換熱站電氣部分和變頻控制的節(jié)能原理

步長鋒

[摘 要]本文主要對(duì)換熱站的電氣部分和變頻控制進(jìn)行介紹，重點(diǎn)對(duì)換熱站循環(huán)泵和補(bǔ)水泵電機(jī)的變頻控制節(jié)能效果進(jìn)行詳盡分析，并對(duì)變頻器的抗干擾問題進(jìn)行討論，肯定了變頻控制節(jié)能的優(yōu)越性。

[關(guān)鍵詞]變頻器；電氣部分；節(jié)能

[中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1005-6432（2013）6-0027-02

1 引 言

本文首先介紹了變頻驅(qū)動(dòng)水泵的節(jié)能原理，然后結(jié)合集中供熱現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一套PLC控制的換熱站變頻調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)用于采暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)換熱站的二次供水設(shè)定溫度、循環(huán)泵的流量及補(bǔ)水泵的補(bǔ)水量?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定性好、節(jié)能效果顯著、操作方便、監(jiān)控及時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)性能也得到了有效地改善。

2 變頻驅(qū)動(dòng)供熱站節(jié)能機(jī)理

采用水暖方式的供暖系統(tǒng)中，離心泵是用來傳送熱水或補(bǔ)充熱媒的機(jī)械。這些設(shè)備都是按最大負(fù)荷設(shè)計(jì)和選型的，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)，大部分時(shí)間輕載運(yùn)行，負(fù)荷并沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為了保證生產(chǎn)平穩(wěn)，原來老式換熱站都是通常采用閥門控制流量，這樣浪費(fèi)了大量電能。因此在換熱站電氣節(jié)能中，研究循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的優(yōu)化運(yùn)行具有重要的理論意義和實(shí)際意義。根據(jù)流體力學(xué)理論可知，離心水泵的轉(zhuǎn)速與流量、揚(yáng)程、軸功率之間有如下相似關(guān)系：

以上公式說明，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，水泵的流量、揚(yáng)程和軸功率也隨之改變，即流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。由這些關(guān)系可知，采用改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量可以大大減少軸功率，從而起到降低損耗的作用。從實(shí)際統(tǒng)計(jì)情況來看，節(jié)能效果可達(dá)30%～40%。這也是變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)水泵節(jié)能的關(guān)鍵之所在。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及控制原理

以天福換熱站設(shè)計(jì)為例，站內(nèi)配置了三臺(tái)75kW的循環(huán)泵和兩臺(tái)2.2kW的補(bǔ)水泵。由于實(shí)際熱負(fù)荷大于設(shè)計(jì)熱負(fù)荷和熱負(fù)荷隨氣溫變化較大，因此需要及時(shí)調(diào)節(jié)供熱量。根據(jù)供熱的實(shí)際情況和用戶的要求，系統(tǒng)采用質(zhì)量雙調(diào)的控制方式，即同時(shí)控制換熱站的二次供水設(shè)定溫度、循環(huán)泵的流量，其中量調(diào)的節(jié)能效果最為顯著。再者，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，管網(wǎng)失水是不可避免的，因此需要控制補(bǔ)水泵的補(bǔ)水量以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，電氣部分的設(shè)計(jì)都是全部獨(dú)立運(yùn)行、PLC程序控制調(diào)節(jié)流量和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)溫度的閉環(huán)管理系統(tǒng)。

3.2 二次供水設(shè)定溫度的控制

由于供熱系統(tǒng)的最終目標(biāo)是保持熱用戶的室內(nèi)溫度穩(wěn)定，但由于熱用戶均沒有室溫調(diào)節(jié)裝置，且對(duì)數(shù)以萬計(jì)的熱用戶的室溫不可能形成閉環(huán)控制，為了做到既經(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。根據(jù)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，可以得到穩(wěn)態(tài)條件下二次供水溫度：

3.3 循環(huán)泵的流量控制

由于換熱站循環(huán)泵的額定流量和電機(jī)功率是按照該換熱小區(qū)最大供熱面積配備的，而實(shí)際上大多數(shù)換熱站的供熱面積并非一開始就達(dá)到設(shè)計(jì)能力，而是逐步發(fā)展用戶增加供熱面積；另外，也很難選到恰好符合該管網(wǎng)特性流量和揚(yáng)程的水泵，這就應(yīng)調(diào)節(jié)水泵的流量，以滿足不同情況的需要。循環(huán)水流量減少太多時(shí)會(huì)使熱用戶產(chǎn)生垂直失調(diào)，因此循環(huán)泵流量變化應(yīng)遵循一定的規(guī)律，這一規(guī)律是由供熱系統(tǒng)的性質(zhì)和供熱質(zhì)量的要求決定的。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系統(tǒng)，從供熱理論可知，單管供熱系統(tǒng)最佳調(diào)節(jié)工況應(yīng)為質(zhì)和量的綜合調(diào)節(jié)。由式（4）可以看出，隨著室外溫度tw的變化，不但要及時(shí)調(diào)整二次供水溫度t2g，而且還應(yīng)相應(yīng)調(diào)整循環(huán)水流量g，只有這樣熱用戶室內(nèi)采暖系統(tǒng)才不會(huì)產(chǎn)生垂直失調(diào)。而采用變頻調(diào)速技術(shù)控制水泵的流量（變頻器的輸入由PLC根據(jù)室外溫度和二次供回水的溫度計(jì)算給出），無疑是最高效、節(jié)能的方法，其節(jié)能原理前面已經(jīng)詳細(xì)介紹，在此不再贅述。經(jīng)過計(jì)算公式的粗略計(jì)算，在循環(huán)水泵采用變頻變流量調(diào)節(jié)時(shí)，當(dāng)平均運(yùn)行流量是設(shè)計(jì)流量的80%時(shí)，節(jié)電49%；平均運(yùn)行流量是設(shè)計(jì)流量的70%時(shí)，節(jié)電66%，可見節(jié)電效果相當(dāng)可觀。

3.4 補(bǔ)水泵的定壓控制

熱水供熱系統(tǒng)在運(yùn)行中管網(wǎng)失水是不可避免的，如果不及時(shí)補(bǔ)水，不僅會(huì)造成管網(wǎng)壓力降低，還會(huì)使管網(wǎng)及汽—水換熱器內(nèi)的水汽化，造成整個(gè)供熱系統(tǒng)不能正常運(yùn)行甚至停止運(yùn)行。補(bǔ)水泵定壓就是通過補(bǔ)水泵間斷或不間斷地向系統(tǒng)補(bǔ)水，保證供熱系統(tǒng)在規(guī)定的壓力下運(yùn)行。以往老式換熱站的設(shè)計(jì)方案有兩種：一是采用間斷性補(bǔ)水，這種系統(tǒng)在熱網(wǎng)回水管上安裝一塊電接點(diǎn)壓力表，利用電接點(diǎn)壓力表的微動(dòng)觸點(diǎn)開關(guān)，根據(jù)管網(wǎng)壓力的上下限整定值來自動(dòng)控制補(bǔ)水泵的起、停。這一控制為位式控制，系統(tǒng)壓力只能在一區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，補(bǔ)水泵的起、停頻繁，在啟動(dòng)的瞬間，會(huì)造成管網(wǎng)局部壓力突然升高從而造成補(bǔ)水泵誤停車，且電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流一般為其工作電流的7倍左右，極易造成電器元件和設(shè)備的損壞；二是采用自力式壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行不間斷補(bǔ)水。此方法是依靠自力式壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)回水管的流量控制補(bǔ)水量，缺點(diǎn)是白白消耗大量能量，而且調(diào)節(jié)效果要依賴調(diào)節(jié)閥的質(zhì)量和使用的好壞。鑒于上述的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了變頻調(diào)速技術(shù)，利用恒壓供水的原理控制補(bǔ)水泵，此方法是利用壓力傳感器（壓力傳感器質(zhì)量的好壞和安裝位置的不同，直接影響系統(tǒng)恒壓的實(shí)現(xiàn)，通過運(yùn)行實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，壓力傳感器安裝在回水母管直線段最為理想。）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力作為反饋信號(hào)傳送給PLC，與給定壓力值相比較，如低于此值則加大補(bǔ)水流量，反之，則減少流量，如此恰到好處地補(bǔ)充失水量，保證系統(tǒng)壓力恒定。在PLC里通過編程實(shí)現(xiàn)，此方法的定壓誤差遠(yuǎn)小于上述兩種方法，節(jié)約了電能，且減少了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)大電流對(duì)電機(jī)定子繞組電動(dòng)力的作用。

3.5 系統(tǒng)主要功能及軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)集中供熱現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，本系統(tǒng)選用ABB 變頻器；選用西門子區(qū)域供熱專用的ACS800控制器，用來控制運(yùn)行泵和備用泵之間的運(yùn)行邏輯，改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)。并具有可選的通訊模塊和帶液晶顯示的操作面板。編程靈活，功能強(qiáng)大，非常適用于小型控制場(chǎng)合。由于供熱系統(tǒng)是一個(gè)要求高可靠性的系統(tǒng)，因此本系統(tǒng)還備有手動(dòng)控制部分，防止自動(dòng)控制出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)癱瘓。系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行由程序控制器來控制，主要實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、加泵、減泵、熱備、故障自動(dòng)切換等功能，首先所有泵的啟動(dòng)都采用變頻啟動(dòng)，在一臺(tái)泵工作時(shí)，若溫度沒有達(dá)到設(shè)定值，而變頻器的輸出頻率已經(jīng)達(dá)到了上限，則自動(dòng)切換本泵為工頻運(yùn)行，投入第二臺(tái)泵為變頻運(yùn)行；在兩臺(tái)泵工作時(shí)，若溫度達(dá)到了要求，而變頻器的輸出頻率低于設(shè)定頻率，則停變頻泵，將工頻泵投變頻運(yùn)行。其次，系統(tǒng)設(shè)置了熱備功能（我們沒使用），在兩臺(tái)泵都無故障的前提下，一臺(tái)單獨(dú)運(yùn)行8h后，將自動(dòng)切換另一臺(tái)泵。最后，故障自切換功能保證了在有備用泵的前提下，在運(yùn)行泵出現(xiàn)故障時(shí)可以自動(dòng)切換到備用泵，從而防止停泵后水錘對(duì)熱網(wǎng)設(shè)備和用戶系統(tǒng)造成破壞。此外系統(tǒng)還具有頻率、電流、電壓、管網(wǎng)壓力、溫度等監(jiān)視功能，壓力、溫度異常報(bào)警及變頻器、電機(jī)故障報(bào)警等功能。

4 變頻器電磁干擾問題

變頻器在運(yùn)行過程能產(chǎn)生功率較大的諧波，由于功率較大，成為一個(gè)強(qiáng)有力的干擾源，通過輻射、傳導(dǎo)等途徑，對(duì)電網(wǎng)及周圍電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響。切斷、消除或削弱耦合路徑是控制變頻器干擾的主要或幾乎唯一的手段，也是變頻器在工程應(yīng)用中的主要抗電磁干擾措施。通常變頻器本身有鐵殼屏蔽，防止電磁干擾泄漏；輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號(hào)控制變頻器時(shí)，采用雙芯屏蔽線且盡可能短（一般為20m以內(nèi)），并與主電路線（AC380V）及控制線（AC220V）完全分離，絕不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周圍電子敏感設(shè)備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。電源線要采用隔離變壓器或電源濾波器以避免傳導(dǎo)干擾，為減少電動(dòng)機(jī)的電磁噪聲和損耗可以配置輸出濾波器，欲減少對(duì)電源的污染可配置輸入濾波器或零序電感。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合集中供熱現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，利用ABB區(qū)域供熱專用的PLC控制器為換熱站設(shè)計(jì)了一套變頻調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：增加了供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了供熱設(shè)施的可靠性、安全性；提高了控制精度，壓力控制精度在1%以內(nèi)，溫度控制精度小于5%；實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，減小了啟動(dòng)電流而使啟動(dòng)平滑無沖擊，延長了電機(jī)和機(jī)械設(shè)備壽命，降低了水泵的維修工作量。節(jié)約了電能，降低了供熱設(shè)施的運(yùn)行費(fèi)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，供熱質(zhì)量高，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。