变频调速控制方式在供热系统中的应用

摘要：在我国能源消耗中，建筑能耗在总能耗中的比例是20%~25%，其中暖通空调的能耗约占建筑能耗的85%，因此供暖系统的运行节能尤为重要。作为耗能主要部分的换热站循环泵电耗已经引起了各供热企业足够的重视，本文主要介绍了采用变频调速控制方式应用于循环水泵节能的方法，并结合大力推行的热计量方式进行设计应用。

关键词：变频调速，换热站，节能

一、基本概况

对于现在常用的热电厂集中供热方式，一次管网将热水从热源送到各换热站，经过换热器热交换后，加热二次管网循环水，再输送至千家万户。在这种间连式供暖方式中，换热站能耗是供暖系统能耗的主体，其主要包括水耗和电耗，而其中电耗占到了总能耗的60%~70%，且大部分为二次网循环泵电能消耗。目前，相当多的循环泵组仍然处于常态工频运行，远没有达到设计使用要求，造成了电能的极大浪费，其原因主要有以下几点：

1、循环泵设计工况和实际运行工况不一致，导致泵不在高效点附近运行，电能浪费严重。

2、为了保证运行的可靠性和稳定性，大部分泵在设计时留有较大余量，致使电机不能在满负荷下运行，多余的力矩增加了电功率消耗，造成电能浪费。

3、热计量和分户调控的施行使得管网水利工况更加复杂，而现在的大部分机组不能根据实际需要来调节泵的出力，也造成了电能的浪费。

二、变频器的节电原理

由流体力学和电机学原理可知，流量Q与转速N的一次方成正比，轴功率P与转速N的立方成正比，当流量减少时，水泵转速下降，泵的轴功率呈立方级大幅度下降。例如当流量降低到原来的80%，转速也降低到80%，则轴功率将下降到额定功率的51%；如果流量降低到50%，功率P可下降到额定功率的13%。由表1可以看出循环泵变频调速的节能效果是十分明显的。

表1

 

变频器还自带软启动功能，防止电机瞬时启动时7~10倍的瞬间启动电流对电网的冲击和对电机的损坏。采用变频启动后，启动电流可从0A稳定升至电机工作电流，节约了电能，也减少了启动惯性对设备的剧烈冲击，延长了设备的使用寿命。

三、换热站系统中的变频调速控制方式

1、变频调速控制设计

以某换热站为例具体说明，该换热站循环水泵共有3台，两用一备。采用一台变频器来控制两台水泵，另一台变频器控制备用泵，实现变频和工频控制功能。通过转换开关，可分别使每台水泵进行变频或工频运行，同时，当变频器故障时可使系统自动切换至工频运行或启

动备用泵变频运行以保证系统恒定压力。

2、变频器控制参数

在二次网供水总管上设置一个压力传感器，压力信号传至控制柜上的PID压力控制仪，控制仪将反馈压力与设定压力数值进行比对，同时输出信号至变频器和PLC可编程序控制器，分别调节变频循环水泵的转速和运行台数，始终使系统保持恒定的供水压力。变频器的运行频率由安装在二次网供、回水管道上的一对压差控制器采集的压差信号与设定值进行比较计算，并输出4~20mA电流或0~10V电压标准信号控制。

3、具体控制和运行方式

当系统用水量比较小时，由变频器启动一台水泵变频运行。如果用水量增大，系统的PLC根据控制器和变频器的输出信号来将原变频运行水泵投入到工频运行，并根据需要启动下一台水泵变频运行作为补充。最多启动两台水泵，一台工频另一台变频运行。相反，当用水量减少时，控制系统依次减小变频和工频运行水泵，直到只剩一台水泵变频运行。如果系统不用水，则为满足系统的正常流量，变频运行在最低频率运行，如果系统停运，则变频泵停止运行。

改造后的系统具有如下功能：

①真正做到用多少供多少，节电降耗，有效的降低单位供热量电耗，大大降低企业生产成本；

②软启动软停止，减少水泵工频启动带来的电网冲击，降低系统的机械损坏；

③系统全自动运行，设备具备故障自诊断、停电自复、变频故障自动复位功能；

④提高自动化运行水平，水泵故障自动切换至下一台水泵变频运行，真正做到无人值守；

⑤故障报警并与监控系统相连，同时向运行调度中心发出相应信号，便于随时监控和及时维修，方便的记录和管理系统内各种故障显示和设定压力、实际压力、运行频率和运行电流等参数，便于推进能耗统计分析和管理。

4、变频控制节能效果

以某换热站内一台11kW循环泵为例，按一个采暖季120天（天津地区供热时间）计算，原工频运行耗电量为31680kWh，变频运行后下降为24390kWh，按用电价格0.76元/ kWh计算，仅一台泵就可节约近5500元，若推及所有换热站及循环泵组，每年节省的生产成本十分可观，并且最多在三个采暖季内即可收回投资成本。

某热电联产供热管网部分换热站节能统计分析如表2所示。

四、变频调速控制在热计量系统中的应用

在现今热计量和分户调控广泛应用的背景下，供热系统变频调速控制在节能降耗方面起到了良好的效果，并得到大力推广。

由于用户调节的随意性和不确定性，管网实际运行工况和流量分配变得更加复杂，旧有的控制方式无法满足实际运行需要，造成了电能和热能的极大浪费。采用变频调速控制方式后，当一个区域（如民用居住建筑为主）内的大部分用户关小温控阀后，其实际所需流量下降，循环泵降低转速变频运行，同时各换热站的实时流量数据上传至运行调度中心监控系统，方便调度人员根据各区域热负荷需求对流量进行再分配。

通过调节各站内一次网电动调节阀开度，使富裕流量分配给需要的区域（如公建或工业生产用户），这部分换热站的循环泵由原来的低速运行变频转入工频或多台泵联合运行，达到了热能的合理分配和有效利用。

五、结论

我国是能源贫乏的国家之一，节能降耗是我们的国策。近年来，经济发展与环境保护之间的矛盾日益突出，阻碍了建设环境友好型、资源节约型社会的进程。因此，我们的政府明确提出推进节能减排，大力发展环保型经济。在全国各城市集中采暖的换热站有成千上万，如果都进行节能改造，节约的电量将不可小视。同时，供热系统运行稳定可靠，实现自动化无人值守，会使供热企业的经济效益和社会效益得到显著的提升。