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淺析基于可編程邏輯控制器主控的換熱站變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用探究論
摘要：我國(guó)現(xiàn)今投入使用的普通換熱站多采用人工開(kāi)關(guān)閥門控制流量，系統(tǒng)的頻繁啟動(dòng)不僅浪費(fèi)電能，更加劇了器材損耗、引發(fā)噪聲污染。本文通過(guò)探究以可編程邏輯控制器為主控的換熱站變頻調(diào)速運(yùn)作，切實(shí)提高了換熱效率，緊密貼合了當(dāng)下節(jié)能減排的趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：電機(jī)變頻可編程邏輯控制器節(jié)能減排
0引言
利用火力發(fā)電廠蒸汽輪機(jī)發(fā)電后的余熱在冬季對(duì)北方城市實(shí)行集中供熱是合理利用能源、提高能源利用率、減少環(huán)境污染的、改善人民生活的有效措施與重要途徑。集中供熱已成為我國(guó)北方冬季供暖的主要形式，并逐步于其他地區(qū)實(shí)施應(yīng)用。
對(duì)于我國(guó)現(xiàn)今投入使用的普通換熱站，循環(huán)泵和補(bǔ)水泵多采用人工開(kāi)關(guān)閥門控制流量，使管路的阻尼增大造成電能浪費(fèi)；供暖系統(tǒng)的頻繁啟動(dòng)在加劇設(shè)備損耗的同時(shí)亦產(chǎn)生較大噪聲，影響了施工人員的工作環(huán)境與周邊居民的生活環(huán)境。為有效解決上述問(wèn)題，我們對(duì)一原裝配有3臺(tái)（75kW）循環(huán)水泵、2臺(tái)（7.5kW）補(bǔ)水泵的換熱站增加變頻功能，以可編程邏輯控制器（PLC）為主控機(jī)，完成相關(guān)項(xiàng)目的檢測(cè)。秉著提高換熱效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，建立規(guī)范的測(cè)控和操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了供暖的全自動(dòng)控制。
1PLC變頻水泵的節(jié)能技術(shù)及工作原理
1.1系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)與基本構(gòu)成
整個(gè)恒壓供暖系統(tǒng)由ACS550變頻自動(dòng)控制裝置與水泵電機(jī)組合而成。該裝置由變頻器（內(nèi)含PID調(diào)節(jié)器）、可編程時(shí)控開(kāi)關(guān)、可編程控制器、遠(yuǎn)傳壓力傳感器、相關(guān)電氣控制部件構(gòu)成，是一種具有變頻調(diào)速和全自動(dòng)閉環(huán)控制功能的機(jī)電一體化智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)三臺(tái)380V、50Hz的水泵電機(jī)的自動(dòng)控制。
1.2PLC主控的基本工作原理
可編程邏輯控制器PLC（ProgrammableLogicController）是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它具有豐富的輸入、輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力；它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制生產(chǎn)過(guò)程。
1.3補(bǔ)水泵的變頻恒壓控制
在供暖系統(tǒng)中，回水管的水壓高度必須高于用戶系統(tǒng)的充水高度，以防系統(tǒng)倒吸入空氣，腐蝕管道；運(yùn)行過(guò)程中管道、閥門的泄漏引起循環(huán)水水壓的降低，如不及時(shí)補(bǔ)水會(huì)造成供熱系統(tǒng)的不正常運(yùn)行。因此，維持系統(tǒng)回水壓力的穩(wěn)定是系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本前提。
利用補(bǔ)水泵根據(jù)設(shè)定壓力調(diào)整輸出頻率可使系統(tǒng)的二次回水壓力保持穩(wěn)定。利用壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將系統(tǒng)內(nèi)熱水水壓作為反饋信號(hào)傳送給PLC；PLC將該反饋信號(hào)與給定壓力值進(jìn)行比較，判斷所需補(bǔ)水量的增減。變頻控制柜根據(jù)PLC的操作指令，通過(guò)改變速度頻率控制補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)補(bǔ)水量的改變以維持系統(tǒng)恒壓點(diǎn)的壓力穩(wěn)定。
根據(jù)換熱站實(shí)際運(yùn)行情況，若系統(tǒng)內(nèi)熱水水壓為XMPa，回水主管上的水壓經(jīng)壓力傳感器變換為10X—50XmA的反饋信號(hào)傳送至PLC輸入端。PLC內(nèi)的給定值設(shè)置為10Xkg，當(dāng)供熱系統(tǒng)的壓力低于10Xkg時(shí)，PLC輸出操作指令使變頻器輸出頻率上升，回水主管開(kāi)始補(bǔ)水；達(dá)到10Xkg時(shí)，反饋信號(hào)與給定信號(hào)基本相等，變頻器輸出頻率下降，停止補(bǔ)水。通過(guò)控制補(bǔ)水量確保了系統(tǒng)回水壓力的穩(wěn)定。
1.4二次供水溫度的控制
我國(guó)冬季北方城鎮(zhèn)居民住宅內(nèi)大多未裝設(shè)室溫調(diào)節(jié)器，且系統(tǒng)對(duì)眾多熱用戶的室溫難以形成閉環(huán)控制。故換熱站二次供水溫度的控制是確保供熱質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)按需供熱的關(guān)鍵，是確保系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段。管理人員可通過(guò)修改二次供水溫度調(diào)節(jié)曲線保證在不同室外溫度條件下的相應(yīng)二次管網(wǎng)供水溫度。
1.5循環(huán)泵變頻調(diào)速與泵轉(zhuǎn)換控制
根據(jù)壓力傳感器與PLC控制器的處理，使變頻控制柜在壓力到達(dá)上限設(shè)定值后適時(shí)適量控制循環(huán)泵轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)其輸出流量。系統(tǒng)采用循環(huán)投切的方式，將二次側(cè)回水壓力經(jīng)壓力傳感器輸出反饋信號(hào)傳送至PLC，經(jīng)PLC處理后傳送操作指令至變頻器作為調(diào)速控制信號(hào)，在滿足用戶端供暖負(fù)荷要求的前提下令電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的能耗最低。
當(dāng)壓力到達(dá)上限設(shè)定值時(shí)，1#循環(huán)泵變頻啟動(dòng)。若變頻頻率到達(dá)上限仍不滿足要求，則在利用時(shí)間繼電器（KT）產(chǎn)生一定延時(shí)后，1#循環(huán)泵變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)2#循環(huán)泵變頻運(yùn)行。
當(dāng)設(shè)定的泵轉(zhuǎn)換時(shí)間到達(dá)后，1#補(bǔ)水泵變頻轉(zhuǎn)2#補(bǔ)水泵變頻運(yùn)行；啟動(dòng)3#循環(huán)泵變頻運(yùn)行，停止1#循環(huán)泵工頻運(yùn)行，2#循環(huán)泵變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行。在泵轉(zhuǎn)換時(shí)間再次到達(dá)后，循環(huán)泵與補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)換過(guò)程根據(jù)上述變換類推。
運(yùn)行過(guò)程中任何一臺(tái)循環(huán)泵引起熱過(guò)載繼電器動(dòng)作后，或變頻器產(chǎn)生故障后，相應(yīng)循環(huán)泵轉(zhuǎn)另一臺(tái)工頻運(yùn)行。補(bǔ)水泵在運(yùn)行過(guò)程中如引發(fā)熱過(guò)載繼電器動(dòng)作，則對(duì)應(yīng)補(bǔ)水泵轉(zhuǎn)另一臺(tái)變頻運(yùn)行；若變頻器發(fā)生故障，則對(duì)應(yīng)補(bǔ)水泵轉(zhuǎn)另一臺(tái)工頻運(yùn)行。
2系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益分析
普通換熱站中循環(huán)泵與補(bǔ)水泵在供熱系統(tǒng)中承擔(dān)補(bǔ)充失水和維持二次回水壓力穩(wěn)定等作用，故系統(tǒng)具有啟動(dòng)頻繁的特點(diǎn)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成巨大沖擊，易加劇管路止回閥的損失、造成保護(hù)裝置的誤動(dòng)作。而變頻調(diào)速水泵的電機(jī)從零速變速向工頻轉(zhuǎn)速過(guò)渡，運(yùn)行較平穩(wěn)，削弱對(duì)電網(wǎng)沖擊的同時(shí)亦延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。與此同時(shí)，變頻調(diào)速系統(tǒng)使噪聲密度與噪聲音量明顯降低，改善了換熱站的工作運(yùn)行環(huán)境與周邊居民的生活環(huán)境，經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益兼具。
水泵揚(yáng)程與電機(jī)轉(zhuǎn)速平方成正比，水泵軸功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速立方成正比。當(dāng)系統(tǒng)需要流量降低時(shí)，降低轉(zhuǎn)速，相應(yīng)水泵流量降低，從而水泵軸功率降低，節(jié)約電能效果顯著。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，亦避免了采用閥門調(diào)節(jié)時(shí)不必要的閥門壓頭損耗。
供熱實(shí)際操作時(shí),常采用閥門調(diào)節(jié)流量,增大了系統(tǒng)的阻力,造成較大耗能。實(shí)現(xiàn)循環(huán)泵變頻調(diào)速后,所有的閥門開(kāi)度最大,令系統(tǒng)的阻力最小。根據(jù)二次側(cè)回水壓力和熱用戶所處高度要求的最低揚(yáng)程來(lái)控制循環(huán)泵變頻器的轉(zhuǎn)速,可大大減少循環(huán)泵的流量。當(dāng)平均流量是設(shè)計(jì)流量的70%時(shí),節(jié)電率可按GB12497《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督指南中的計(jì)算公式計(jì)算,得節(jié)電率高達(dá)52.3%，節(jié)能效益十分可觀。
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