换热站电气部分和变频控制的节能原理

步长锋

[摘 要]本文主要对换热站的电气部分和变频控制进行介绍，重点对换热站循环泵和补水泵电机的变频控制节能效果进行详尽分析，并对变频器的抗干扰问题进行讨论，肯定了变频控制节能的优越性。

[关键词]变频器；电气部分；节能

[中图分类号]TP273 [文献标识码]A [文章编号]1005-6432（2013）6-0027-02

1 引 言

本文首先介绍了变频驱动水泵的节能原理，然后结合集中供热现场的实际情况，设计了一套PLC控制的换热站变频调速自动控制系统用于采暖系统。该系统能自动调节换热站的二次供水设定温度、循环泵的流量及补水泵的补水量。现场运行表明，系统运行可靠、稳定性好、节能效果显著、操作方便、监控及时，整个系统的启动性能也得到了有效地改善。

2 变频驱动供热站节能机理

采用水暖方式的供暖系统中，离心泵是用来传送热水或补充热媒的机械。这些设备都是按最大负荷设计和选型的，而实际运行时，大部分时间轻载运行，负荷并没有达到设计要求，为了保证生产平稳，原来老式换热站都是通常采用阀门控制流量，这样浪费了大量电能。因此在换热站电气节能中，研究循环泵和补水泵的优化运行具有重要的理论意义和实际意义。根据流体力学理论可知，离心水泵的转速与流量、扬程、轴功率之间有如下相似关系：

以上公式说明，当水泵的转速改变时，水泵的流量、扬程和轴功率也随之改变，即流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。由这些关系可知，采用改变转速调节流量可以大大减少轴功率，从而起到降低损耗的作用。从实际统计情况来看，节能效果可达30%～40%。这也是变频调速驱动水泵节能的关键之所在。

3 控制系统设计

3.1 系统整体设计及控制原理

以天福换热站设计为例，站内配置了三台75kW的循环泵和两台2.2kW的补水泵。由于实际热负荷大于设计热负荷和热负荷随气温变化较大，因此需要及时调节供热量。根据供热的实际情况和用户的要求，系统采用质量双调的控制方式，即同时控制换热站的二次供水设定温度、循环泵的流量，其中量调的节能效果最为显著。再者，系统运行过程中，管网失水是不可避免的，因此需要控制补水泵的补水量以保证系统的稳定运行，电气部分的设计都是全部独立运行、PLC程序控制调节流量和电动调节阀调节温度的闭环管理系统。

3.2 二次供水设定温度的控制

由于供热系统的最终目标是保持热用户的室内温度稳定，但由于热用户均没有室温调节装置，且对数以万计的热用户的室温不可能形成闭环控制，为了做到既经济运行又保证供热质量，最有效的方法是控制换热站的二次供水温度。根据稳态条件下，系统的供热量、散热器的散热量及用户的耗热量相等的规律，可以得到稳态条件下二次供水温度：

3.3 循环泵的流量控制

由于换热站循环泵的额定流量和电机功率是按照该换热小区最大供热面积配备的，而实际上大多数换热站的供热面积并非一开始就达到设计能力，而是逐步发展用户增加供热面积；另外，也很难选到恰好符合该管网特性流量和扬程的水泵，这就应调节水泵的流量，以满足不同情况的需要。循环水流量减少太多时会使热用户产生垂直失调，因此循环泵流量变化应遵循一定的规律，这一规律是由供热系统的性质和供热质量的要求决定的。由于热用户室内采暖系统采用的都是上供下回式单管供热系统，从供热理论可知，单管供热系统最佳调节工况应为质和量的综合调节。由式（4）可以看出，随着室外温度tw的变化，不但要及时调整二次供水温度t2g，而且还应相应调整循环水流量g，只有这样热用户室内采暖系统才不会产生垂直失调。而采用变频调速技术控制水泵的流量（变频器的输入由PLC根据室外温度和二次供回水的温度计算给出），无疑是最高效、节能的方法，其节能原理前面已经详细介绍，在此不再赘述。经过计算公式的粗略计算，在循环水泵采用变频变流量调节时，当平均运行流量是设计流量的80%时，节电49%；平均运行流量是设计流量的70%时，节电66%，可见节电效果相当可观。

3.4 补水泵的定压控制

热水供热系统在运行中管网失水是不可避免的，如果不及时补水，不仅会造成管网压力降低，还会使管网及汽—水换热器内的水汽化，造成整个供热系统不能正常运行甚至停止运行。补水泵定压就是通过补水泵间断或不间断地向系统补水，保证供热系统在规定的压力下运行。以往老式换热站的设计方案有两种：一是采用间断性补水，这种系统在热网回水管上安装一块电接点压力表，利用电接点压力表的微动触点开关，根据管网压力的上下限整定值来自动控制补水泵的起、停。这一控制为位式控制，系统压力只能在一区间内波动，补水泵的起、停频繁，在启动的瞬间，会造成管网局部压力突然升高从而造成补水泵误停车，且电动机启动电流一般为其工作电流的7倍左右，极易造成电器元件和设备的损坏；二是采用自力式压力调节阀进行不间断补水。此方法是依靠自力式压力调节阀调节回水管的流量控制补水量，缺点是白白消耗大量能量，而且调节效果要依赖调节阀的质量和使用的好坏。鉴于上述的缺点，本系统采用了变频调速技术，利用恒压供水的原理控制补水泵，此方法是利用压力传感器（压力传感器质量的好坏和安装位置的不同，直接影响系统恒压的实现，通过运行实践发现，压力传感器安装在回水母管直线段最为理想。）在线监测系统压力作为反馈信号传送给PLC，与给定压力值相比较，如低于此值则加大补水流量，反之，则减少流量，如此恰到好处地补充失水量，保证系统压力恒定。在PLC里通过编程实现，此方法的定压误差远小于上述两种方法，节约了电能，且减少了电机启动时大电流对电机定子绕组电动力的作用。

3.5 系统主要功能及软件实现

根据集中供热现场的实际需求，本系统选用ABB 变频器；选用西门子区域供热专用的ACS800控制器，用来控制运行泵和备用泵之间的运行逻辑，改变调节器的参数。并具有可选的通讯模块和带液晶显示的操作面板。编程灵活，功能强大，非常适用于小型控制场合。由于供热系统是一个要求高可靠性的系统，因此本系统还备有手动控制部分，防止自动控制出现故障时系统瘫痪。系统的自动运行由程序控制器来控制，主要实现启动、加泵、减泵、热备、故障自动切换等功能，首先所有泵的启动都采用变频启动，在一台泵工作时，若温度没有达到设定值，而变频器的输出频率已经达到了上限，则自动切换本泵为工频运行，投入第二台泵为变频运行；在两台泵工作时，若温度达到了要求，而变频器的输出频率低于设定频率，则停变频泵，将工频泵投变频运行。其次，系统设置了热备功能（我们没使用），在两台泵都无故障的前提下，一台单独运行8h后，将自动切换另一台泵。最后，故障自切换功能保证了在有备用泵的前提下，在运行泵出现故障时可以自动切换到备用泵，从而防止停泵后水锤对热网设备和用户系统造成破坏。此外系统还具有频率、电流、电压、管网压力、温度等监视功能，压力、温度异常报警及变频器、电机故障报警等功能。

4 变频器电磁干扰问题

变频器在运行过程能产生功率较大的谐波，由于功率较大，成为一个强有力的干扰源，通过辐射、传导等途径，对电网及周围电子设备产生严重影响。切断、消除或削弱耦合路径是控制变频器干扰的主要或几乎唯一的手段，也是变频器在工程应用中的主要抗电磁干扰措施。通常变频器本身有铁壳屏蔽，防止电磁干扰泄漏；输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，采用双芯屏蔽线且尽可能短（一般为20m以内），并与主电路线（AC380V）及控制线（AC220V）完全分离，绝不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。电源线要采用隔离变压器或电源滤波器以避免传导干扰，为减少电动机的电磁噪声和损耗可以配置输出滤波器，欲减少对电源的污染可配置输入滤波器或零序电感。

5 结 论

本文结合集中供热现场的实际情况，利用ABB区域供热专用的PLC控制器为换热站设计了一套变频调速自动控制系统。该系统具有以下突出优点：增加了供热系统的稳定性，提高了供热设施的可靠性、安全性；提高了控制精度，压力控制精度在1%以内，温度控制精度小于5%；实现了电机的软启动，减小了启动电流而使启动平滑无冲击，延长了电机和机械设备寿命，降低了水泵的维修工作量。节约了电能，降低了供热设施的运行费，运行稳定可靠，供热质量高，减轻了工人的劳动强度，经济效益和社会效益明显。