1 概述

　　為節省能源，減少城市污染，在冬季，充分利用火力發電廠蒸汽輪機發電后的余熱，可對北方城市集中供熱。這種供熱的過程是，從發電廠送出來的熱水，到城市中的換熱站經過熱交換器后，一次供水熱水溫度從90益左右，下降到60益左右，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益左右，二次供水溫度60益左右。陜西寶雞有許多這樣的換熱站，大部分換熱站設備比較簡單，一般由數臺熱交換器，幾臺泵組成的循環泵組和一臺補水泵構成。

　　而這些換熱站的循環泵和補水泵因為采用人工開、關閥門控制流量，所以使管路的阻尼增大，從而造成電能浪費。隨著變頻技術的發展，采用變頻器對老舊換熱站進行技術改造，實現自動控制已經被越來越多的供暖中心所接受。

2 換熱站的變頻調速控制

　　陜西寶雞一換熱站由4 臺熱交換器，4 臺37 kW 的管道泵組成的循環泵組，1 臺3.7 kW的補水泵組成。

　　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，整個供熱系統用計算機進行監控，實現了換熱站無人值守。

　　2.1 補水泵變頻調速控制

　　供熱時，熱水通過循環泵在供熱系統中運行，管道、閥門的泄漏會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，設定系統內熱水的水壓為0.4 MPa，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耀20 mA的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4 kg。當供熱系統的壓力低于4 kg時，變頻器的輸出頻率上升開始補水；達到4 kg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。本例選用1 臺森蘭變頻器BT12S3.7kW，壓力變送器選用森納斯DG130WBZ-A 1MPa，變頻調速補水系統如圖1 所示。

　　2.2 循環泵的變頻調速控制

　　相對于補水泵的控制，對循環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，根據系統的供熱量，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。

　　式（2）為二次供水溫度給定值的計算方法。由式（2）確定的t2g能跟蹤室外溫度tw的變化，使熱用戶室內溫度不受tw變化的影響，最終實現穩定供熱。

　　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，能夠調節的就是循環水的流量G。二次供水溫度自動化系統的控制策略是，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益。當二次進水與回水的溫差躍12益時，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約12益時，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，循環水不能供應給最高層的用戶。因此，在溫差控制的基礎上根據熱用戶所處的高度要求的最低揚程，可以在一定范圍內對溫差的目標值進行適當的調節。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50 Hz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1臺循環泵電機在變頻運行。若只有1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，所以使裕量過大。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，往往是選不到合適的循環泵型號就往上靠，故而使裕量進一步增大。而在實際操作時，常用閥門進行流量調節，這樣就增加了系統的阻力，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B12497《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。

       即節電率為

       可見節約電能的效益十分可觀。

4 結語

　　我國是能源貧乏的國家之一，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，既可使系統運行穩定可靠，又實現了無人值守，經濟效益和社會效益明顯。