熱力站水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)效益分析

寧新鋒

（太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司熱源分公司， 山西 太原 030000）

0 引言

熱力供應(yīng)是我國(guó)北方地區(qū)冬季最重要的民生問題，保障熱力供應(yīng)是提高人民生活幸福指數(shù)的關(guān)鍵。目前，我國(guó)北方地區(qū)部分熱力站的水泵調(diào)節(jié)依舊以工頻的狀態(tài)運(yùn)行，二次管網(wǎng)的水流量是由閥門控制，此種方式不僅會(huì)損耗大量的電能，閥門在長(zhǎng)時(shí)間水壓的作用下也會(huì)出現(xiàn)損壞情況[1]，并不符合當(dāng)前供熱企業(yè)節(jié)能降本理念。因此，針對(duì)此類型熱力站進(jìn)行自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速的自動(dòng)化控制是供熱企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵。

1 熱力站水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本次所設(shè)計(jì)水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)主要用于某地17 號(hào)熱力站當(dāng)中，因此系統(tǒng)設(shè)備主要是基于17 號(hào)熱力站的實(shí)際情況進(jìn)行選型的。選用的硬件設(shè)備包含有變頻器、循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵、壓力變送器、PLC 控制器、壓力變送器、溫度傳感器、聲光報(bào)警器、斷路器等。由于系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)受到周邊因素的影響，因此為了確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，在系統(tǒng)采用自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合人工控制的整體思路。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

某地17 號(hào)熱力站原采用的是兩臺(tái)15 kW 水泵作為二次管網(wǎng)循環(huán)泵，一臺(tái)15 kW 水泵作為補(bǔ)水泵，由于長(zhǎng)時(shí)間使用水泵效率有較大的降低，內(nèi)部葉輪也存在部分損壞，因此在本次自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中更換原有水泵。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)所選用循環(huán)泵型號(hào)為KQW150/235-15/4 熱水泵，該水泵最大輸送流量為210 m3/h，揚(yáng)程為16 m，電機(jī)功率為15 kW；補(bǔ)水泵選用型號(hào)為KQW125/125-15/2，其最大輸送流量為140 m3/h，揚(yáng)程為20 m，電機(jī)功率為15 kW。循環(huán)泵與水泵的輸送能力符合該熱力站的供熱需求。變頻器選用ACS550-01-038A-4（ABB 公司生產(chǎn)），該變頻器主要用于循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的控制，其負(fù)載與循環(huán)泵和補(bǔ)水泵一致，并且其中內(nèi)部配置有PID 控制模塊，能夠滿足水泵的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。PLC 控制器作為總控系統(tǒng)中心，主要用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)值，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，如果在運(yùn)行過程中某項(xiàng)數(shù)值超出預(yù)設(shè)范圍，則接通聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)觸發(fā)斷路器，停止水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。基于此項(xiàng)功能，PLC 控制器選用S7-300 可編程序控制器（西門子），連接方式主要采用總線模式，并且熱力站內(nèi)部配備有不間斷電源對(duì)PLC 控制器進(jìn)行供電，確保熱力站水泵的長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行。根據(jù)水泵參數(shù)計(jì)算本次研究所選用斷路器型號(hào)為NSE 100S/3P 32M，額定電流為32 A。壓力變送器型號(hào)選用PT101，量程為0~0.6 MPa，主要用于檢測(cè)二次供水、回水管網(wǎng)的壓力。溫度傳感器主要檢測(cè)二次供水、回水管網(wǎng)溫度，型號(hào)為TT103，量程為0~100 ℃。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

熱力站水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的軟件程序邏輯設(shè)計(jì)如下：

1）在系統(tǒng)起始時(shí)壓力變送器、溫度傳感器以及PLC 監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，如果參數(shù)異常，則停止水泵并發(fā)出報(bào)警信號(hào)；如果監(jiān)測(cè)參數(shù)正常則進(jìn)行下一步；

2）根據(jù)溫度傳感器反饋回的溫度數(shù)值進(jìn)行溫差參數(shù)評(píng)估，根據(jù)PLC 總控系統(tǒng)中心內(nèi)預(yù)設(shè)的溫差范圍選擇合理的壓差給定值；

3）將得出的壓差給定值傳送到變頻器當(dāng)中，并與壓力變送器反饋回的壓力數(shù)值進(jìn)行比較，計(jì)算得出差值代入變頻器中的PID 算法模型當(dāng)中，進(jìn)而計(jì)算得出輸出頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的變頻控制。

2 熱力站水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真

本次所涉及的水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)是基于變頻器PID 算法實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)際作用當(dāng)中利用PID 算法對(duì)運(yùn)行二次供、回管網(wǎng)壓力值與目標(biāo)壓力值的差值的對(duì)比計(jì)算，從而計(jì)算出變頻器的輸出功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水泵電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)化調(diào)控。這不僅能夠保障管網(wǎng)內(nèi)部的壓力平衡，同時(shí)也能降低水泵的電能損耗。

為了驗(yàn)證熱力站水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的作用和優(yōu)勢(shì)，本文利用MATLAB/SIMULINK 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，所搭接的模型如圖1 所示。

將信息輸入至模型當(dāng)中進(jìn)行仿真（比例系數(shù)設(shè)置為2、積分時(shí)間常數(shù)設(shè)置為5、微分時(shí)間常數(shù)設(shè)置為0.2，單位階躍信號(hào)給定時(shí)間為仿真模擬開始后10 s），在仿真之前給系統(tǒng)加入一個(gè)單位階躍信號(hào)，確定階躍信號(hào)的理論響應(yīng)變化。后執(zhí)行仿真，模擬出系統(tǒng)運(yùn)行過程中所反映出的階躍信號(hào)變化曲線，具體結(jié)果如圖2 所示。

圖2 水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)模型單位階躍響應(yīng)曲線

由圖2 可知，在階躍信號(hào)給定后，基于PID 算法模型下的水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，并且在30 s 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，由此可見，自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)能夠根據(jù)二次供、回管路壓差做出快速響應(yīng)，進(jìn)而提高水泵的調(diào)控效率。

3 熱力站水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 應(yīng)用效果研究

本文設(shè)計(jì)的水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用在某地區(qū)17#供熱站中，該供熱站是為某小區(qū)進(jìn)行供暖作業(yè)，因此設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用需要滿足用戶的取暖需求。系統(tǒng)地應(yīng)用改造是在2020 年6 月18 日—7 月10 日進(jìn)行。改造前后取該小區(qū)2 號(hào)樓602 室作為溫度檢測(cè)房間，該房間處于頂樓，未進(jìn)行裝修。室溫檢測(cè)時(shí)間設(shè)置為2019 年1 月2 日和2020 年12 月29 日，經(jīng)過對(duì)兩日氣候溫度調(diào)查發(fā)現(xiàn)兩日氣溫上下限相同，為[-26，-7]℃。該檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)處于供暖中期，氣候相對(duì)較冷，能夠作為系統(tǒng)供暖需求檢測(cè)的典型日。溫度檢測(cè)為每日6次，由00：00 開始，相隔4 h 檢測(cè)一次，檢測(cè)具體結(jié)果如圖3 所示。

圖3 改造前后某房間溫度情況

由圖3 可知，在水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于熱力站后，該房間的溫度變化更為平穩(wěn)，其中最低溫度為18.46 ℃，最高溫度為23.29 ℃，由此可見改造完成后熱力站的熱能供應(yīng)依舊能夠滿足用戶的供暖需求。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

某地供暖季為11 月1 日—3 月31 日，共計(jì)150天。改造之前，該供熱站循環(huán)水泵與補(bǔ)水泵均以工頻的方式運(yùn)行，管路內(nèi)部壓力通過供水閥門與補(bǔ)水泵進(jìn)行控制。該種完成后管路壓力是由循環(huán)泵與補(bǔ)水泵相結(jié)合進(jìn)行調(diào)控，具體而言首先由循環(huán)水泵進(jìn)行調(diào)控，如果兩臺(tái)循環(huán)水泵已經(jīng)運(yùn)行到極限其中壓差依舊較大則說明管網(wǎng)內(nèi)部出現(xiàn)缺水情況，此時(shí)變頻器便將一臺(tái)循環(huán)水泵切換至工頻，另一臺(tái)停止，后與補(bǔ)水泵進(jìn)行連接，對(duì)補(bǔ)水泵的頻率合理化調(diào)控，直至系統(tǒng)所測(cè)得的壓差滿足設(shè)計(jì)需求后停止補(bǔ)水泵，變頻器接回循環(huán)泵，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)化調(diào)控。

經(jīng)過供熱站循環(huán)系統(tǒng)水消耗量的分析發(fā)現(xiàn)，2019—2020 年熱力站共消耗水資源4 650 m3；2020—2021 年供暖期，熱力站共消耗3 153 m3，相比較上一供暖季降低近1 497 m3。該熱力站所處地域工業(yè)用水價(jià)格為7.4 元/m3，經(jīng)過軟化處理水價(jià)可達(dá)8.6 元/m3。因此經(jīng)過計(jì)算可知從水資源節(jié)約方面，改造完成后每年水費(fèi)能夠降低12 874.2 元。

此外，電能是熱力站運(yùn)行成本較高的主要因素之一[2]，在改造完成后循環(huán)水泵和補(bǔ)水泵均實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)化調(diào)控，通過分析PLC 監(jiān)控系統(tǒng)中水泵輸出功率記錄能夠得出系統(tǒng)的節(jié)能效果如表1 所示。

表1 某地區(qū)17 號(hào)熱力站改造前后水泵節(jié)能情況

由表1 可知，在水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用后，17 號(hào)熱力站所消耗的電能有了大幅下降，總體節(jié)能率達(dá)到41.18%，整個(gè)供暖期電能消耗量降低53 874 kW·h。該地區(qū)工業(yè)供電費(fèi)用為0.73 元/（kW·h），經(jīng)過計(jì)算可知整個(gè)供暖季能夠降低費(fèi)用為0.73 元/（kW·h）53 874 kW·h≈39 328元。

綜上所述，在水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用后，17 號(hào)熱力站所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益便達(dá)到5.2 萬元，由此可見該系統(tǒng)的應(yīng)用具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

1）從硬件和軟件的方面對(duì)熱力站水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，明確硬件選型和軟件邏輯程序。

2）利用MATLAB/SIMULINK 軟件對(duì)水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果表明基于PID 算法模型下的水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)速度，能夠滿足熱力站水泵自動(dòng)化動(dòng)態(tài)調(diào)控需求。

3）將本文所設(shè)計(jì)的水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于某地區(qū)17 號(hào)熱力站當(dāng)中，經(jīng)過分析研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用后熱力站具有良好的供暖效果，某房間的溫度在供暖中期也能達(dá)到18℃以上；從經(jīng)濟(jì)層面分析，水泵自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效降低水資源和電能的消耗，通過統(tǒng)計(jì)分析整個(gè)供暖季能夠減少1 497 m3水消耗和53 874 kW·h 電消耗，熱力站運(yùn)行成本能夠降低5.2 萬元。