變頻調(diào)速在供熱系統(tǒng)中應(yīng)用

【摘要】介紹變頻調(diào)速節(jié)能的原理，重點(diǎn)介紹變頻調(diào)速在供暖系統(tǒng)中補(bǔ)水和循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】變頻器；變頻調(diào)速；節(jié)能

一、概述

目前，我國能源浪費(fèi)已是非常嚴(yán)重，是世界上第二大能源消耗國，其中采暖能耗特別是電耗占有相當(dāng)大的比例。近年來，隨著高層建筑日漸增多和供熱面積不斷擴(kuò)大，區(qū)域供熱負(fù)荷不斷增加，對(duì)供熱系統(tǒng)提出了新的要求。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，其產(chǎn)品價(jià)格大幅度降低，為變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于供熱系統(tǒng)提供了條件；全國各地為爭(zhēng)創(chuàng)“全國文明城市”也為變頻技術(shù)應(yīng)用于供熱系統(tǒng)提供了動(dòng)力。

什么叫變頻調(diào)速技術(shù)，它是一種以改變電機(jī)頻率和改變電壓來達(dá)到電機(jī)調(diào)速目的的技術(shù)，它一出現(xiàn)就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機(jī)調(diào)速方式，乃至直流電機(jī)調(diào)速，而成為電氣傳動(dòng)的中樞。

1、為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的富裕量。當(dāng)電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí)，如果流量要求減小時(shí)，通過降低泵和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。

2、功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能：無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率降低，浪費(fèi)嚴(yán)重，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

3、軟啟動(dòng)節(jié)能：電機(jī)硬啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)，對(duì)擋板和閥門的損害極大，對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能，使啟動(dòng)電流從零開始，最大值也超不過額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，延長了設(shè)備的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維修費(fèi)用。

4、變頻器節(jié)能效果：風(fēng)機(jī)、水泵都屬于減轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即隨著轉(zhuǎn)速的下降，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成比例減小，而具有節(jié)能控制功能的變頻器設(shè)計(jì)有專用f/V模式，這種模式可改善電動(dòng)機(jī)和變頻器的效率，根據(jù)負(fù)載電流自動(dòng)降低變頻器輸出電壓，從而達(dá)到節(jié)能目的。

二、變頻調(diào)速在補(bǔ)水系統(tǒng)中的應(yīng)用

在熱水循環(huán)采暖系統(tǒng)中，由于管路、閥門有泄漏及正常的排污，會(huì)造成水的損耗，引起管網(wǎng)壓力下降，為了保持管網(wǎng)壓力，使系統(tǒng)正常循環(huán)，補(bǔ)水泵就是必不可少的設(shè)備。過去老設(shè)備補(bǔ)水控制用的是傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)，用電接點(diǎn)壓力表控制繼電器，壓力低時(shí)啟動(dòng)補(bǔ)水泵，壓力高時(shí)停止補(bǔ)水泵。此種控制有很多缺點(diǎn)：

1、壓力不穩(wěn)，因水泵是間斷補(bǔ)水，整個(gè)管網(wǎng)的壓力就在設(shè)定的高壓力和低壓力之間反復(fù)波動(dòng)；

2、水泵的頻繁啟動(dòng)，對(duì)管路和水泵等設(shè)備造成了沖擊，不但使水泵的密封件很快泄漏，軸承壽命縮短，還容易引起單向止回閥門失靈，使補(bǔ)水倒流；

3、電接點(diǎn)壓力表易損壞，因壓力不穩(wěn)，儀表震動(dòng)及上下限觸點(diǎn)頻繁接通、斷開，使觸點(diǎn)粘連或接觸不良，造成控制失效，引起管網(wǎng)壓力超高和過低，給安全運(yùn)行帶來隱患。

4、控制功能簡(jiǎn)單，兩臺(tái)補(bǔ)水泵只能有一臺(tái)受壓力控制，當(dāng)采暖初期或者運(yùn)行時(shí)失水過多，需要向管網(wǎng)大量補(bǔ)水時(shí)，都要手動(dòng)啟動(dòng)另一臺(tái)泵，當(dāng)壓力升高時(shí)，還要手動(dòng)停止，使用很不方便。

隨著科技技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速的日漸成熟，變頻調(diào)速在供暖補(bǔ)水系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用；我公司自2010年開始引入了由可編程控制器（PLC）、變頻器、恒壓供水控制器和壓力變送器等組成的變頻恒壓補(bǔ)水系統(tǒng)；控制原理圖如圖一所示本系統(tǒng)可分為“就地”、“遠(yuǎn)程”兩種控制方式，在“就地”時(shí)通過恒壓供水控制器的PID調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)無級(jí)調(diào)速，達(dá)到恒壓供水目的，具體壓力值可在控制器上設(shè)置。當(dāng)系統(tǒng)處于“遠(yuǎn)程”控制模式時(shí)，通過與PLC相連的觸摸屏設(shè)置供水壓力，靠PLC輸出的4～20mA電流信號(hào)控制變頻器的頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。PLC控制器還可以實(shí)時(shí)采集變頻器和電機(jī)以及其他測(cè)點(diǎn)信號(hào)，通過GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)，值班人員可隨時(shí)了解到換熱站的運(yùn)行狀況并可通過GPRS信號(hào)對(duì)水泵進(jìn)行啟動(dòng)、停止操作或者對(duì)供水壓力重新設(shè)置。不但提升了供熱效果而且操作方便，節(jié)約了人力。采用變頻調(diào)速后，實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)、軟停機(jī)，對(duì)電機(jī)和水泵的沖擊都大大減小，而且由于水泵基本上是在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行，更能使設(shè)備壽命大幅延長。同時(shí)水泵運(yùn)行的振動(dòng)和噪音也明顯降低。

三、變頻調(diào)速在循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用

循環(huán)水泵是供熱系統(tǒng)中最主要的動(dòng)力設(shè)備和耗能設(shè)備，為減少采暖系統(tǒng)的電能損耗，常規(guī)循環(huán)水泵的選擇一般按質(zhì)量-流量優(yōu)化調(diào)節(jié)的分階段改變流量調(diào)節(jié)的方式配備泵組；對(duì)大型采暖系統(tǒng)，可按三個(gè)階段設(shè)置泵組，其流量分別為100%、80%和60%，揚(yáng)程為100%、64%和36%；小型采暖系統(tǒng)，可按兩個(gè)階段設(shè)置泵組，其流量分別按100%和75%，揚(yáng)程為100%和51%；但當(dāng)循環(huán)水泵的設(shè)計(jì)及選型不合理或不符合供熱系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況時(shí)，就需要對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要方法有：

1、改變循環(huán)水泵的開啟臺(tái)數(shù)，這種調(diào)節(jié)方法可以快速而有效地調(diào)節(jié)供熱系統(tǒng)的流量與壓力，但調(diào)節(jié)范圍太大，不能根據(jù)需要進(jìn)行小范圍調(diào)節(jié)，易造成大量的能源損耗；

2、改變循環(huán)水泵出口的調(diào)節(jié)閥門開度，這種調(diào)節(jié)方法可以中小幅度的增加或減小供熱循環(huán)系統(tǒng)的阻力，從而改變循環(huán)水泵的壓頭和流量。但這種調(diào)節(jié)方法中調(diào)節(jié)閥會(huì)引起大量的能量損耗，同時(shí)會(huì)引起循環(huán)水泵工作點(diǎn)的偏移，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成不良影響；

3、改變循環(huán)水泵的出流量。其中對(duì)循環(huán)水泵的變頻調(diào)速時(shí)最優(yōu)方法。

通過流體力學(xué)的基本定律可知：循環(huán)泵屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其n（轉(zhuǎn)速）、Q（流量）、H（壓力）以及P（軸功率）具有如下關(guān)系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。可以看出改變電機(jī)轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)循環(huán)泵的流量的方法，要比采用閥門調(diào)節(jié)更為節(jié)能經(jīng)濟(jì)，設(shè)備運(yùn)行工況也將得到明顯改善。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比，即：n=60f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)），由于s、p對(duì)某一電機(jī)是固定值，因此通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率能達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交-直-交電源變換技術(shù)，集電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。

我公司根據(jù)我市供暖行業(yè)起步晚、根基薄現(xiàn)實(shí)情況，努力引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)、響應(yīng)國家節(jié)能減排號(hào)召，在二級(jí)換熱站建設(shè)上積極推廣循環(huán)泵變頻啟動(dòng)模式，徹底淘汰電機(jī)“星三角”和“自偶降壓”啟動(dòng)，不但節(jié)約了能源而且大大提高了供熱效果；為了保證供暖的穩(wěn)定運(yùn)行同時(shí)也為了節(jié)約資金我們還引入了軟啟動(dòng)器作為變頻器的備用原件，當(dāng)變頻器故障時(shí)可以通過軟起動(dòng)器帶動(dòng)循環(huán)泵啟動(dòng)運(yùn)行；該系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種變頻功能和一種工頻功能。在變頻模式下，手動(dòng)時(shí)，可以人為隨意給定頻率（調(diào)節(jié)范圍一般為20HZ～50HZ），控制循環(huán)泵的輸出流量，調(diào)節(jié)供暖溫度。自動(dòng)時(shí)，變頻器和PLC控制器進(jìn)行通訊，PLC控制器根據(jù)系統(tǒng)供回水壓差及回水溫度傳感器傳上來的信號(hào)進(jìn)行處理，按照供熱要求給變頻器發(fā)出控制指令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)循環(huán)泵輸出流量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。在變頻器出故障時(shí)，可手動(dòng)切換到工頻運(yùn)行，或靠軟啟動(dòng)器啟動(dòng)保證繼續(xù)供暖不停產(chǎn)。

總結(jié)

通過變頻器，改變電機(jī)的供電頻率進(jìn)而改變水泵的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速屬于無轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方法，功率因數(shù)能達(dá)到90%以上，利用變頻器不僅可以直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，而且在變頻的同時(shí)，電源電壓也可以依據(jù)負(fù)載大小相應(yīng)調(diào)節(jié)，利用變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵流量、壓力的調(diào)節(jié)，使供熱系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，操作更為方便、靈活，節(jié)能效果明顯。同時(shí)減少了供熱系統(tǒng)中閥門、管件、換熱器、水泵等設(shè)備的維修量，設(shè)備使用壽命延長，其綜合效益十分顯著。