換熱站的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

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　　1 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，然后流回換熱站，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。目前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

　　現(xiàn)舉例有一換熱站由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。

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　　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。

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　　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)生上部室溫嚴重偏高，下部室溫嚴重偏低的“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)對溫差的目標值進行適當?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。

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　　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。