变频器及自动控制在集中供热工程中的应用

变频器及自动控制在集中供热工程中的应用摘要：本文论述了变频调速控制技术在集中供热系统中的应用情况，并介绍了变频自动控制的工作与节能原理，并对其实际应用情况及社会经济效益进行了分析。

关键词：变频器；自动控制；集中供热；应用；节能效益
一、热力站的作用
热力站的主要作用是根据热力管网的实际情况和用户的不同条件，采用不同的连接方式，将热网输送的供热介质加以调节、转换，向用户系统分配，以满足用户需要，并集中计量、检测供热介质的数量和参数。

二、变频调速原理
三相异步电动机转速满足如下的关系式：
n=(1-s)n0=（1-s）
式中：n为电动机转速r/min；s为电动机运行转差率；n0为同步转速r/min；f1
为电源频率；p为电动机磁极对数。

变频调速是通过改变电机频率f1从而改变同步转速n0来实现调速的。

改变频率f1有两种方式，如图1所示。

1．f1fn时，要保持u1=un机械特性和负载特性如图1（b）所示。

调速前系统工作在固有特性和负载特性的交点a上。

f1改变的瞬间，工作点平移到人为特性上的b点。

由于t>tl，n上升，工作
点沿人为特性b移至新交点c为止，系统重新在比原来高的转速下稳定运行。

可见，fl增加时，转速n随时增加。

(a)f1fn时
图1变频调速
三、集中供热系统中变频的节能原理
变频器广泛应用于热源及热网系统的风机，水泵的控制。

风机泵类负载是变转矩型负载，其负载的阻转矩tl和转速nl的二次方成正比，即tl=klnl2。

式中kl为
二次方率负载的转矩常数。

负载功率pl与转速nl关系式为：pl=ktnl3可得功率消耗与转速的立方成正比。

离心式风机、泵类设备的流量与转速成正比q∝n，压力与转速平方成正比h∝n2，功率与转速的立方成正比p∝n3（q为流量；n 为转速；h为压力；p为功率）。

风机水泵类负载多是根据满负荷工作需用量来选型，实际应用中大部分时间并非满负荷状态。

而压力、流量都有富裕度，即计值偏大，使用时偏小。

由于交流电机调速很困难，人工的调节压力或流量的控制方法，常用挡风板、回流阀或开/停机时间，调节风量或流量，因此大部分的能量都消耗在挡板及阀门上，造成能量浪费。

同时大电机在工频状态下频繁开/停比较困难，电力冲击较大，势必造成电能损耗和开/停机时的电流冲击。

变频器风机泵类专用的一控二功能，可根据反馈量大小自动控制两台电机运行。

首先启动一台电机使之变频运行，当满足输出频率等于或大于上限频率且持续时间达到加泵延时时间设定值或反馈值小于或等于下限值且持续时间达到加泵时间的设定值，则增加另一台电机进行工频运行。

在加泵动作瞬间，对变频电机进行减速处理，可有效平滑加泵时的水压突升。

当满足输出频率等于或下限频率且持续时间达到减泵延时时间设定值，或反馈值大于或等于上限值且持续时间达到减泵延时时间的设定值，则停止正在进行的工频运行的电机。

在减泵动作瞬间，对变频电机进行加速处理，可有效平滑减泵时的水压突降。

经大量实践证明采用变频器直接控制风机、泵类负载是一种最科学的控制方法，当电机在额定转速的80%运行时，理论上其消耗的功率为额定功率的（80%）三次方，即51.2%（去除机械损耗电机铜、铁损等影响）。

节能效率也接近40%，同时可以实现闭环恒压控制，节能效率将进一步提高。

四、变频器在集中供热系统中的应用
在锅炉鼓引风系统中，关键在于保证经济燃烧，即进煤量和进风量的配比问题，如空气量不足造成不完全燃烧，产生一氧化碳，除污染环境外还造成严重的热能损失；反之，空气量过多，将带走大量的热量，造成过剩的空气损失。

如能保证适当的风煤比，就可实现经济燃烧。

现阶段检测手段和设备尚不能方便地测得准确的进煤量和进风量，给自动控制造成一定的难度，但进煤量与炉排转速、煤层厚度存在对应的函数关系，而进风量也与鼓风机的转速存在对应关系，变频器根据锅炉工作的实际需要调节鼓、引风的风量，调解鼓风风量时，引风自动跟踪，使风煤比在整个运行过程中始终保持在最佳或次最佳。

变频器还可设定跳跃频率，可有效避免在风机系统内产生的共振频率带，进一步提高系统的稳定性。

在换热系统中，变频器用于循环系统中可实现软启、软停、调节循环量；用于补水系统中可实现恒压补水。

变频器自动根据输出频率，调解给定值对不同流量下的管路压降进行补偿；当水泵干转或管道泄漏时，变频器发出报警、睡眠停机或其他指令；当变频器即将进入休眠状态时，自动提高运行频率，增加睡眠压力，以换取更长的休眠时间节约能源，还可有效地减轻系统中启、停机对设备的冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，同时降低对电网的容量要求和无功损耗。

变频器在集中供热系统中的应用如图1所示。

图1变频器在换热站中的应用
实践证明，在集中热行业上推广应用变频技术，一般能节电20%～60%投资回收期为1～3年，不仅节能效果显著，而且保护功能齐全，运行平稳，为系统正常供热提供保障。

随着变频技术的不断提高和人们对其认识的不断加深，变频技术必将在集中供热系统中有关更广阔的应用前景。

五、变频设备的特点
变频设备具有以下特点：设备结构紧凑，占地小，特别适用于空间紧凑的空调间；系统整体压力水平较低，压力稳定，系统更加安全；数字显示，压力和温度控制精度高；自动报警和保护功能，可实现远距离监视和控制，拓展功能强，适用范围广；热网监控系统解决了热网运行失调现象，实现了热网平衡运行，大大提高了供热效果；起到了节能降耗的作用，热力站根据室外温度的变化，自动调节供水温度，从而最大限度地节约了能耗，并且提高供热的服务质量；热网监控中心的数据几乎与现场数据保持同步，这是以往热网运行中投入多大的人力及物力都不可能实现的；通过仿真系统对热网进行水力、热力计算，热网的控制运行分析，使热网达到最优化运行，利用故障诊断、能损分析了解管网保温、阻力损失情况，设备的使用效率，使热网的管损达到最小值，以达到最经济运行，通过历史数据和实时数据的比较，分析管网是否存在泄漏，设备是否需要维修，以达到最安全运行。

六、变频技术的节能效益
在热力站的热能交换过程中，一次网热负荷参数的控制是通过站内电磁阀的大小来控制介质的流速，二次网各个参数的控制主要是通过循环泵和补水泵来调节控制。

以往的运行中，循环泵和补水泵多数以工频形式运行，这样既造成电能的大大浪费，同时又影响阀门的寿命。

如果引进变频节电技术，通过改变电机的运转频率，从而改变电机的转动速度来控制水泵的运转速度，即可达到节能的目的。

（一）通过控制循环泵来节能
在常规的运行系统中，循环泵电机长期恒定在额定转速，当需要的温度较低时，常通过调节管道进出口阀门开度或者挡板来调节水流速度，这样就造成了能源在阀体或者挡板上的浪费。

一般来说，水泵类电机为平方转矩负载，轴功率和转速成立方关系，当电机的转速下降时，所消耗的功率也大大下降，所以采用降低电机转速来节能会有很好的效果。

而变频器恰恰可以做到这点，若采用变频技术进行改造，则可以使管网水流量根据需要的压力来自动调节，在保证系统正常运行的情况下，减少了能量损失。

另外还有一点，在通常的设计中，设计电机功率都有一定的余量，要高于其所带负荷，效率达不到100％，如果这个时候改用变频驱动，节能效果会更加明显。

例如：一年的采暖期为五个月，一般热力站的循环泵为二台，按投入电机都为75kw计，24h不间断工作，在工频状态下，频率为50hz，额定电流为150a；而使用变频改造后，频率在30hz～40hz 内，运行电流平均为70a。

消耗电能计算如下：不使用变频在工频状态下，额定功率运转所消耗的电能为：w＝1.732×150×380×24×5×30÷1000＝355406.4（kwh）；采用变频控制后，循环泵电机电压不变，电流变为70a左右，消耗的电能为：w＝1.732×70×380×24×5×30÷1000＝165856.3（kwh）。

由此可知，使用变频比工频每个供暖季节约电能约
189550.1kwh。

按电费按0.6元/kwh计算，每个供暖季，有二台75kw 循环泵的热力站节约电能大约达到189550.1×0.6＝113730（元）左右。

除了以上我们粗略的估算之外，变频启动的时候因为是从0hz 开始慢慢往高走的，这个时候的启动相比工频下的启动，就可以给电机一个缓冲，对电机本身或者管道阀门都起到了一定的保护作用，无形之中减少了对电网的影响，同时也降低了设备的维修率和维护费用，也大大增加了设备的使用寿命。

（二）通过控制补水泵来节能
以上我们谈到的是变频在循环泵上的使用，但热力站除了循环泵，还有一个不可缺少的调节部分——补水泵，补水泵同样可以用变频器来控制，使其补水压力达到一个恒定值。

变频补水系统是通过一个压力变送器来实时监测热力站内二次管网循环泵出口侧的压力，根据实际需要进行设定后，变频器就会根据压力变送器反馈的压力信号来获取管网压力的变化，这样变频器就可通过控制补水泵的启停来控制补水的快慢及量度，从而达到恒压的目的。

七、结语
集中供热系统电能的消耗占到热力站运行能耗的60％，因此，变频调速控制技术在集中供热系统中的应用具有极为显著的经济效益。

集中供热作为一个系统工程，变频调速控制技术在节能方面
发挥的作用，还依赖于集中供热自控系统及温度采集系统。

参考文献
[1]蒋琳琳．变频器及自控系统在集中供暖系统里换热站控制中的应用[j]．科学时代，2010（1）.。