1　概述

我国已经进入城镇化与城市发展双重转型的新阶段，预计城镇化率年均提高0.8%~1.0%，到2015年达到52%左右，到2030年达到65%左右。因此，市政工程的市场将更加庞大，而处于市政工程产业链中的各个领域都将受益。

城镇化建设是市政工程市场最大的推动力。当前，我国城市化还在快速发展中，大中小城市以及城乡一体化的发展中的众多城市基础设施，城市交通工程、城市给水工程、城市排污工程、城市供电工程、城市燃气工程、城市供热工程、城市通信工程、城市防灾工程、城市环境卫生工程等建设都在不断上马。伴随着地方城镇化程度的提升，各地加大市政设施的投资。随着国民经济和财政收入的大幅提升，市政公用设施建设也进入快车道，市政行业发展空间广阔，前景喜人。理论上变频器可用在市政行业的各个方面，因此市政行业也是变频器应用最广泛的行业之一。一直以来，森兰变频器广泛应用于城市供水、污水处理、集中供热、消防等市政领域，为市政行业的自动化和节能作出了贡献。近年来，森兰科技公司为地铁提供照明和传动的应急供电系统解决方案，为新能源汽车提供变频驱动系统和交直流充电桩、供热工程的一体化解决方案等。

为节省能源、减少城市污染，热电联产是一重要措施，就是充分利用热电厂汽轮机发电后蒸汽的余热，在冬季对北方城市集中供热。其供热的方法是，从发电厂送出来的热水，到城市中的换热站时，一次供水热水温度有90多度，经过热交换器后，一次回水热水的温度下降到60多度，然后再流回发电厂。送到城市居民家中的热水，流过各用户的热交换器，在热交换器中进行热交换，然后流回换热站，进入换热站热板式交换器的二次回水温度不到50度，二次供水温度60多度。换热站设备比较简单，由数台板式热交换器，几台泵组成的循环泵组，一台补水泵构成。例如有一换热站有四台热交换器，四台37kW的管道泵组成的循环泵组，一台3.7kW的补水泵。循环泵采用人工开、关阀门控制流量，使管路的阻尼增大而造成电能浪费。为更进一步的节能，陕西某热力公司对换热站实施了自动化改造，循环泵和补水泵用变频调节，整个城市供热系统用计算机进行监控，实现了换热站无人值守。

2　换热站的变频调速控制

2.1　补水泵变频调速控制

通过循环泵使热水在供热系统中运行，管道、阀门的泄漏引起循环水的水压降低，如不及时补水，会造成供热系统运行不正常。补水泵的变频泵补水方式比较简单，系统内热水的水压为0.4MPa，将压力变送器安装在回水主管上，管网上压力的变化经压力变送器变换为4～20mA信号反馈到变频器的PI调节器的输入端。变频器的给定值设置为4Kg。当供热系统的压力低于4Kg时，变频器的输出频率上升开始补水；达到4Kg时，反馈信号与给定信号基本相等，变频器输出频率下降停止补水。本例选用一台森兰SB200P3.7kW变频器，选用森纳斯DG130W-BZ-A 1MPa压力变送器，变频调速补水系统如图1所示。

图1 变频调速补水系统原理图

2.2　循环泵的变频调速控制

循环泵的控制相对于补水泵的控制要复杂一些。供热系统的最终目标是保持热用户的室内温度的稳定，但由于热用户没有室温调节器，且对众多的热用户的室温不可能形成闭环控制。为做到经济运行又保证供热质量，最有效的方法是控制换热站的二次供水温度。稳态条件下系统的供热量，散热器的散热量及用户的耗热量相等的规律，可得到稳态条件下的二次供水温度：

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循环泵的变频调速控制系统如图2所示。

图2 循环泵变频调速系统图

图2中，BP1为森兰SB200P37kW变频器，BU为软起动器（自耦减压起动器），系统采用循环投切方式，温差信号送入PLC，经过PLC处理后，到变频器作为调速控制信号。系统启动时，电机M1变频调速，频率升到50Hz时，循环水流量达不到给定要求，则电机M1投工频，M2变频运行；如果循环水流量仍达不到给定要求，则电机M2投工频，M3变频运行……；由于某种原因，循环水流量超过给定要求，那就停止电机M1、M2……等，任何时候只有一台循环泵电机在变频运行。若只有一台电机M3在变频运行，循环水流量达不到给定要求时，则电机M3投工频，M4变频运行；M4投工频，M1变频运行，又到了初始状态。电机M1～M4总是在工频—变频之间循环投切。BU1用于备用，整个系统的运行信息由PLC送到计算机上。

3　出现问题及解决方案

(1) 当二次回路的水压低于0.4MPa时，补水泵运转进行补水。补水泵补水后不久二次回路的水压超过0.4MPa较多，使用户管道的接头处出现泄露，严重时阀门破损，房间内漏了一地水，用户意见非常大。

究其原因是热胀冷缩，补水泵补的是冷水，经过换热器后水温升高体积膨胀，液体又不能压缩，因此水压升高胀破管道中的薄弱环节，引起泄露。解决的方法是少补一点水，但是这不好控制。不需要人工介入的方法是在二次回路的管道上安装电磁阀，电磁阀受压力变送器控制，水压超过0.4MPa时电磁阀打开放水，低于0.4MPa是关闭，使管道压力总是维持在规定的压力上。

(2) 由于热用户室内采暖系统采用的都是上供下回式单管供热方式，从供热理论可知，单管供热最佳调节方式应为温度和流量的综合调节。由式（1）可见，随着室外温度w t 的变化，不但要及时地调整二次供水温度g t2 ，还应相应地调整循环水的流量G，以免产生上部室温严重偏高，下部室温严重偏低的“垂直失调”现象。二次供水的水温与一次供水的温度和流量有关，与二次回水流量有关，还与环境温度有关。一般来说，在这些因素中，一次供水的温度和流量在换热站不作调节，能够调节的就是循环水的流量G。二次供水温度自动化系统控制的控制策略是这样的，如果二次供水温度低，循环水的流量G增加；反之，如果二次供水温度高，循环水的流量G减少。但这里没有考虑到环境温度变化的影响，如果室外温度改变，要使室内的温度基本恒定，一种控制策略是用二次进水与回水的温差来控制循环泵变频器的转速，设定二次进水与回水的温差为12℃。当二次进水与回水的温差大于12℃时，循环泵变频器加速，循环水的流量G增加；当二次进水与回水的温差小于12℃时，循环泵变频器减速，循环水的流量G减少。再考虑到循环水的流量G较小时，循环泵的转速较低，循环水不能供应最高层的用户。因此，在温差控制的基础上，温差的目标值可以在一定范围内根据热用户所处的高度要求的最低扬程来进行适当的调节，避免了产生上部室温严重偏高，下部室温严重偏低的“垂直失调”现象。

4　循环泵的节能

换热站设计过程中过多考虑建设前、后长期供热容量，并考虑长期运行过程中可能发生的各种问题，使裕量过大。实际上大多数换热站的供热并非一开始就达到设计的最大容量，而是随着城市建设的发展，供热的面积逐步达到设计容量；另一方面，设计过程中很难准确地计算出供热容量，通常总把系统的最大供热容量作为循环泵选型的依据，但循环泵的系列是有限的，往往选不到合适的循环泵型号就往上靠，使裕量更进一步的增大。供热实际操作时，常用阀门进行流量调节，增加了系统的阻力，耗能较大。

循环泵变频调速后，所有的阀门开度最大，系统的阻力最小。根据用二次进水与回水的温差和热用户所处的高度要求的最低扬程来控制循环泵变频器的转速，可大大减少循环泵的流量，当平均流量是设计流量的80%时，节电率可按GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南中的计算公式计算：

节电率36%，可见节约电能的效益十分可观。

5　结语

我国是能源贫乏的国家之一，节能降耗是我们的国策。在全国各城市中集中取暖的换热站成千上万，如果都进行节能改造，节约的电量不可小视。而且，系统运行稳定可靠，实现了无人值守，经济效益和社会效益明显。

摘自《自动化博览》2016年1月刊