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1 引言
為節省能源，減少城市污染，充分利用火力發電廠蒸汽輪機發電后的余熱，在冬季對北方城市集中供熱。其供熱的方法是，從發電廠送出來的熱水，到城市中的換熱站時，一次供水熱水溫度有90多攝氏度，經過熱交換器后，一次回水熱水的溫度下降到60多攝氏度，然后再流回發電廠。送到城市居民家中的熱水，流過各用戶的熱交換器，在熱交換器中進行熱交換，然后流回換熱站，進入換熱站熱交換器的二次回水溫度有50多攝氏度，二次供水溫度60多攝氏度。陜西寶雞有許多這樣的換熱站，換熱站設備比較簡單，由數臺熱交換器、幾臺泵組成的循環泵組、一臺補水泵構成。其中有一換熱站有四臺熱交換器，四臺37kW的管道泵組成的循環泵組，一臺3.7kW的補水泵。循環泵和補水泵采用人工開、關閥門控制流量，使管路的阻尼增大而造成電能浪費。
2 換熱站的變頻調速控制
2.1 補水泵變頻調速控制
為更進一步的節能，陜西寶雞熱力公司在2003年至2004年對換熱站實施了自動化改造，循環泵和補水泵用變頻調節，整個城市供熱系統用計算機進行監控，實現了換熱站無人值守。通過循環泵使熱水在供熱系統中運行，管道、閥門的泄漏引起循環水的水壓降低，如不及時補水，會造成供熱系統運行不正常。補水泵的變頻泵補水方式比較簡單，系統內熱水的水壓為0.4MPa，將壓力變送器安裝在回水主管上，管網上壓力的變化經壓力變送器變換為4～20mA信號反饋到變頻器的PI調節器的輸入端。變頻器的給定值設置為4kg。當供熱系統的壓力低于4kg時，變頻器的輸出頻率上升開始補水；達到4kg時，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水。此處選用一臺森蘭BT12S3.7kW變頻器，選用森納斯DG130W-BZ-A 1MPa壓力變送器，變頻調速補水系統如圖1所示。
圖1 變頻調速補水系統原理圖
2.2 循環泵的變頻調速控制
循環泵的控制相對于補水泵的控制要復雜一些。供熱系統的最終目標是保持熱用戶的室內溫度的穩定，但由于熱用戶沒有室溫調節器，且對眾多的熱用戶的室溫不可能形成閉環控制。為做到經濟運行又保證供熱質量，最有效的方法是控制換熱站的二次供水溫度。穩態條件下系統的供熱量，散熱器的散熱量及用戶的耗熱量相等的規律，可得到穩態條件下的二次供水溫度：
(1)
式中：t2g為二次供水溫度(℃)；
t2h為二次回水溫度(℃)；
tn為室內溫度(℃)；
tw為室外溫度(℃)；
t’2g為二次供水設計溫度(℃)；
t’2h為二次回水設計溫度(℃)；
t’n為室內設計溫度(℃)；
t’w為室外設計溫度(℃)；
為二次管網的實際流量G設計流量G’之比；
β為散熱器散熱。
對式(1)進行修正并考慮到室內溫度tn、二次管網實際流量與設計流量之比
和回水溫度t2h近似為常數，則
(2)
式中: a、b、c為管網所處地區氣象的有關參數。
式(2)為二次供水溫度給定值的計算方法。由式(2)確定的 能跟蹤室外溫度t2g的變化，使熱用戶室內溫度不受tw變化的影響，實現穩定供熱。
由于熱用戶室內采暖系統采用的都是上供下回式單管供熱方式，從供熱理論可知，單管供熱最佳調節方式應為溫度和流量的綜合調節。由式(1)可見，隨著室外溫度tw的變化，不但要及時地調整二次供水溫度t2g，還應相應地調整循環水的流量G，避免產生上部室溫嚴重偏高，下部室溫嚴重偏低的“垂直失調”現象。二次供水的水溫與一次供水的溫度和流量有關，與二次回水流量有關，還與環境溫度有關。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節，能夠調節就是循環水的流量G。二次供水溫度自動化系統控制的控制策略是這樣的：如果二次供水溫度低，循環水的流量G增加；反之，如果二次供水溫度高，循環水的流量G減少。但這里沒有考慮到環境溫度變化的影響，如果室外溫度改變，要使室內的溫度基本恒定，一種控制策略是用二次進水與回水的溫差來控制循環泵變頻器的轉速，設定二次進水與回水的溫差為12℃。當二次進水與回水的溫差大于12℃時，循環泵變頻器加速，循環水的流量G增加；當二次進水與回水的溫差小于12℃時，循環泵變頻器減速，循環水的流量G減少。再考慮到循環水的流量G較小時，循環泵的轉速較低，循環水不能供應最高層的用戶。因此，在溫差控制的基礎上，溫差的目標值可以在一定范圍內根據熱用戶所處的高度要求的最低揚程來進行適當的調節。變頻器調速的控制信號由自動化系統給出。循環泵變頻調速系統圖如圖2所示。
圖2 循環泵變頻調速系統圖
圖2中，BP1為森蘭BT12S37kW變頻器，BU為軟起動器（自耦減壓起動器），系統采用循環投切方式，溫差信號送入PLC，經過PLC處理后，到變頻器作為調速控制信號。系統啟動時，電機M1變頻調速，頻率升到50Hz時，循環水流量達不到給定要求，則電機M1投工頻，M2變頻運行；如果循環水流量仍達不到給定要求，則電機M2投工頻，M3變頻運行……；由于某種原因，循環水流量超過給定要求，那就停止電機M1，M2……，任何時候只有一臺循環泵電機在變頻運行。若只有一臺電機M3在變頻運行，循環水流量達不到給定要求時，則電機M3投工頻，M4變頻運行；M4投工頻，M1變頻運行，又到了初始狀態。電機M1~M4總是在工頻―變頻之間循環投切。BU1用于備用，整個系統的運行信息由PLC送到計算機上。
3 循環泵的節能
換熱站設計過程中過多考慮建設前、后長期供熱容量，并考慮長期運行過程中可能發生的各種問題，使裕量過大。實際上大多數換熱站的供熱并非一開始就達到設計的最大容量，而是隨著城市建設的發展，供熱的面積逐步達到設計容量；另一方面，設計過程中很難準確地計算出供熱容量，通常總把系統的最大供熱容量作為循環泵選型的依據，但循環泵的系列是有限的，往往選不到合適的循環泵型號就往上靠，使裕量更進一步的增大。供熱實際操作時，常用閥門進行流量調節，增加了系統的阻力，耗能較大。
循環泵變頻調速后，所有的閥門開度最大，系統的阻力最小。根據用二次進水與回水的溫差和熱用戶所處的高度要求的最低揚程來控制循環泵變頻器的轉速，可大大地減少循環泵的流量，當平均流量是設計流量的80%時，節電率可按GB12497《三相異步電動機經濟運行》強制性國家標準實施監督指南中的計算公式計算，如下式所示。
即
節電率36%，可見節約電能的效益十分可觀。
4 結語
我國的能源并不富裕，節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，如果都進行節能改造，節約的電量不可小視。而且，該系統運行穩定可靠，實現了無人值守，經濟效益和社會效益明顯。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號