基于分布式變頻調速技術的供熱系統(tǒng)的設計與分析

張旭昇

（太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原 030001）

引言

在供暖系統(tǒng)的控制中，隨著變頻技術的發(fā)展應用，采用變頻器改變電機的轉速可以極大地改善能源消耗，是促進供熱系統(tǒng)進行節(jié)能減排的重要手段[1]。將變頻技術應用于供熱系統(tǒng)中，可以依據熱負荷的變化，調整鍋爐的運轉，對熱量的產生進行自動化控制[2]。供熱系統(tǒng)中的循環(huán)循環(huán)泵，是重要的耗能設備，傳統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng)對于循環(huán)泵的性能及能耗要求比較高，而采用分布式的變頻技術，可以改善循環(huán)泵的布置及使用，減少能源的消耗，并提高供熱系統(tǒng)的自動化控制水平，這對于供熱系統(tǒng)的節(jié)能減排及擴大應用具有重要的意義。

1 分布式變頻調速加壓泵系統(tǒng)設計

變頻器是通過對電機進行變頻調速的控制設備，采用變頻器對循環(huán)泵的轉速控制可以實現(xiàn)機械的節(jié)能使用。傳統(tǒng)的集中式供熱系統(tǒng)的結構如圖1所示，在供熱系統(tǒng)的運行過程中，循環(huán)泵提供的揚程要克服系統(tǒng)的管網阻力運行[3]。總循環(huán)泵對換熱站進行輸送熱介質，要保證熱介質具有足夠的壓力，保證最不利換熱站的資源消耗。集中式供熱系統(tǒng)循環(huán)泵總的揚程大，對鍋爐等設備的質量要求要高，存在一定的安全隱患，并且多余的壓力采用節(jié)流閥的方式進行抵消，增加了管網的無效能耗。在進行遠距離輸送供熱時，在末端增加循環(huán)泵的轉速，造成系統(tǒng)的流量增加，使得系統(tǒng)的整體輸送能源過剩，造成了能源的無效消耗[4]。

圖1 傳統(tǒng)集中式供熱系統(tǒng)的結構示意圖

變頻調速不改變管網的運行阻力，在應用中，通過調節(jié)循環(huán)泵的轉速來對管網內的流量進行調節(jié)，循環(huán)泵的調節(jié)性和可靠性要高于對閥門的調節(jié)，從而可以降低管網內的能源消耗。依據變頻技術，設計分布式變頻調速加壓泵系統(tǒng)，除了循環(huán)總泵之外，在系統(tǒng)中還設置有換熱站變頻加壓泵，可以為管網中的熱介質提供動力[5]。分布式變頻調速加壓泵系統(tǒng)采用多循環(huán)泵并聯(lián)運行的方式，能夠有效地改善供熱系統(tǒng)的能源消耗情況，并且依據加壓泵的位置，可以進行兩種典型系統(tǒng)的布置，如圖2所示為沿途供熱變頻加壓泵系統(tǒng)，如圖3所示為熱用戶變頻加壓泵系統(tǒng)。

圖2 沿途供熱變頻加壓泵系統(tǒng)結構示意圖

圖3 熱用戶變頻加壓泵系統(tǒng)結構示意圖

在圖2、圖3兩種布置方案中，在理論上可以取消熱源位置的循環(huán)泵，但取消之后會造成熱源失去對供熱系統(tǒng)的控制，不利于系統(tǒng)的整體運行。在分布式加壓供熱系統(tǒng)中，當某一支路用戶進行啟停時，會改變系統(tǒng)管網的流量，對于其他用戶的影響較小，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可調節(jié)性[6]。采用多泵并聯(lián)相互關聯(lián)的分布式變頻加壓泵系統(tǒng)可以通過變頻調速控制實現(xiàn)對供熱系統(tǒng)的流量和揚程的精確化控制，降低了主管路的壓力范圍，有利于避免循環(huán)泵的氣蝕，延長管網的壽命，并提高了系統(tǒng)的安全性。

2 分布式變頻調速加壓泵系統(tǒng)節(jié)能分析

供熱循環(huán)泵采用三相異步電動機進行驅動，變頻器通過改變電機的供電頻率來實現(xiàn)電機的無極調速，具有較好的穩(wěn)定性，且操作方便，是常用的電機調速方式。通過分布式變頻加壓泵系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的節(jié)流調節(jié)的方式改為變頻調速調節(jié)流量的方式，其性能曲線如圖4所示。

圖4 變頻調速的節(jié)能型分析

圖4 中，N0為循環(huán)泵的工作特性曲線，S1為管路的阻力特性曲線。當循環(huán)泵在該工況下運行時，其交點A對應的流量和揚程組成的面積即為此時的循環(huán)泵功率。當減小閥門的開度時，使得管網的阻力值增加，即管網阻力特性變?yōu)镾2，工作點位置變?yōu)锽點。通過調節(jié)循環(huán)泵的轉速，則循環(huán)泵的工作特性曲線變?yōu)镹1，此時的工作點位置為C點。B點和C點之間的面積差，即圖4中的陰影部分的面積即表示兩種調節(jié)方式的功率差值。由此可知，采用變頻調速的方式相對節(jié)流閥的形式具有較好的節(jié)能效果。

采用分布式變頻調速加壓泵系統(tǒng)，在進行集中供暖時，依據氣溫條件的不同，在初冬時節(jié)，溫度相對較高，此時分布式變頻調速加壓泵系統(tǒng)僅需將熱介質輸送到換熱站，保持鍋爐的正常運行即可滿足需求。在氣溫降低較大時，對于供暖的要求較高，采用循環(huán)總泵和加壓泵共同作用的形式，保證鍋爐運行的穩(wěn)定及流量的調節(jié)，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的供暖。此時，對于總循環(huán)泵的作用主要取決于變頻加壓泵的轉速，通過系統(tǒng)控制，依據加壓泵的轉速及循環(huán)水的溫度進行總循環(huán)泵的控制，實現(xiàn)依據室溫及供暖的使用情況對總循環(huán)泵進行實時調節(jié)，有利于保證系統(tǒng)的水力平衡，實現(xiàn)對流量的精確化控制，提高供熱質量。

3 結語

采用變頻技術應用于供熱泵的轉速控制中，并采用分布式的變頻調速加壓泵布置，可以將傳統(tǒng)的節(jié)流閥調節(jié)方式改為變頻調速的方式，增加了控制的準確性，并且降低了總循環(huán)泵的揚程和主管網的壓力，提高了系統(tǒng)的安全性及使用壽命。采用分布式變頻調速加壓泵系統(tǒng)，可以在不同的時節(jié)依據需求對加壓泵進行啟停操作，并依據加壓泵的轉速及介質溫度進行總循環(huán)泵的控制，實現(xiàn)精確化控制，提高了供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了節(jié)能減排的同時提高了供暖的舒適性，對于供暖系統(tǒng)具有重要的應用意義。