基于電機(jī)變頻調(diào)速的供暖系統(tǒng)補(bǔ)水泵恒壓設(shè)計(jì)

楊振元(新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830021）

傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)由恒速泵加壓進(jìn)行供水，供暖系統(tǒng)電機(jī)為了能夠適應(yīng)供水量的變化，在供暖系統(tǒng)運(yùn)行中需要頻繁的開啟與關(guān)閉水泵。這在很大程度上減少了水泵電機(jī)的使用壽命以及工作效率、質(zhì)量，水泵電機(jī)的頻繁啟動(dòng)與關(guān)閉還會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，造成電力設(shè)備出現(xiàn)故障。傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)水泵主要是根據(jù)高出實(shí)際用水高度的壓力進(jìn)行水壓提升，導(dǎo)致水泵能量損耗與軸功率出現(xiàn)一些不必要的浪費(fèi)。本文通過PLC控制電路，對換熱站補(bǔ)水泵自動(dòng)恒壓系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。換熱站補(bǔ)水泵自動(dòng)恒壓系統(tǒng)包括三個(gè)部分，即電控設(shè)備、變頻器和供水控制器。

1 供暖系統(tǒng)補(bǔ)水泵二次回水自動(dòng)恒壓的分析

供暖系統(tǒng)在運(yùn)行過程中必須保持二次回水壓力處于恒定狀態(tài)，因?yàn)槎位厮畨毫Φ暮愣ㄊ枪┡到y(tǒng)正常運(yùn)行的前提。供暖系統(tǒng)運(yùn)行中，為了有效地防止供暖系統(tǒng)出現(xiàn)倒吸入空氣的狀況，供暖系統(tǒng)回水管中的水壓高度要超過用戶端的充水高度，這樣能夠有效防止管道出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。供熱系統(tǒng)中熱水通過循環(huán)泵運(yùn)行。熱水經(jīng)過循環(huán)泵過程中，如果閥門、管道出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，會(huì)對循環(huán)水的水壓產(chǎn)生嚴(yán)重影響，需要立即使用補(bǔ)水泵在供暖管網(wǎng)中進(jìn)行補(bǔ)水操作，只有這樣才能夠保證供暖系統(tǒng)處于正常的運(yùn)行狀態(tài)［4］。

為了維持供暖系統(tǒng)二次回水壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)，需要根據(jù)供水系統(tǒng)中設(shè)定的壓力值，通過補(bǔ)水泵對輸出頻率進(jìn)行合理的調(diào)整［5］。壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)將供暖系統(tǒng)中存在的熱水水壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)，傳輸?shù)絇LC中，通過PLC對這一反饋信號(hào)與供暖系統(tǒng)中給定的壓力值信號(hào)進(jìn)行比較，然后對供暖系統(tǒng)中所需的補(bǔ)水量進(jìn)行判斷，并且還要將相應(yīng)的操作指令傳輸?shù)阶冾l控制柜中。變頻控制柜在接收到操作指令之后，利用變頻器對速度、頻率進(jìn)行適當(dāng)修改，以此對供暖系統(tǒng)中的補(bǔ)水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，有效地改變供暖系統(tǒng)中的補(bǔ)水量，使供暖系統(tǒng)恒壓點(diǎn)壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖1所示為供暖系統(tǒng)中補(bǔ)水泵變頻恒壓的整體流程。

圖1 供暖系統(tǒng)中補(bǔ)水泵變頻恒壓的流程圖

根據(jù)換熱站的實(shí)際運(yùn)行狀況，如果供暖系統(tǒng)中的熱水給定水壓的穩(wěn)定值為W MPa，那么壓力傳感器在供暖系統(tǒng)回水主管中轉(zhuǎn)換的水壓值在10W mA～50W mA，然后將這一水壓轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)，傳輸?shù)絇LC的輸入端中。將PLC中的給定值設(shè)定為10W kg，當(dāng)供暖系統(tǒng)中的熱水水壓值沒有超過10W kg時(shí)，PLC的輸出操作指令就會(huì)提升變頻器中的輸出頻率，這時(shí)供暖系統(tǒng)中的回水主管開始進(jìn)行補(bǔ)水操作;當(dāng)供暖系統(tǒng)中的熱水水壓值處于10W kg或者高于10W kg時(shí)，PLC中的反饋信號(hào)與給定信號(hào)之間基本上就處于一致的狀態(tài)，PLC的輸出操作指令就會(huì)降低變頻器中的輸出頻率，這時(shí)供暖系統(tǒng)中的回水主管就會(huì)停止補(bǔ)水操作。供暖系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過對補(bǔ)水量進(jìn)行合理的控制，能夠有效保證供暖系統(tǒng)回水壓力處于恒定狀態(tài)。

2 設(shè)計(jì)供暖系統(tǒng)補(bǔ)水泵的變頻恒壓電路

圖2所示為供暖系統(tǒng)補(bǔ)水泵的扁平恒壓電路。供暖系統(tǒng)主要由一臺(tái)ACS550型號(hào)的變頻器、一臺(tái)斷路器、一臺(tái)壓力傳感器、一臺(tái)熱繼電器、三臺(tái)水泵以及一臺(tái)S7－200型號(hào)的可編程邏輯控制器等系列設(shè)備組成。QF5為變頻器斷路器，QF4、QF3、QF2為水泵工頻運(yùn)行斷路器，QF1為主電路斷路器;FR3是用于控制M3過載保護(hù)的熱繼電器，F(xiàn)R2是用于控制M2過載保護(hù)的熱繼電器，F(xiàn)R1是用于控制M1過載保護(hù)的熱繼電器;KM11控制3號(hào)水泵工頻運(yùn)行，KM7控制2號(hào)水泵工頻運(yùn)行，KM3控制1號(hào)水泵工頻運(yùn)行;KM12控制3號(hào)水泵變頻運(yùn)行，KM8控制2號(hào)水泵變頻運(yùn)行，KM4控制1號(hào)水泵變頻運(yùn)行;M3、M2、M1均代表水泵。QZB代表自耦減壓變壓器，F(xiàn)VVV代表變頻器。

3 設(shè)計(jì)供暖系統(tǒng)補(bǔ)水泵的變頻調(diào)節(jié)程序

供暖系統(tǒng)中變頻恒壓供水控制系統(tǒng)要按照檢測過程中獲取的輸入信號(hào)狀態(tài)，根據(jù)圖1中顯示的變頻恒壓控制流程，利用變頻調(diào)速器以及相關(guān)的應(yīng)用元件來維持補(bǔ)水泵的恒壓供水狀態(tài)，通過補(bǔ)水泵變頻調(diào)速定壓技術(shù)對熱水供暖系統(tǒng)進(jìn)行控制。

(1)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)在通電過程中接收到相關(guān)有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中的變頻器會(huì)啟動(dòng)，對調(diào)速水泵進(jìn)行拖動(dòng);利用恒壓控制器，按照用戶管網(wǎng)中設(shè)定壓力與實(shí)際壓力之間的誤差，對變頻器中的輸出頻率進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。當(dāng)設(shè)定值與輸出壓力相等、用水量與供水量處于一致狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速處于穩(wěn)定。

(2)當(dāng)供暖系統(tǒng)中補(bǔ)水泵的水壓減小、用水量增加時(shí)通過恒壓控制器與壓力閉環(huán)，能夠增加供暖系統(tǒng)補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速，將水泵的轉(zhuǎn)速提升到另一個(gè)穩(wěn)定值;當(dāng)供暖系統(tǒng)中補(bǔ)水泵的水壓增大、用水量減小時(shí)，供暖系統(tǒng)中水泵轉(zhuǎn)速會(huì)減小。

(3)當(dāng)供暖系統(tǒng)中補(bǔ)水泵的用水量繼續(xù)呈現(xiàn)增加趨勢，變頻的最大頻率達(dá)到50 Hz，如果用戶管網(wǎng)中的實(shí)際壓力沒有達(dá)到設(shè)定中的壓力值，而且供暖系統(tǒng)中有備用的水泵時(shí)，變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中的水泵將由變頻運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl運(yùn)行狀態(tài);同時(shí)，為了能夠有效滿足用戶對于用水量的需求，在變頻恒壓供水控制系統(tǒng)對泵進(jìn)行切換，將另一臺(tái)泵作為變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中的變頻啟動(dòng)泵，直至用戶管網(wǎng)中的實(shí)際壓力達(dá)到設(shè)定中的壓力值。

(4)如果供暖系統(tǒng)中補(bǔ)水泵的用水量還是處于持續(xù)增加的態(tài)勢，那么就在變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中更換新的水泵，將變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中的水泵由變頻運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中的最后水泵處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，用戶管網(wǎng)中的實(shí)際壓力還沒有達(dá)到設(shè)定中的壓力值，變頻恒壓供水控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的水壓超限警報(bào)。

(5)如果變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中的水壓逐漸升高，而水量呈現(xiàn)下降狀態(tài)，變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中變頻的輸出頻率應(yīng)當(dāng)最大限度的降低。若用戶管網(wǎng)中的實(shí)際水平高于設(shè)定中的水壓值時(shí)，在合理減少水泵的前提下，關(guān)閉變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中的變頻水泵，令其中一臺(tái)水泵進(jìn)行變頻運(yùn)行，直到用戶管網(wǎng)中的實(shí)際壓力值重新達(dá)到設(shè)定的水壓值為止。

4 電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)在供暖系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢

(1)防止供暖系統(tǒng)中積氣現(xiàn)象的出現(xiàn)

由于壓力處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，定壓點(diǎn)中的壓力保持在一個(gè)恒定值，供暖系統(tǒng)不會(huì)受到壓力波動(dòng)的影響，可以避免供暖系統(tǒng)中出現(xiàn)積氣現(xiàn)象。

(2)增加了電機(jī)的使用壽命，保持管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定

應(yīng)用電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)有效解決了供暖系統(tǒng)在運(yùn)行過程中補(bǔ)水泵頻繁開啟與關(guān)閉造成的一系列問題。供暖系統(tǒng)在應(yīng)用變頻調(diào)速之后，水泵電機(jī)中的無極變速方式將由0逐漸向最大額定值50 Hz進(jìn)行轉(zhuǎn)變，所以電流的增長處于一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)，能夠有效解決補(bǔ)水泵頻繁開啟與關(guān)閉縮短電機(jī)使用壽命以及影響管網(wǎng)壓力穩(wěn)定等問題。

(3)運(yùn)行管理更加方便、快捷

變頻調(diào)速供暖系統(tǒng)的運(yùn)行管理更加便捷。當(dāng)變頻調(diào)速供暖系統(tǒng)水泵電機(jī)中的實(shí)際壓力值達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)，在低于設(shè)定中的壓力值時(shí)能夠自動(dòng)開機(jī)運(yùn)行，不需要專門人員對其進(jìn)行開啟與關(guān)閉，也不會(huì)由于操作人員的判斷錯(cuò)誤導(dǎo)致供暖系統(tǒng)中的壓力值降低或者升高，防止供暖系統(tǒng)中出現(xiàn)缺水、超壓現(xiàn)象造成相關(guān)的安全事故，在一定程度上完善了電器控制保護(hù)功能。變頻調(diào)速系統(tǒng)的操作非常簡單，設(shè)備占地面積較小，設(shè)計(jì)布置也非常方便。

5 結(jié)束語

電機(jī)變頻調(diào)速的供暖系統(tǒng)補(bǔ)水泵恒壓設(shè)計(jì)，主要是變頻調(diào)速水泵的電機(jī)由零轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)一種無級(jí)變速的狀態(tài)，然后逐漸向工頻轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變，運(yùn)行處于平穩(wěn)的狀態(tài)，不僅有效減少了水泵電機(jī)在運(yùn)行過程中啟動(dòng)與關(guān)閉的次數(shù)，減少了水泵電機(jī)對電網(wǎng)造成的影響，而且還在很大程度上增加了供暖系統(tǒng)中電機(jī)的使用壽命［2］。變頻調(diào)速系統(tǒng)在很大程度上降低了噪聲，有效改善了換熱站中的運(yùn)行環(huán)境，提高了附近居民的生活質(zhì)量，具備良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。換熱站補(bǔ)水泵自動(dòng)恒壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)相比較而言，不僅提升了電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性與補(bǔ)水泵的工作效率，而且還降低了所需的供水功率，對確保城市供暖穩(wěn)定，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著十分重要的意義。

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