變頻器在換熱站的應(yīng)用

0 引言

中國是能耗大國，能源利用率卻非常低，而能源儲備又明顯不足。我國北方大部分地區(qū)冬季時間長，為保障居民的正常取暖，相應(yīng)供暖期就比較長，部分地區(qū)一年當(dāng)中有一半以上的時間都需要供暖，供暖行業(yè)已經(jīng)成為一個能源消耗巨大的行業(yè)。這樣，在保障居民正常取暖的前提下，如何響應(yīng)國家的要求，最大限度地節(jié)能降耗，已經(jīng)成為眾多同仁不懈的追求。

1 換熱站運行情況

現(xiàn)在，為了節(jié)能和環(huán)保的目的，我國北方地區(qū)已經(jīng)或者正在推行集中供暖，由集中供暖中心將從鍋爐制熱后的熱源通過一次循環(huán)水泵在一次管網(wǎng)中循環(huán)，而換熱站的作用則是將一次管網(wǎng)中的熱源通過板式換熱器，使二次管網(wǎng)制熱，利用二次或三次管網(wǎng)向最終用戶供暖。換熱站供暖示意圖如圖1所示。

由于一些歷史原因，大部分的換熱站都是利用小區(qū)內(nèi)原有的供暖中心改建或擴建而成，依舊沿用陳舊的人工控制方式，個別地方還一直在使用20 世紀(jì)50~60年代的設(shè)備，換熱站的主要耗能設(shè)備———循環(huán)水泵大部分采用星角轉(zhuǎn)換啟動方式，只有部分新建換熱站采用變頻控制方式，而采用智能化變頻節(jié)能運行的換熱站就更是少之又少了。因此，能源浪費嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在：

1)循環(huán)水泵的啟動/停止、運轉(zhuǎn)，完全沒有量化，這樣由于人為因素產(chǎn)生大量不必要的浪費是必然的;

2)由于循環(huán)水泵沒有采用變頻控制方式，所以，其一旦運轉(zhuǎn)將是滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)，而換熱站循環(huán)水泵的電機容量是為了滿足極限運行情況而設(shè)計的，實際余量很大，這樣不但管網(wǎng)持續(xù)承受高壓，增加了管網(wǎng)的維修工作量，而且無形之中又帶來了大量的電能和熱能浪費。

然而可喜的是大部分新建的或在建的供暖中心、換熱中心都已經(jīng)開始考慮了自動控制，至少都預(yù)留自動控制接口，而且變頻節(jié)能技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地接受了。

圖1 換熱站供暖示意圖

2 智能變頻節(jié)能改造方案

由于中國北方地區(qū)地域遼闊，各地區(qū)冬季平均氣溫差別較大，對于整個供暖系統(tǒng)的要求也不盡相同，但大體運行情況還是一致的。現(xiàn)在以某地區(qū)為例，要求一次管網(wǎng)的溫度要高于35益，居民室內(nèi)溫度不得低于18益。以此地區(qū)一個換熱面積為30 萬m2的中型換熱站為例，站內(nèi)配有2臺55 kW循環(huán)水泵(一用一備)，7.5 kW補水泵及其他相關(guān)管網(wǎng)設(shè)備，以及完成智能化變頻控制所需設(shè)備，包括溫度變送器、電動調(diào)節(jié)閥、差壓控制器、DANFOSS 氣候補償儀、室外傳感器、壓力變送器，PLC、DANFOSS變頻器。具體安裝位置如圖2所示。

2.1 智能化變頻節(jié)能功能的實現(xiàn)

1)差壓控制器在一次管網(wǎng)近換熱器側(cè)安裝差壓控制器，用來控制一次管網(wǎng)的供水量和回水量維持在一個正常壓力差范圍內(nèi)，保障二次管網(wǎng)所需的換熱量。

2)氣候補償儀和電動調(diào)節(jié)閥氣候補償儀將采集到的室外溫度、回水溫度和供水溫度等3個溫度值，作為變量通過內(nèi)部計算，自動控制電動調(diào)節(jié)閥的開啟角度，以使得一次供水量可以根據(jù)室外的溫度變化而變化，當(dāng)外界氣溫升高時將相應(yīng)減小閥門的開啟角度，當(dāng)外界氣溫降低時將相應(yīng)增大閥門的開啟角度，以最大限度地減小供熱中心的供熱量，最大限度地節(jié)能降耗。

3)二次管網(wǎng)的循環(huán)水泵控制當(dāng)在一次管網(wǎng)的回水端加裝的溫度變送器檢測到溫度高于35益(此值為系統(tǒng)設(shè)定值，各地的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，所設(shè)的溫度值也不盡相同)時，系統(tǒng)認(rèn)為換熱站已經(jīng)具備工作條件，由PLC 向變頻器發(fā)出啟動信號，而在二次管網(wǎng)供水、回水端的壓力變送器將兩壓力值都反饋到循環(huán)泵變頻器中，由變頻器完成差壓計算并根據(jù)二次管網(wǎng)的設(shè)定的壓力差自動控制循環(huán)水泵啟動及轉(zhuǎn)速;當(dāng)溫度低于30益時，系統(tǒng)認(rèn)為換熱站不具備工作條件，由PLC向變頻器發(fā)出停止指令，自動控制循環(huán)水泵停止。

4)二次管網(wǎng)的恒壓補水控制在二次管網(wǎng)的回水端距離水泵3~5 m的位置安裝的壓力變送器，用來檢測二次管網(wǎng)回水的壓力，并將實時壓力值反饋給補水變頻器，由變頻器控制補水泵的轉(zhuǎn)速，維持二次管網(wǎng)內(nèi)正常恒定的壓力，并且在二次管網(wǎng)上加裝了電磁閥，當(dāng)管網(wǎng)中液體受熱膨脹超出臨界壓力時，由變頻器控制電磁閥動作實現(xiàn)超壓泄水。同時，考慮到極端情況———二次供水管網(wǎng)產(chǎn)生爆管的嚴(yán)重事故，變頻器將根據(jù)內(nèi)部所設(shè)的反饋壓力下限實時與管網(wǎng)壓力進行比較，如果反饋壓力持續(xù)低于反饋下限10 min，變頻器將認(rèn)為發(fā)生了爆管事故，會發(fā)出一個開關(guān)量信號，控制補水，循環(huán)水泵停止工作并產(chǎn)生報警信號。

5)PLC PLC 與氣候補償儀和變頻器可以通過RS485 完成串行通訊，具體通訊協(xié)議可根據(jù)設(shè)備進行選擇，完成對氣候補償儀、循環(huán)水泵和補水泵等換熱站設(shè)備和運行狀況的監(jiān)控，并通過以太網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

2.2 一些需要注意的事項

1)由于本系統(tǒng)智能化程度較高，采用了大量的傳感器、變送器，及其他相關(guān)儀器儀表，眾所周知，變頻器在工作過程中將不可避免地產(chǎn)生大量的電磁干擾和對電網(wǎng)的諧波污染，嚴(yán)重的情況下這些噪音將使整個系統(tǒng)癱瘓。基于以上原因，所有儀器儀表的信號傳輸最好選用滿足EMC要求的電纜，變頻器最好選用內(nèi)置RFI 濾波器，直流電抗器，全金屬封裝的，并且在建站時預(yù)留專用接地線，所有設(shè)備要完全可靠地接地。

2)循環(huán)水泵的啟動最好由星角轉(zhuǎn)換啟動方式改為變頻軟啟動，以實現(xiàn)無級調(diào)速，減少啟動過程對電網(wǎng)和機械設(shè)備的沖擊。

3)系統(tǒng)所選用的DANFOSS 變頻器，具備雙通道PID調(diào)節(jié)功能，可以將兩個壓力信號同時反饋以完成差壓計算，如選用其他品牌變頻器需加裝壓差變送器，以完成類似功能。

4)系統(tǒng)所選用的DANFOSS 變頻器，具備壓力反饋上限和反饋下限延時報警功能，如在實際應(yīng)用中所選用的變頻器無此功能，可在PLC 中增加相應(yīng)的模擬輸入點，以完成類似的功能。

5)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備應(yīng)具備在自動控制和手動控制之間進行相互切換的功能，以利于換熱站的檢修或維護工作，以及在自控系統(tǒng)癱瘓的情況下保證居民的正常供暖。

3 預(yù)計節(jié)能效果

以某換熱站為例，其預(yù)計改造成本如下：

注：以上電纜及元件的費用，可根據(jù)實際情況增減。

根據(jù)以上所述，以2臺55 kW循環(huán)泵、2臺7.5 kW補水水泵共同運行時間為3 個月，交替循環(huán)運行時間為3個月，每天運行12 h，電費按1 元/kW·h 計算(以下計算為理論值)，則改造前一年的用電量為[2(55+7.5)+(55+7.5)]伊3伊30伊12=178 500 kW·h折合電費為178 500元。

改造后保守估計一年的電費將至少節(jié)省30豫~40豫，即可節(jié)省53 550 元~71 400 元，也就是說一年的時間就可以收回全部投資成本，而一年以后節(jié)約的電費便成為了企業(yè)經(jīng)濟效益的提高。

4 結(jié)語

通過以上分析和計算，可以看到一個小小的換熱站，通過技術(shù)改造，實現(xiàn)自動變頻控制后，其節(jié)能效果是非?？捎^的。