，M1變頻運(yùn)行，又到了初始狀態(tài)。電機(jī)M1～M4總是在工頻—變頻之間循環(huán)投切。BU1用于備用，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行信息由PLC送到計(jì)算機(jī)上。

3　出現(xiàn)問題及解決方案

(1) 當(dāng)二次回路的水壓低于0.4MPa時(shí)，補(bǔ)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行補(bǔ)水。補(bǔ)水泵補(bǔ)水后不久二次回路的水壓超過0.4MPa較多，使用戶管道的接頭處出現(xiàn)泄露，嚴(yán)重時(shí)閥門破損，房間內(nèi)漏了一地水，用戶意見非常大。

究其原因是熱脹冷縮，補(bǔ)水泵補(bǔ)的是冷水，經(jīng)過換熱器后水溫升高體積膨脹，液體又不能壓縮，因此水壓升高脹破管道中的薄弱環(huán)節(jié)，引起泄露。解決的方法是少補(bǔ)一點(diǎn)水，但是這不好控制。不需要人工介入的方法是在二次回路的管道上安裝電磁閥，電磁閥受壓力變送器控制，水壓超過0.4MPa時(shí)電磁閥打開放水，低于0.4MPa是關(guān)閉，使管道壓力總是維持在規(guī)定的壓力上。

(2) 由于熱用戶室內(nèi)采暖系統(tǒng)采用的都是上供下回式單管供熱方式，從供熱理論可知，單管供熱最佳調(diào)節(jié)方式應(yīng)為溫度和流量的綜合調(diào)節(jié)。由式（1）可見，隨著室外溫度w t 的變化，不但要及時(shí)地調(diào)整二次供水溫度g t2 ，還應(yīng)相應(yīng)地調(diào)整循環(huán)水的流量G，以免產(chǎn)生上部室溫嚴(yán)重偏高，下部室溫嚴(yán)重偏低的“垂直失調(diào)”現(xiàn)象。二次供水的水溫與一次供水的溫度和流量有關(guān)，與二次回水流量有關(guān)，還與環(huán)境溫度有關(guān)。一般來說，在這些因素中，一次供水的溫度和流量在換熱站不作調(diào)節(jié)，能夠調(diào)節(jié)的就是循環(huán)水的流量G。二次供水溫度自動(dòng)化系統(tǒng)控制的控制策略是這樣的，如果二次供水溫度低，循環(huán)水的流量G增加；反之，如果二次供水溫度高，循環(huán)水的流量G減少。但這里沒有考慮到環(huán)境溫度變化的影響，如果室外溫度改變，要使室內(nèi)的溫度基本恒定，一種控制策略是用二次進(jìn)水與回水的溫差來控制循環(huán)泵變頻器的轉(zhuǎn)速，設(shè)定二次進(jìn)水與回水的溫差為12℃。當(dāng)二次進(jìn)水與回水的溫差大于12℃時(shí)，循環(huán)泵變頻器加速，循環(huán)水的流量G增加；當(dāng)二次進(jìn)水與回水的溫差小于12℃時(shí)，循環(huán)泵變頻器減速，循環(huán)水的流量G減少。再考慮到循環(huán)水的流量G較小時(shí)，循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速較低，循環(huán)水不能供應(yīng)最高層的用戶。因此，在溫差控制的基礎(chǔ)上，溫差的目標(biāo)值可以在一定范圍內(nèi)根據(jù)熱用戶所處的高度要求的最低揚(yáng)程來進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，避免了產(chǎn)生上部室溫嚴(yán)重偏高，下部室溫嚴(yán)重偏低的“垂直失調(diào)”現(xiàn)象。

4　循環(huán)泵的節(jié)能

換熱站設(shè)計(jì)過程中過多考慮建設(shè)前、后長期供熱容量，并考慮長期運(yùn)行過程中可能發(fā)生的各種問題，使裕量過大。實(shí)際上大多數(shù)換熱站的供熱并非一開始就達(dá)到設(shè)計(jì)的最大容量，而是隨著城市建設(shè)的發(fā)展，供熱的面積逐步達(dá)到設(shè)計(jì)容量；另一方面，設(shè)計(jì)過程中很難準(zhǔn)確地計(jì)算出供熱容量，通?？偘严到y(tǒng)的最大供熱容量作為循環(huán)泵選型的依據(jù)，但循環(huán)泵的系列是有限的，往往選不到合適的循環(huán)泵型號就往上靠，使裕量更進(jìn)一步的增大。供熱實(shí)際操作時(shí)，常用閥門進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，增加了系統(tǒng)的阻力，耗能較大。

循環(huán)泵變頻調(diào)速后，所有的閥門開度最大，系統(tǒng)的阻力最小。根據(jù)用二次進(jìn)水與回水的溫差和熱用戶所處的高度要求的最低揚(yáng)程來控制循環(huán)泵變頻器的轉(zhuǎn)速，可大大減少循環(huán)泵的流量，當(dāng)平均流量是設(shè)計(jì)流量的80%時(shí)，節(jié)電率可按GB12497《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督指南中的計(jì)算公式計(jì)算：

節(jié)電率36%，可見節(jié)約電能的效益十分可觀。

5　結(jié)語

我國是能源貧乏的國家之一，節(jié)能降耗是我們的國策。在全國各城市中集中取暖的換熱站成千上萬，如果都進(jìn)行節(jié)能改造，節(jié)約的電量不可小視。而且，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了無人值守，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。

摘自《自動(dòng)化博覽》2016年1月刊