变频调速在供热系统中应用

【摘 要】介绍变频调速节能的原理,重点介绍变频调速在供暖系统中补水和循环系统中的应用.

【关 键 词】变频器；变频调速；节能

一、概述

目前,我国能源浪费已是非常严重,是世界上第二大能源消耗国,其中采暖能耗特别是电耗占有相当大的比例.近年来,随着高层建筑日渐增多和供热面积不断扩大,区域供热负荷不断增加,对供热系统提出了新的要求.随着变频调速技术的发展,其产品大幅度降低,为变频调速技术应用于供热系统提供了条件；全国各地为争创“全国文明城市”也为变频技术应用于供热系统提供了动力.

什么叫变频调速技术,它是一种以改变电机频率和改变电压来达到电机调速目的的技术,它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式,乃至直流电机调速,而成为电气传动的中枢.

1、为了保证生产的可靠性,各种生产机械在设计配用动力驱动时,都留有一定的富裕量.当电机不能在满负荷下运行时,除达到动力驱动要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成电能的浪费.当使用变频调速时,如果流量要求减小时,通过降低泵和风机的转速即可满足要求.

2、功率因数补偿节能：无功功率不但增加线损和设备的发热,更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低,大量的无功电能消耗在线路当中,设备使用效率降低,浪费严重,使用变频调速装置后,由于变频器内部滤波电容的作用,从而减少了无功损耗,增加了电网的有功功率.

3、软启动节能：电机硬启动对电网造成严重的冲击,而且还会对电网容量要求过高,启动时产生的大电流和震动,对挡板和阀门的损害极大,对设备、管路的使用寿命极为不利.而使用变频节能装置后,利用变频器的软启动功能,使启动电流从零开始,最大值也超不过额定电流,减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求,延长了设备的使用寿命.节省了设备的维修费用.

4、变频器节能效果：风机、水泵都属于减转矩负载,即随着转速的下降,负载转矩与转速的平方成比例减小,而具有节能控制功能的变频器设计有专用f/V模式,这种模式可改善电动机和变频器的效率,根据负载电流自动降低变频器输出电压,从而达到节能目的.

二、变频调速在补水系统中的应用

在热水循环采暖系统中,由于管路、阀门有泄漏及正常的排污,会造成水的损耗,引起管网压力下降,为了保持管网压力,使系统正常循环,补水泵就是必不可少的设备.过去老设备补水控制用的是传统的继电器接触器控制系统,用电接点压力表控制继电器,压力低时启动补水泵,压力高时停止补水泵.此种控制有很多缺点：

1、压力不稳,因水泵是间断补水,整个管网的压力就在设定的高压力和低压力之间反复波动；

2、水泵的频繁启动,对管路和水泵等设备造成了冲击,不但使水泵的密封件很快泄漏,轴承寿命缩短,还容易引起单向止回阀门失灵,使补水倒流；

3、电接点压力表易损坏,因压力不稳,仪表震动及上下限触点频繁接通、断开,使触点粘连或接触不良,造成控制失效,引起管网压力超高和过低,给安全运行带来隐患.

4、控制功能简单,两台补水泵只能有一台受压力控制,当采暖初期或者运行时失水过多,需要向管网大量补水时,都要手动启动另一台泵,当压力升高时,还要手动停止,使用很不方便.

随着科技技术的发展,变频调速的日渐成熟,变频调速在供暖补水系统中得到广泛应用；我公司自2010年开始引入了由可编程控制器（PLC）、变频器、恒压供水控制器和压力变送器等组成的变频恒压补水系统；控制原理图如图一所示本系统可分为“就地”、“远程”两种控制方式,在“就地”时通过恒压供水控制器的PID调节功能实现对电机无级调速,达到恒压供水目的,具体压力值可在控制器上设置.当系统处于“远程”控制模式时,通过与PLC相连的触摸屏设置供水压力,靠PLC输出的4～20mA电流信号控制变频器的频率,从而实现对电机转速的控制.PLC控制器还可以实时采集变频器和电机以及其他测点信号,通过GPRS远程数据监控传输到监控平台,值班人员可随时了解到换热站的运行状况并可通过GPRS信号对水泵进行启动、停止操作或者对供水压力重新设置.不但提升了供热效果而且操作方便,节约了人力.采用变频调速后,实现了软起动、软停机,对电机和水泵的冲击都大大减小,而且由于水泵基本上是在额定转速以下运行,更能使设备寿命大幅延长.同时水泵运行的振动和噪音也明显降低.

三、变频调速在循环系统中的应用

循环水泵是供热系统中最主要的动力设备和耗能设备,为减少采暖系统的电能损耗,常规循环水泵的选择一般按质量-流量优化调节的分阶段改变流量调节的方式配备泵组；对大型采暖系统,可按三个阶段设置泵组,其流量分别为100%、80%和60%,扬程为100%、64%和36%；小型采暖系统,可按两个阶段设置泵组,其流量分别按100%和75%,扬程为100%和51%；但当循环水泵的设计及选型不合理或不符合供热系统实际运行工况时,就需要对循环水泵进行调节,主要方法有：

1、改变循环水泵的开启台数,这种调节方法可以快速而有效地调节供热系统的流量与压力,但调节范围太大,不能根据需要进行小范围调节,易造成大量的能源损耗；

2、改变循环水泵出口的调节阀门开度,这种调节方法可以中小幅度的增加或减小供热循环系统的阻力,从而改变循环水泵的压头和流量.但这种调节方法中调节阀会引起大量的能量损耗,同时会引起循环水泵工作点的偏移,对系统的稳定运行造成不良影响；

3、改变循环水泵的出流量.其中对循环水泵的变频调速时最优方法.

通过流体力学的基本定律可知：循环泵属平方转矩负载,其n（转速）、Q（流量）、H（压力）以及P（轴功率）具有如下关系：Q∝n,H∝n2,P∝n3；即,流量与转速成正比,压力与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比.可以看出改变电机转速可以调节循环泵的流量的方法,要比采用阀门调节更为节能经济,设备运行工况也将得到明显改善.电机的转速与工作电源输入频率成正比,即：n等于60f（1-s）/p,（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）,由于s、p对某一电机是固定值,因此通过改变电动机工作电源频率能达到改变电机转速的目的.变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术,集电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品.

我公司根据我市供暖行业起步晚、根基薄现实情况,努力引进先进技术、响应国家节能减排号召,在二级换热站建设上积极推广循环泵变频启动模式,彻底淘汰电机“星三角”和“自偶降压”启动,不但节约了能源而且大大提高了供热效果；为了保证供暖的稳定运行同时也为了节约资金我们还引入了软启动器作为变频器的备用原件,当变频器故障时可以通过软起动器带动循环泵启动运行；该系统有手动和自动两种变频功能和一种工频功能.在变频模式下,手动时,可以人为随意给定频率（调节范围一般为20HZ～50HZ）,控制循环泵的输出流量,调节供暖温度.自动时,变频器和PLC控制器进行通讯,PLC控制器根据系统供回水压差及回水温度传感器传上来的信号进行处理,按照供热要求给变频器发出控制指令,控制电机转速调节循环泵输出流量,从而达到调节温度的目的.在变频器出故障时,可手动切换到工频运行,或靠软启动器启动保证继续供暖不停产.

总结

通过变频器,改变电机的供电频率进而改变水泵的转速.变频调速属于无转差损耗的高效调速方法,功率因数能达到90%以上,利用变频器不仅可以直接控制电机转速,而且在变频的同时,电源电压也可以依据负载大小相应调节,利用变频器调节转速来实现对水泵流量、压力的调节,使供热系统运行更加稳定,操作更为方便、灵活,节能效果明显.同时减少了供热系统中阀门、管件、换热器、水泵等设备的维修量,设备使用寿命延长,其综合效益十分显著.