0 引言

中國是能耗大國，能源利用率卻非常低，而能源儲備又明顯不足。我國北方大部分地區冬季時間長，為保障居民的正常取暖，相應供暖期就比較長，部分地區一年當中有一半以上的時間都需要供暖，供暖行業已經成為一個能源消耗巨大的行業。這樣，在保障居民正常取暖的前提下，如何響應國家的要求，最大限度地節能降耗，已經成為眾多同仁不懈的追求。

1 換熱站運行情況

現在，為了節能和環保的目的，我國北方地區已經或者正在推行集中供暖，由集中供暖中心將從鍋爐制熱后的熱源通過一次循環水泵在一次管網中循環，而換熱站的作用則是將一次管網中的熱源通過板式換熱器，使二次管網制熱，利用二次或三次管網向最終用戶供暖。換熱站供暖示意圖如圖1所示。

由于一些歷史原因，大部分的換熱站都是利用小區內原有的供暖中心改建或擴建而成，依舊沿用陳舊的人工控制方式，個別地方還一直在使用20 世紀50~60年代的設備，換熱站的主要耗能設備———循環水泵大部分采用星角轉換啟動方式，只有部分新建換熱站采用變頻控制方式，而采用智能化變頻節能運行的換熱站就更是少之又少了。因此，能源浪費嚴重，主要表現在：

1)循環水泵的啟動/停止、運轉，完全沒有量化，這樣由于人為因素產生大量不必要的浪費是必然的;

2)由于循環水泵沒有采用變頻控制方式，所以，其一旦運轉將是滿負荷運轉，而換熱站循環水泵的電機容量是為了滿足極限運行情況而設計的，實際余量很大，這樣不但管網持續承受高壓，增加了管網的維修工作量，而且無形之中又帶來了大量的電能和熱能浪費。

然而可喜的是大部分新建的或在建的供暖中心、換熱中心都已經開始考慮了自動控制，至少都預留自動控制接口，而且變頻節能技術現在已經被廣泛地接受了。

圖1 換熱站供暖示意圖

2 智能變頻節能改造方案

由于中國北方地區地域遼闊，各地區冬季平均氣溫差別較大，對于整個供暖系統的要求也不盡相同，但大體運行情況還是一致的。現在以某地區為例，要求一次管網的溫度要高于35益，居民室內溫度不得低于18益。以此地區一個換熱面積為30 萬m2的中型換熱站為例，站內配有2臺55 kW循環水泵(一用一備)，7.5 kW補水泵及其他相關管網設備，以及完成智能化變頻控制所需設備，包括溫度變送器、電動調節閥、差壓控制器、DANFOSS 氣候補償儀、室外傳感器、壓力變送器，PLC、DANFOSS變頻器。具體安裝位置如圖2所示。

2.1 智能化變頻節能功能的實現

1)差壓控制器在一次管網近換熱器側安裝差壓控制器，用來控制一次管網的供水量和回水量維持在一個正常壓力差范圍內，保障二次管網所需的換熱量。

2)氣候補償儀和電動調節閥氣候補償儀將采集到的室外溫度、回水溫度和供水溫度等3個溫度值，作為變量通過內部計算，自動控制電動調節閥的開啟角度，以使得一次供水量可以根據室外的溫度變化而變化，當外界氣溫升高時將相應減小閥門的開啟角度，當外界氣溫降低時將相應增大閥門的開啟角度，以最大限度地減小供熱中心的供熱量，最大限度地節能降耗。

3)二次管網的循環水泵控制當在一次管網的回水端加裝的溫度變送器檢測到溫度高于35益(此值為系統設定值，各地的標準不一樣，所設的溫度值也不盡相同)時，系統認為換熱站已經具備工作條件，由PLC 向變頻器發出啟動信號，而在二次管網供水、回水端的壓力變送器將兩壓力值都反饋到循環泵變頻器中，由變頻器完成差壓計算并根據二次管網的設定的壓力差自動控制循環水泵啟動及轉速;當溫度低于30益時，系統認為換熱站不具備工作條件，由PLC向變頻器發出停止指令，自動控制循環水泵停止。

4)二次管網的恒壓補水控制在二次管網的回水端距離水泵3~5 m的位置安裝的壓力變送器，用來檢測二次管網回水的壓力，并將實時壓力值反饋給補水變頻器，由變頻器控制補水泵的轉速，維持二次管網內正常恒定的壓力，并且在二次管網上加裝了電磁閥，當管網中液體受熱膨脹超出臨界壓力時，由變頻器控制電磁閥動作實現超壓泄水。同時，考慮到極端情況———二次供水管網產生爆管的嚴重事故，變頻器將根據內部所設的反饋壓力下限實時與管網壓力進行比較，如果反饋壓力持續低于反饋下限10 min，變頻器將認為發生了爆管事故，會發出一個開關量信號，控制補水，循環水泵停止工作并產生報警信號。

5)PLC PLC 與氣候補償儀和變頻器可以通過RS485 完成串行通訊，具體通訊協議可根據設備進行選擇，完成對氣候補償儀、循環水泵和補水泵等換熱站設備和運行狀況的監控，并通過以太網實現遠程監控的目的。

2.2 一些需要注意的事項

1)由于本系統智能化程度較高，采用了大量的傳感器、變送器，及其他相關儀器儀表，眾所周知，變頻器在工作過程中將不可避免地產生大量的電磁干擾和對電網的諧波污染，嚴重的情況下這些噪音將使整個系統癱瘓。基于以上原因，所有儀器儀表的信號傳輸最好選用滿足EMC要求的電纜，變頻器最好選用內置RFI 濾波器，直流電抗器，全金屬封裝的，并且在建站時預留專用接地線，所有設備要完全可靠地接地。

2)循環水泵的啟動最好由星角轉換啟動方式改為變頻軟啟動，以實現無級調速，減少啟動過程對電網和機械設備的沖擊。

3)系統所選用的DANFOSS 變頻器，具備雙通道PID調節功能，可以將兩個壓力信號同時反饋以完成差壓計算，如選用其他品牌變頻器需加裝壓差變送器，以完成類似功能。

4)系統所選用的DANFOSS 變頻器，具備壓力反饋上限和反饋下限延時報警功能，如在實際應用中所選用的變頻器無此功能，可在PLC 中增加相應的模擬輸入點，以完成類似的功能。

5)系統內所有設備應具備在自動控制和手動控制之間進行相互切換的功能，以利于換熱站的檢修或維護工作，以及在自控系統癱瘓的情況下保證居民的正常供暖。

3 預計節能效果

以某換熱站為例，其預計改造成本如下：

注：以上電纜及元件的費用，可根據實際情況增減。

根據以上所述，以2臺55 kW循環泵、2臺7.5 kW補水水泵共同運行時間為3 個月，交替循環運行時間為3個月，每天運行12 h，電費按1 元/kW·h 計算(以下計算為理論值)，則改造前一年的用電量為[2(55+7.5)+(55+7.5)]伊3伊30伊12=178 500 kW·h折合電費為178 500元。

改造后保守估計一年的電費將至少節省30豫~40豫，即可節省53 550 元~71 400 元，也就是說一年的時間就可以收回全部投資成本，而一年以后節約的電費便成為了企業經濟效益的提高。

4 結語

通過以上分析和計算，可以看到一個小小的換熱站，通過技術改造，實現自動變頻控制后，其節能效果是非常可觀的。