分布變頻技術在無人值守熱力站中的應用

王凱，孟凡月，田雷

（山東鼎超熱電設計有限公司，山東 濟南 250100）

分布變頻技術在無人值守熱力站中的應用

王凱，孟凡月，田雷

（山東鼎超熱電設計有限公司，山東 濟南 250100）

城市集中供暖已成為我國熱網節能改造的主要發展趨勢，將分布變頻技術應用在無人值守熱力站中，具有節約電能、運行成本低、運行安全系數高的特點。

無人值守熱力站；分布變頻泵;節能；應用

合理利用能源和減少污染是國家經濟發展過程中所面臨的重大課題，目前，節能減排已被國家提高到了前所未有的新高度。我國目前熱網能效在30%左右，遠低于國外先進國家。熱力站是熱網的熱交換樞紐，它的作用舉足輕重，將分布變頻技術應用在無人值守熱力站中，以熱力站為出發點實現整個熱網節能減排的目的。

1 傳統的供熱模式簡述

在傳統的供熱模式中，一個總的循環泵被設置在熱源處，通過這個總的循環泵實現熱源、熱力管網以及熱力用戶之間的水力循環功能，依據一次網的總流量以及最不利環路的阻力來選擇循環泵的流量、揚程以及功率，采用調節閥或電動閥消耗水泵多余的用戶壓頭。傳統供熱系統流程圖如圖1所示。

圖1 傳統供熱系統流程圖

傳統供熱模式易形成冷熱不均現象,主要原因是供熱系統末端用戶循環壓力不足。要想改善末端用戶的供熱效果,就需要提升末端用戶實現供熱循環所需壓力。傳統方式一般采用提升循環泵的揚程或在末端用戶附近安裝增壓循環泵,這種方式會使整個供熱系統的循環流量大大增加。采用調節閥消耗多余的壓頭,一部分動力實際上被無功消耗，進而形成大流量、小溫差、大能耗、大熱源、低產出的運行方式。

（1）大電耗：流量增加1倍，電耗增加8倍。根據目前的實際工程，供熱系統輸送動力的電耗約為0.35w/m2。折合成熱耗量，電耗占熱耗的2.5%。若供熱系統循環流量提高1.4倍，則電耗占熱耗升為6.9%；若循環流量增加到一倍，電耗占熱耗的比例上升為20%，顯然是難以承受的。

（2）大熱耗：在冷熱不均的情況下，近端過熱開窗戶，末端不熱，采取別的熱源補充，里外都是熱量浪費；當增大循環流量受到限制時，為改善末端供熱效果，常常采取提高供水溫度的做法，此時，所有熱用戶室溫普遍提高，將會造成更大的浪費。這種熱量浪費通常情況下，都在20%～30%之間。

2 分布式變頻泵技術基本原理及優勢

2.1 分布式變頻泵技術基本原理

分布式變頻泵技術基本原理為：在熱源處的總循環泵只承擔熱源側內部的循環動力。在熱力站內設置分布變頻泵，利用分布在熱力站內的分布變頻泵取代一次網上的調節閥，由分布式變頻泵提供必要的資用壓頭代替原來調節閥上消耗多余的資用壓頭。由熱力站內的PLC控制器進行PID調節，以實現按需取熱。分布式變頻泵技術基本原理如圖2所示。

圖2 分布式變頻泵技術基本原理

分布輸配系統只有最大程度上降低一次網循環流量，提高熱力輸送效率，才能較好地實現節能的目的。用最小的能耗，輸送最多的熱量。

“用泵代閥”是分布輸配系統最大的特點，通過變頻器調節循環泵的轉速，從而調節各個熱力用戶供熱流量，而不是通過電動執行器調節閥門開度，實現節流式調節供熱流量。使用分布變頻泵調節供熱流量可以達到全自動無人值守控制，不存在節流能量損失，而且調節精度更高更準，是無級變速調節。對二次網側的溫度進行檢測和分析,由PLC計算出最佳供水溫度,通過循環泵變頻調節一次網側循環流量,使得二次網側的供水溫度接近于計算的最佳供水溫度,在滿足用戶供熱需求的前提下，以供回水溫差為依據設定值PID智能控制分布式變頻泵頻率，保證供熱質量，做到經濟運行，保證最佳工況。

采用集中變壓變流量調節，減少循環流量，降低電能損耗，改善了熱力工況，消除了冷熱不均，節熱也更加明顯；節省了電動調節閥及有關的其它流量調節閥；減去了昂貴的流量計。采用分布式變頻泵的無人值守熱力站供熱流程見圖3。

圖3 采用分布式變頻泵的無人值守熱力站供熱流程圖

在無人值守熱力站中應用分布式變頻泵技術的設計思想，將在熱源處的總循環泵的功能單一化，在熱力站設置一級分布式變頻泵I。再在熱力站分單元或用戶組設置二級分布式變頻泵II。其原則是盡量少設置沿途加壓泵，多在熱力站設置分布變頻泵。通過技術經濟比較分析來確定工程設計具體的方案。一般來說，在管網上設置增壓泵要比在熱力站內設置分布變頻泵費用高。采用分布變頻泵系統，循環泵的裝機總容量明顯降低，且變頻變流量調節，其運行能耗可節電大約50%。當一次網側供回水溫差為約50℃時，循環流量約為1.3kg/ m2·h；回水溫度降低時，供回水溫差加大,流量應在0.6～1.3kg/m2·h變化。一次網和二次網都使用分布變頻泵的調節方式時，二次網側的供水溫度通過一次網側分布變頻泵的轉速調節；二次網側的循環流量通過二次網側的分布變頻泵的轉速調節。這樣，通過調節一、二次網的分布變頻泵的轉速，就可以同時調節二次網側的供熱流量和供水溫度，調節更加方便準確。

根據熱量計算公式: Q=C×M×()可得,熱力用戶要想獲得相同的供熱量Q,其供熱的供回水溫差ΔT=是與其供熱循環量M成反比的。分布變頻泵供熱系統一般采用定零壓差點控制方式。典型的分布式變頻泵供熱系統控制策略如圖4所示。

分布變頻供熱系統中變頻泵的數量雖然多了，但每個泵的電耗卻大大減小了。根據資料統計，分布變頻的供熱系統比傳統供熱系統節電25%～30%左右。在無人值守熱力站中應用分布式變頻泵技術，運行費用大大降低，無功調節損耗大大減小。分布式變頻泵技術可以改善供熱系統負荷不均和負荷波動對整個熱網運行的影響,而且基本沒有節流能量損失。

濟南某供熱片區對熱力站進行了分布變頻的無人值守熱力站技術改造,技改效果良好,單位能耗大大降低，耗能從2.89KW·h/m2降低到1.93KW·h/m2。

2.2 采用分布式變頻泵技術優勢

分布式變頻泵技術在無人值守熱力站應用的優勢主要體現在以下方面：

（1）可實現按用戶需求供熱。采用分布式變頻技術的供熱系統，在熱力站分別設置一級分布式變頻泵I，通過變頻調速泵代替電動調節閥，有效地實現“用泵代閥”，能夠根據天氣溫度的變化對變頻泵的頻率進行PID智能調節，通過改變一次網側的供熱流量，對二次網側的供熱溫度進行精確控制，有效的節約能源，減少排放。

（2）改善水力失調問題。分布式變頻泵采用了PID調節自動控制，能夠有效提高一次網側供水溫度，增大供回水水溫差，減少一次供回水水流量，能夠有效降低一次側水壓降，確保供熱系統遠端自用壓頭，從而有效改善了各熱力站之間的水力失調平衡問題。

（3）供熱系統更加安全。在熱力站設置一級分布變頻泵I，熱源處主循環泵只承擔熱源內部的水循環工作，對主循環泵揚程要求相對較低，有效降低了供熱熱源處的承受壓力，提升了供熱系統的安全性。同時，如果熱源處發生停電時，依靠各未停電熱力站的分布變頻泵提供的動力進行流動，確保了整個供熱循環系統的安全運行。

（4）在很大程度上改善了最遠端用戶的供熱質量。供熱半徑過大會使得供熱管道阻力增大、流速降低、熱水流量不足，供熱管道溫度損失相對較大，直接影響最遠端回路用戶的供熱質量。在熱力站設置分布式變頻泵，克服管道阻力，能夠有效加快流量循環，降低供熱管道熱損失，大大提高最遠端最不利環路的供熱質量。

（5）能夠自動調節水力平衡點。在熱力站內設置分布變頻泵，能夠實現自動調節水力平衡點，保障水力平衡點周圍的用戶的供熱質量。

圖4 典型的分布式變頻泵供熱系統控制策略圖

3 結語

在無人值守熱力站中應用分布式變頻泵技術，實施節能措施改造，同時利用基于HMI、PLC、分布變頻以及GPRS通訊技術的自動智能型無人值守換熱站，可以有效的解決水利失調現象，流量調節更加平穩，消除”近熱遠冷”；根據供熱條件精確自動調節，用戶按需供熱，提升供熱安全和效率，自行平衡水力平衡點，改善供熱質量，節能減排，改變了不合理的小溫差大流量的傳統供熱運行方式。在熱力站節能改造過程中，具有實用性和推廣使用價值。

參考資料：

[1]石兆玉. 供熱系統運行調節與控制[M]. 清華大學出版社, 1994.

[2]張偉,馬志剛.分布式變頻泵技術在集中供熱中的應用[J].區域供熱,2014,(4):88-90.

[3]潘軍華,陳亮.實例淺析分布式變頻泵系統方案在城市集中供熱中的應用[J].區域供熱,2014,(1):58-63,7.

[4]謝維. 節能型無人值守換熱站的智能控制系統[J]. 計算機測量與控制，2011(07).

TU995

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1671-0711（2017）06（下）-0101-03