換熱站的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在生活中的應(yīng)用
2013/11/22 9:16:42??????點擊：
換熱站的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在生活中的應(yīng)用
1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)概述
為節(jié)省能源，減少城市污染，在冬季，充分利用火力發(fā)電廠蒸汽輪機發(fā)電后的余熱，可對北方城市集中供熱。這種供熱的過程是，從發(fā)電廠送出來的熱水，到城市中的換熱站經(jīng)過熱交換器后，一次供水熱水溫度從90益左右，下降到60益左右，然后再流回發(fā)電廠。送到城市居民家中的熱水，流過各用戶的熱交換器，在熱交換器中進行熱交換，然后流回?fù)Q熱站，進入換熱站熱交換器的二次回水溫度有50益左右，二次供水溫度60益左右。陜西寶雞有許多這樣的換熱站，大部分換熱站設(shè)備比較簡單，一般由數(shù)臺熱交換器，幾臺泵組成的循環(huán)泵組和一臺補水泵構(gòu)成。
而這些換熱站的循環(huán)泵和補水泵因為采用人工開、關(guān)閥門控制流量，所以使管路的阻尼增大，從而造成電能浪費。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，采用變頻器對老舊換熱站進行技術(shù)改造，實現(xiàn)自動控制已經(jīng)被越來越多的供暖中心所接受。
2 換熱站的變頻調(diào)速控制
陜西寶雞一換熱站由4 臺熱交換器，4 臺37 kW 的管道泵組成的循環(huán)泵組，1 臺3.7 kW的補水泵組成。
陜西寶雞熱力公司在2003 年至2004 年對換熱站實施了自動化改造，循環(huán)泵和補水泵用變頻調(diào)節(jié)，整個供熱系統(tǒng)用計算機進行監(jiān)控，實現(xiàn)了換熱站無人值守。
2.1 補水泵變頻調(diào)速控制
供熱時，熱水通過循環(huán)泵在供熱系統(tǒng)中運行，管道、閥門的泄漏會引起循環(huán)水的水壓降低，如不及時補水，會造成供熱系統(tǒng)運行不正常。補水泵的變頻泵補水方式比較簡單，設(shè)定系統(tǒng)內(nèi)熱水的水壓為0.4 MPa，將壓力變送器安裝在回水主管上，管網(wǎng)上壓力的變化經(jīng)壓力變送器變換為4耀20 mA的信號反饋到變頻器的PI 調(diào)節(jié)器的輸入端。變頻器的給定值設(shè)置為4 kg。當(dāng)供熱系統(tǒng)的壓力低于4 kg時，變頻器的輸出頻率上升開始補水；達到4 kg時，反饋信號與給定信號基本相等，變頻器輸出頻率下降停止補水。本例選用1 臺森蘭變頻器BT12S3.7kW，壓力變送器選用森納斯DG130WBZ-A 1MPa，變頻調(diào)速補水系統(tǒng)如圖1 所示。
2.2 循環(huán)泵的變頻調(diào)速控制
相對于補水泵的控制，對循環(huán)泵的控制要復(fù)雜一些。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，但由于熱用戶沒有室溫調(diào)節(jié)器，且對眾多的熱用戶的室溫不可能形成閉環(huán)控制。為做到經(jīng)濟運行又保證供熱質(zhì)量，最有效的方法是控制換熱站的二次供水溫度。穩(wěn)態(tài)條件下，根據(jù)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，可得到穩(wěn)態(tài)條件下的二次供水溫度。
式（2）為二次供水溫度給定值的計算方法。由式（2）確定的t2g能跟蹤室外溫度tw的變化，使熱用戶室內(nèi)溫度不受tw變化的影響，最終實現(xiàn)穩(wěn)定供熱。
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方式，從供熱理論可知，單管供熱最佳調(diào)節(jié)方式應(yīng)為溫度和流量的綜合調(diào)節(jié)。由式（1）可見，隨著室 外溫度tw的變化，不但要及時地調(diào)整二次供水溫度t2g，還應(yīng)相應(yīng)地調(diào)整循環(huán)水的流量G，避免產(chǎn)生上部室溫嚴(yán)重偏高，下部室溫嚴(yán)重偏低的“垂直失調(diào)”現(xiàn)象。二次供水的水溫與一次供水的溫度和流量有關(guān)，與二次回水流量有關(guān)，還與環(huán)境溫度有關(guān)。一般來說，在這些因素中，一次供水的溫度和流量在換熱站不作調(diào)節(jié)，能夠調(diào)節(jié)的就是循環(huán)水的流量G。二次供水溫度自動化系統(tǒng)的控制策略是，如果二次供水溫度低，循環(huán)水的流量G 增加；反之，如果二次供水溫度高，循環(huán)水的流量G 減少。但這里沒有考慮到環(huán)境溫度變化的影響，如果室外溫度改變，要使室內(nèi)的溫度基本恒定，一種控制策略是用二次進水與回水的溫差來控制循環(huán)泵變頻器的轉(zhuǎn)速，設(shè)定二次進水與回水的溫差為12益。當(dāng)二次進水與回水的溫差躍12益時，循環(huán)泵變頻器加速，循環(huán)水的流量G 增加；當(dāng)二次進水與回水的溫差約12益時，循環(huán)泵變頻器減速，循環(huán)水的流量G 減少。再考慮到循環(huán)水的流量G 較小時，循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速較低，循環(huán)水不能供應(yīng)給最高層的用戶。因此，在溫差控制的基礎(chǔ)上根據(jù)熱用戶所處的高度要求的最低揚程，可以在一定范圍內(nèi)對溫差的目標(biāo)值進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。變頻器調(diào)速的控制信號由自動化系統(tǒng)給出。循環(huán)泵變頻調(diào)速系統(tǒng)圖如圖2 所示。
圖中，BP1 為森蘭BT12S37kW變頻器，BU 為軟起動器（自耦減壓起動器），系統(tǒng)采用循環(huán)投切方式，溫差信號送入PLC，經(jīng)過PLC 處理后，到變頻器作為調(diào)速控制信號。系統(tǒng)啟動時，電機M1變頻調(diào)速，頻率升到50 Hz時，循環(huán)水流量達不到給定要求，則電機M1 投工頻，M2變頻運行；如果循環(huán)水流量仍達不到給定要求，則電機M2投工頻，M3 變頻運行……由于某種原因，循環(huán)水流量超過給定要求，那就停止電機M1，M2……任何時候只有1臺循環(huán)泵電機在變頻運行。若只有1臺電機M3 在變頻運行，循環(huán)水流量達不到給定要求時，則電機M3 投工頻，M4變頻運行；M4 投工頻，M1 變頻運行，又到了初始狀態(tài)。電機M1~M4總是在工頻—變頻之間循環(huán)投切。BU1 用于備用，整個系統(tǒng)的運行信息由PLC 送到計算機上。
3 循環(huán)泵的節(jié)能
換熱站設(shè)計過程中過多考慮建設(shè)前、后長期供熱容量，并考慮長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題，所以使裕量過大。實際上大多數(shù)換熱站的供熱并非一開始就達到設(shè)計的最大容量，而是隨著城市建設(shè)的發(fā)展，供熱的面積逐步達到設(shè)計容量；另一方面，設(shè)計過程中很難準(zhǔn)確地計算出供熱容量，通常總把系統(tǒng)的最大供熱容量作為循環(huán)泵選型的依據(jù)，但循環(huán)泵的系列是有限的，往往是選不到合適的循環(huán)泵型號就往上靠，故而使裕量進一步增大。而在實際操作時，常用閥門進行流量調(diào)節(jié)，這樣就增加了系統(tǒng)的阻力，耗能較大。
循環(huán)泵變頻調(diào)速后，所有的閥門開度最大，系統(tǒng)的阻力最小。根據(jù)用二次進水與回水的溫差和熱用戶所處的高度要求的最低揚程來控制循環(huán)泵變頻器的轉(zhuǎn)速，可大大地減少循環(huán)泵的流量，當(dāng)平均流量是設(shè)計流量的80%時，節(jié)電率可按B12497《三相異步電動機經(jīng)濟運行》強制性國家標(biāo)準(zhǔn)實施監(jiān)督指南中的計算公式計算。節(jié)約電能的效益十分可觀。
4 結(jié)語
我國是能源貧乏的國家之一，節(jié)能降耗是我們的國策。在全國各城市中集中取暖的換熱站成千上萬，如果都進行節(jié)能改造，節(jié)約的電量不可小視。而且，既可使系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，又實現(xiàn)了無人值守，經(jīng)濟效益和社會效益明顯。
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