變頻器在供熱工程中的應(yīng)用

張茂剛太原熱力設(shè)計(jì)院（有限公司），山西 太原 030012

0 引言

中國是一個(gè)高速發(fā)展中的發(fā)展中國家，獨(dú)特的國家狀況要求我們國家的城市化率保持在一個(gè)較高的水平上，同時(shí)，在較快的實(shí)行城市化的同時(shí)不能造成環(huán)境的污染，并且在城市中大力推行節(jié)能技術(shù)，在這種大背景下，中國北方地區(qū)的冬季采暖問題上大力推廣集中供熱的技術(shù)。

集中供熱通常是指熱源廠（發(fā)電廠或大型鍋爐房）通過城市高溫供熱管道將熱水送至各居民小區(qū)，企業(yè)中的換熱站，在換熱站內(nèi)，高溫管道（以下簡稱一次網(wǎng)）中的熱水與供熱用戶室內(nèi)暖氣片的熱水管（以下簡稱二次網(wǎng)）通過換熱器交換熱量，經(jīng)過換熱后，二次網(wǎng)中熱水流入各熱用戶。

熱源廠、換熱站的鍋爐鼓、引風(fēng)機(jī)，補(bǔ)水泵、循環(huán)水泵往往是耗能大戶，如果采用直接啟動(dòng)或普通軟啟動(dòng)器啟動(dòng)，由于不能調(diào)速運(yùn)行，所以往往需要用閥門進(jìn)行節(jié)流控制，造成了能源浪費(fèi)。如果采用變頻調(diào)速的方法，雖然初期采購成本高一些，但是由于變頻調(diào)速的節(jié)能特點(diǎn)，在當(dāng)今全世界范圍內(nèi)能源緊缺的形勢下，變頻器具有很好的推廣價(jià)值。

目前變頻器的品牌較多，有國產(chǎn)的，也有進(jìn)口的。所以，選好變頻器、用好變頻器就成為了關(guān)鍵。本文就針對(duì)供熱行業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)變頻器的一般選型、調(diào)試、使用維護(hù)方法進(jìn)行介紹。并針對(duì)一些誤區(qū)進(jìn)行解釋。

1 變頻器的選型方法

選擇變頻器時(shí)必須要充分了解變頻器所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載特性。生產(chǎn)機(jī)械分為3種類型∶ 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載、風(fēng)機(jī)水泵負(fù)載。集中供熱行業(yè)大部分負(fù)載屬于風(fēng)機(jī)水泵負(fù)載，例如鍋爐送，引風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵，換熱站循環(huán)水泵等。在各種風(fēng)機(jī)、水泵、油泵中，隨葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，空氣或液體在介質(zhì)一定的速度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的阻力大致與速度平方成正比。隨著轉(zhuǎn)速的減小，轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速的平方減小。這種負(fù)載所需的功率與速度的三次方成正比。

當(dāng)所需風(fēng)量、流量變化時(shí)，利用變頻器通過調(diào)速的方式來調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量，可以大幅度地節(jié)約電能 。由于高速時(shí)所需功率隨轉(zhuǎn)速增長過快，與速度的三次方成正比，所以通常不應(yīng)使風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載在工頻以下運(yùn)行。

電動(dòng)機(jī)在拖動(dòng)這類負(fù)載時(shí)，溫升能夠達(dá)到穩(wěn)定溫升，該穩(wěn)定溫升是與負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定溫升。

這類負(fù)載在選擇變頻器時(shí)，應(yīng)以實(shí)際電機(jī)電流值作為變頻器選擇的依據(jù)，電機(jī)的額定功率只能作為參考。另外，應(yīng)充分考慮變頻器的輸出含有豐富的高次諧波，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率變壞。因此用變頻器給電動(dòng)機(jī)供電與用工頻電網(wǎng)供電相比較，電動(dòng)機(jī)的電流會(huì)增加10% 而溫升會(huì)增加20% 左右。所以在選擇電動(dòng)機(jī)和變頻器時(shí)，應(yīng)考慮到這種情況，適當(dāng)留有余量，以防止溫升過高，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

此外，還須注意以下幾點(diǎn)：

1）變頻器若要長電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)應(yīng)該采取措施抑制長電纜對(duì)地耦合電容的影響，避免變頻器出力不夠。所以變頻器應(yīng)放大一、兩檔選擇或在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。

2）選擇變頻器時(shí)，一定要注意其防護(hù)等級(jí)是否與現(xiàn)場的情況相匹配。否則現(xiàn)場的灰塵、水會(huì)影響變頻器的長久運(yùn)行 。

3）關(guān)于進(jìn)線電抗器的選擇，一般廠家介紹電抗器的選擇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，往往要求計(jì)算系統(tǒng)的短路容量，實(shí)際上經(jīng)常因?yàn)槿鄙賲?shù)而導(dǎo)致這個(gè)值無法計(jì)算.所以，一般情況下還是加上進(jìn)線電抗器較為妥當(dāng)，一來對(duì)變頻器是個(gè)保護(hù)，二來也可以減小諧波對(duì)周圍設(shè)備的影響。變頻器生產(chǎn)廠家一般都同時(shí)生產(chǎn)變頻器裝置和變頻器柜機(jī)，如果選用柜機(jī)產(chǎn)品，一定要根據(jù)實(shí)際需要選擇好需要的附件，例如操作面板、電抗器，甚至接線端子排等都是作為附件或選件供貨，如果不提前約定選好，供貨以后再增加就困難了。如果選用變頻器裝置，就要和成套商約定成柜的標(biāo)準(zhǔn)，包括進(jìn)線開關(guān)、接觸器、控制按鈕、指示燈等的品牌，還要按照變頻器特點(diǎn)選擇電抗器、操作面板等。

2 變頻器的調(diào)試

在風(fēng)機(jī)水泵的變頻器應(yīng)用中，一般功能不太復(fù)雜，所以調(diào)試也簡單。現(xiàn)在變頻器生產(chǎn)廠家較多，品牌也較多，但是調(diào)試步驟都大同小異，只是叫法不太一樣。一般來說，新變頻進(jìn)行調(diào)試應(yīng)該包括幾個(gè)步驟。

首先，拿到變頻器后應(yīng)該先進(jìn)行工廠復(fù)位操作，將參數(shù)復(fù)位到出廠缺省設(shè)置，做到心里有底，以防萬一有人動(dòng)過參數(shù)，避免不必要的失誤。

其次，為了使變頻器參數(shù)適應(yīng)所對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)該按照產(chǎn)品說明書的步驟對(duì)電機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和電動(dòng)機(jī)辨識(shí)。參數(shù)設(shè)置是將電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)輸入變頻器；電動(dòng)機(jī)辨識(shí)需要啟動(dòng)變頻器，由變頻器進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的參數(shù)計(jì)算和測量。如果用到矢量控制，還需要進(jìn)行調(diào)節(jié)器的自動(dòng)優(yōu)化。需要注意的是，辨識(shí)是需要將電機(jī)同風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載脫開的。

做完上述工作后，就需要對(duì)其進(jìn)行功能設(shè)置，例如啟?？刂?、調(diào)速給定以及反饋信號(hào)的設(shè)置等等。將上述工作一一做好，就可以投入運(yùn)行了。

3 變頻器的使用維護(hù)注意事項(xiàng)

集中供熱行業(yè)的特點(diǎn)非常明顯，通常每年停機(jī)檢修時(shí)間較長。為了安全穩(wěn)定運(yùn)行，保證可靠供暖，變頻器的使用維護(hù)方面需要多加注意。

首先，變頻器的安裝位置切記要遠(yuǎn)離有可能出現(xiàn)淋水的地方。例如，不要把變頻器安裝在水管的下面，因?yàn)樗艿谋砻嬗锌赡芙Y(jié)露。禁止把變頻器安裝在濕度過大和有可能出現(xiàn)結(jié)露的地方。

如果變頻器的存放時(shí)間超過2 年后進(jìn)行安裝，您必須對(duì)其中的電容器重新進(jìn)行處理。

在每年投運(yùn)之前，一定要檢查變頻器是否具備送電條件，尤其防止經(jīng)過夏天停運(yùn)造成的潮濕。還要留意鼠患，查看電纜等部位是否有老鼠咬過。

在檢修時(shí)，可以按照下述步驟進(jìn)行：

1）環(huán)境狀況：環(huán)境溫度，濕度，腐蝕性氣體，油霧，導(dǎo)電粉塵等；

2）主回路電壓，控制回路電壓是否正常；

3）主回路接線端子接觸是否良好，由無松動(dòng)，過熱跡象；

4）主回路接線端子與接地端子間電阻；

5）柜內(nèi)母排有無移位現(xiàn)象，是否有異物，線路表皮有無破損，裂縫，劣化，變色等；

6）端子排有無脫落，損傷，修飾；

7）電容器組有無漏液，破損，膨脹，安全閥是否突出；

8）整流與逆變模塊有無短路，斷路，裂縫或變色；

9）預(yù)充電電阻有無變色，破裂，斷裂；

10）撥動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是否靈活，是否有異響，異常震動(dòng)；

11）電路板元件有無相碰，線路板有無銹蝕，有無集塵；

12）操作面板有無變淡缺劃現(xiàn)象；

13）電動(dòng)機(jī)及電纜的接線端子是否松動(dòng)，過熱現(xiàn)象，對(duì)地的絕緣電阻；

14）裝置運(yùn)行時(shí)是否有異常聲響，異常震動(dòng)，異常味道及異常溫升；

15）裝置運(yùn)行時(shí)變壓器及電抗器是否有異常聲響，異常味道及異常溫升；

16）裝置運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)是否有異常聲響，異常震動(dòng)。風(fēng)量是否足。（風(fēng)機(jī)有使用壽命）；

17）裝置運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)是否有異常聲響，異常味道及異常溫升，異常震動(dòng)；

18）停機(jī)后是否有凝露現(xiàn)象，若有，一定不能上電及運(yùn)行。需配加熱裝置或空調(diào)。

4 關(guān)于變頻器的節(jié)能

目前我國北方供熱期變?yōu)槲鍌€(gè)月，在較為暖和的月份，實(shí)際是有節(jié)能空間的。

風(fēng)機(jī)、水泵的負(fù)載特性屬于平方轉(zhuǎn)矩型，其性能參數(shù)的變化遵循比例定律：

流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比；壓頭（揚(yáng)程）與轉(zhuǎn)速的二次方成正比；軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

當(dāng)通過降低電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量時(shí)，可以大幅降低電機(jī)輸出功率，達(dá)到節(jié)能的目的。

但在實(shí)際應(yīng)用中，由于風(fēng)機(jī)（水泵）受系統(tǒng)參數(shù)及運(yùn)行工況限制，不能簡單套用比例定律估斷節(jié)能效果，應(yīng)將實(shí)際工況轉(zhuǎn)化成相似工況后，再用比例定律計(jì)算。

在節(jié)能效果的考核方面，除考慮變頻調(diào)速節(jié)約能源外，還需要綜合考慮應(yīng)用變頻器的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

應(yīng)用變頻器后，抵消除供水系統(tǒng)中的水錘效應(yīng)，從而延長水泵、管路、閥門的使用壽命。

采用變頻調(diào)速后，生產(chǎn)機(jī)械在運(yùn)行過程中的平均轉(zhuǎn)速下降，故磨損減少，壽命延長。

而且，有經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)鍋爐鼓、引風(fēng)機(jī)采用變頻控制，可以使煤燃燒充分，煙囪里不再冒黑煙，并且因?yàn)槠骄D(zhuǎn)速降低了，噪音也大為下降。

5 采用變頻器是市場的要求

近年來，我國城市建設(shè)迅猛發(fā)展，在城市的局部拆遷與建設(shè)不確定因素增加，低層建筑與高層建筑交錯(cuò)并存，它門對(duì)于供熱介質(zhì)---熱水的參數(shù)要求差別很大，特別是出回水的壓力及補(bǔ)水的壓力，如過達(dá)不到各自用戶的要求，將造成一定的社會(huì)矛盾.同時(shí)，有的開發(fā)商開發(fā)面積很大，但供熱面積卻是每年增加，特別是第一年供熱面積占總開發(fā)面積的比例很低，為此，供熱設(shè)備應(yīng)有較強(qiáng)的可調(diào)節(jié)性，直流調(diào)速設(shè)備由于各種原因在熱力工程中不具備使用條件，只有變頻器才能滿足實(shí)際需求。

6 采用變頻器是技術(shù)進(jìn)步的要求

由于我國的技術(shù)進(jìn)步，各行各業(yè)都盡量節(jié)約人力，將原先人工的部分工作智能化，傳統(tǒng)的設(shè)備無法接受模擬量的自動(dòng)信號(hào)，變頻器的產(chǎn)生解決了這一問題。

近年來，國家及地方的規(guī)范也隨著技術(shù)進(jìn)步不斷提高。所有新建的住宅樓都要求分戶計(jì)量，但老住宅卻無法實(shí)現(xiàn)分戶計(jì)量，試想一下，在一定的區(qū)域內(nèi)，在相同的時(shí)段內(nèi)，新住宅住戶都關(guān)閉或調(diào)小自家的供熱閥門，舊住宅住戶卻無法調(diào)節(jié)自家的熱水流量，哪么，整個(gè)的供熱管網(wǎng)將處于失控的狀態(tài).

國家越來越將供熱服務(wù)商品化，以低成本提供高品質(zhì)的服務(wù)，智能系統(tǒng)被大量運(yùn)用，傳統(tǒng)的設(shè)備不能與之匹配，只能被淘汰。下圖是智能控制系統(tǒng)示意圖：

通過上圖可以清晰的看到，采用變頻器，該系統(tǒng)才能得到貫徹和落實(shí)。

[1]張燕賓.變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù).宜昌市自動(dòng)化研究所，2006(10).

[2]民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范.JGJ16-2008.中國建筑工業(yè)出版社.

[3]張登山.通用變頻器選型、安裝、測量與接線規(guī)范.