一、概述            
      分布式變頻供熱系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)而言，在運(yùn)行與控制方面具有一些顯著的特點(diǎn)。首先分布式變頻系統(tǒng)是一個(gè)徹底的變流量系統(tǒng)，一次網(wǎng)流量是一個(gè)逐時(shí)變化的參數(shù)，其運(yùn)行調(diào)節(jié)必須依賴于熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供熱系統(tǒng)的中央監(jiān)測(cè)、統(tǒng)一調(diào)度、現(xiàn)場(chǎng)控制、故障診斷，從而保證分布式變頻系統(tǒng)的穩(wěn)定和節(jié)能運(yùn)行。
      以烏魯木齊新聯(lián)熱力有限公司為例，該公司位于烏魯木齊新市區(qū)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，緊鄰地窩堡機(jī)場(chǎng)，供熱面積約217萬(wàn)平方米，熱源部分有燃煤鍋爐4臺(tái)，分別為40t/h燃煤鍋爐一臺(tái)，65t/h燃煤鍋爐一臺(tái)，80t/h燃煤鍋爐一臺(tái)，130t/h燃煤鍋爐一臺(tái)，共有間聯(lián)換熱站33個(gè)。一次管網(wǎng)形式為支狀管網(wǎng)，從鍋爐房出去后即分為南北兩路，分別為DN500管徑和DN600管徑。
      該公司供熱區(qū)域和面積較為穩(wěn)定，為了節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，提高公司效益，2010年6月對(duì)供熱系統(tǒng)進(jìn)行了分布式變頻改造。主要改造內(nèi)容包括：
      ● 鍋爐房配套工藝改造，從主循環(huán)泵并聯(lián)模式調(diào)整為一爐一泵模式，循環(huán)泵僅負(fù)責(zé)克服鍋爐房?jī)?nèi)部循環(huán)阻力，并設(shè)置均壓管。
      ● 根據(jù)水力工況計(jì)算結(jié)果，對(duì)33個(gè)換熱站全部增設(shè)一次網(wǎng)回水加壓泵并配置變頻調(diào)節(jié)裝置。
      ● 建立一套完整的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐房、33個(gè)換熱站的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
      二、監(jiān)控系統(tǒng)組成
      分布式變頻熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控調(diào)度中心、鍋爐房監(jiān)控系統(tǒng)、換熱站監(jiān)控系統(tǒng)三大部分組成：
      監(jiān)控調(diào)度中心通過(guò)寬帶網(wǎng)絡(luò)對(duì)鍋爐房、換熱站的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)，并可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)調(diào)度和遠(yuǎn)程控制。
      鍋爐房監(jiān)控系統(tǒng)建立在鍋爐原有DCS系統(tǒng)之上，主要是增加均壓管前后的監(jiān)控點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐房?jī)?nèi)外流量和溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并增加鍋爐循環(huán)泵與鼓引風(fēng)之間的聯(lián)鎖保護(hù)功能。主要監(jiān)控點(diǎn)包括鍋爐總進(jìn)水管流量計(jì)、溫度、壓力遠(yuǎn)傳儀表，在鍋爐總出水上安裝溫度、壓力遠(yuǎn)傳儀表，在外網(wǎng)總供水上安裝流量計(jì)，溫度、壓力遠(yuǎn)傳儀表，在外網(wǎng)總回水上添加流量計(jì)、溫度、壓力遠(yuǎn)傳儀表，具體如圖1所示。
      換熱站監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)每個(gè)換熱站一次網(wǎng)供水溫度、壓力，一次網(wǎng)回水流量、溫度、壓力，二次網(wǎng)供水流量、溫度、壓力，二次網(wǎng)回水溫度、壓力等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并同時(shí)對(duì)一次網(wǎng)循環(huán)泵、二次網(wǎng)循環(huán)泵、補(bǔ)水泵進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)控制，控制原理如圖2所示。自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)一次網(wǎng)循環(huán)泵變頻控制一次網(wǎng)供水流量，完成對(duì)二次網(wǎng)溫度的控制，二次網(wǎng)循環(huán)泵變頻定壓實(shí)現(xiàn)對(duì)二次網(wǎng)流量的控制，補(bǔ)水泵變頻定壓控制二次網(wǎng)的回水壓力穩(wěn)定。
      三、系統(tǒng)運(yùn)行策略
      3.1 溫度/熱量控制
      分布式變頻系統(tǒng)的節(jié)能主要通過(guò)提高鍋爐出水溫度，增大供回水溫差，減小外網(wǎng)流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。分布式變頻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于天氣等原因，各換熱站的需熱量會(huì)發(fā)生變化，各站一次網(wǎng)加壓泵變頻裝置也應(yīng)作相應(yīng)調(diào)整，即通過(guò)改變一次網(wǎng)加壓泵的頻率來(lái)調(diào)節(jié)二次網(wǎng)熱用戶的供熱量。同時(shí)在鍋爐房供回水溫差一定的前提下，就需要鍋爐房的流量發(fā)生變化，因此鍋爐房循環(huán)泵的變頻裝置也應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整。所有這些調(diào)控均可通過(guò)熱網(wǎng)監(jiān)控中心完成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行控制。
      鍋爐房運(yùn)行控制策略一般由DCS系統(tǒng)完成，此處不再詳細(xì)說(shuō)明。這里僅就換熱站運(yùn)行控制策略做詳細(xì)說(shuō)明。
      在換熱站運(yùn)行中，換熱站熱量控制主要是實(shí)現(xiàn)室外溫度補(bǔ)償?shù)墓崃亢托锜崃恳恢碌恼{(diào)節(jié)。在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行控制策略中有四種方法，用戶可以根據(jù)需要自行選擇：直接固定二次網(wǎng)供水溫度法、帶室外氣候補(bǔ)償?shù)亩尉W(wǎng)供水溫度經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)法、流量/熱量控制法、分時(shí)段修正法。
      直接固定二次網(wǎng)供水溫度法，即不管室外溫度如何變化，二次網(wǎng)的供水溫度均保持不變。
      室外溫度補(bǔ)償（經(jīng)驗(yàn)法），即隨室外溫度變化，改變二次供水溫度的設(shè)定值，并以該設(shè)定值作為調(diào)節(jié)目標(biāo)控制一次網(wǎng)回水加壓泵頻率。這里產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)曲線（可以由用戶自行更改二次供水溫度數(shù)據(jù)）。當(dāng)室外溫度進(jìn)入模糊區(qū)時(shí)，二次供水溫度的設(shè)定值保持不變，這主要是為了穩(wěn)定變頻器的頻率，保護(hù)電機(jī)。
      流量/熱量控制法就是設(shè)定換熱站瞬時(shí)流量/熱量不超過(guò)某一個(gè)設(shè)定值，這種方法需要以前的供熱運(yùn)行數(shù)據(jù)積累，根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)值，設(shè)定當(dāng)前運(yùn)行值。
      分時(shí)段修正法用于以下幾種場(chǎng)合：有的建筑物白天有人晚上基本無(wú)人，如學(xué)校等可以分時(shí)段運(yùn)行；即使在相同的室外溫度情況下，晴天、雨天、雪天、風(fēng)力大小等等，建筑物的耗熱量是不同的，因此二次網(wǎng)的供水溫度值應(yīng)設(shè)定不同值。所謂修正是指分時(shí)段運(yùn)行場(chǎng)合的二次網(wǎng)供水溫度與設(shè)定值之間的偏差，這樣可以更加經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
      在新聯(lián)熱力供暖運(yùn)行初期階段，有一個(gè)二次網(wǎng)水力工況平衡階段，為了避免采暖用戶大范圍投訴，熱源和換熱站先采用定流量的保守運(yùn)行方案。根據(jù)熱源總供水溫度來(lái)調(diào)整各個(gè)換熱站熱負(fù)荷。首先運(yùn)行一臺(tái)40t/h燃煤鍋爐，并根據(jù)室外溫度的變化逐漸提高鍋爐出水溫度。當(dāng)爐溫升到最大值，回水溫度仍然偏低時(shí)，投運(yùn)65t/h鍋爐，以此類推將鍋爐逐臺(tái)投運(yùn)。當(dāng)進(jìn)入供熱穩(wěn)定期后，開(kāi)始啟用各換熱站固定二次網(wǎng)供水溫度的運(yùn)行策略，分布式變頻系統(tǒng)進(jìn)入變流量調(diào)節(jié)工況。
      根據(jù)新聯(lián)熱力各換熱站供暖區(qū)域建筑的不同情況，我們采用不同的控制策略，如：18號(hào)站（新聯(lián)生活區(qū)）為比較老的非節(jié)能建筑房，二次網(wǎng)管線比較復(fù)雜，一次管網(wǎng)控制策略采用定二次供水溫度控制，滿足最不利環(huán)路的溫度，二次管網(wǎng)采用手動(dòng)給定頻率，隨著室外溫度變化，改變二次網(wǎng)的設(shè)定頻率；4號(hào)站（牧機(jī)生產(chǎn)區(qū)）為辦公室、廠房一次管網(wǎng)控制策略采用定供溫控制，二次網(wǎng)調(diào)節(jié)同18號(hào)站；15號(hào)站為節(jié)能建筑并且二次網(wǎng)供回壓差較小，一次管網(wǎng)控制策略采用室外溫度曲線法來(lái)控制，二次網(wǎng)調(diào)節(jié)同18號(hào)站。
      以下根據(jù)18號(hào)站2011年2月2日一天的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行控制策略分析。
      圖3為2011年2月2日當(dāng)天的室外溫度曲線。從曲線中可以看出最低溫度為-12℃，出現(xiàn)在早晨7點(diǎn)至10點(diǎn)左右，最高溫度-1.8度，出現(xiàn)在下午16點(diǎn)左右，是一個(gè)較為典型的供暖日氣象參數(shù)。
      圖4為當(dāng)天鍋爐房及外網(wǎng)供回水溫度曲線。從圖中可以看出鍋爐房?jī)?nèi)部供回水溫差保持在40℃左右，而外網(wǎng)供回水溫差高達(dá)60℃。說(shuō)明鍋爐房均壓管處于旁通狀態(tài)，即一部分鍋爐房供水通過(guò)均壓管直接旁通回鍋爐了。結(jié)合圖5的流量曲線也可以看出，外網(wǎng)流量基本為鍋爐房?jī)?nèi)部流量的60%，約900t/h流量直接旁通回鍋爐。當(dāng)室外溫度在下午15點(diǎn)接近最高值時(shí)，90MW鍋爐進(jìn)行壓火，鍋爐房出水溫度快速下降，1小時(shí)內(nèi)降到了70℃，這時(shí)候外網(wǎng)流量由于各換熱站供水溫度設(shè)定值未及時(shí)調(diào)整，所需流量快速增加，導(dǎo)致外網(wǎng)流量升至3300t/h，均壓管混水流量接近900t/h，然后才逐漸回調(diào)。圖4與圖5相結(jié)合較好的反應(yīng)了分布式變頻系統(tǒng)鍋爐房與外網(wǎng)在不同熱負(fù)荷狀態(tài)下的流量變化關(guān)系，以及熱源供熱量與外網(wǎng)需熱量之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。
      圖6是某換熱站在當(dāng)天一次網(wǎng)流量的變化曲線，圖7是該換熱站二次網(wǎng)供回水溫度調(diào)節(jié)曲線。從供水溫度可以看出，當(dāng)天根據(jù)不同時(shí)間段設(shè)定了兩次供水溫度。凌晨1點(diǎn)至7點(diǎn)以及11點(diǎn)至16點(diǎn)設(shè)定溫度為60℃，其余時(shí)間設(shè)定溫度為62℃。在設(shè)定供水溫度發(fā)生改變時(shí)，均能明顯的觀察到一次側(cè)流量的變化，以便盡快實(shí)現(xiàn)供水溫度的穩(wěn)定。
      3.2 二次網(wǎng)流量控制
      二次網(wǎng)系統(tǒng)的最佳調(diào)節(jié)是質(zhì)量并調(diào)，即在改變二次網(wǎng)溫度的同時(shí)二次網(wǎng)循環(huán)流量也隨之改變。壓力（或二次網(wǎng)循環(huán)流量）控制方法主要是根據(jù)二次網(wǎng)的供水壓力或供回水壓差來(lái)控制二次網(wǎng)循環(huán)水泵的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)二次網(wǎng)的流量變化。同時(shí)系統(tǒng)流量也隨著用戶的供熱量而變化，主要是通過(guò)循環(huán)水泵加裝變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
      但是如何控制變頻器的頻率是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。當(dāng)變頻器的頻率變化引起二次網(wǎng)的循環(huán)流量發(fā)生變化，隨之二次網(wǎng)的供水溫度發(fā)生變化，那么前面的溫度控制又要發(fā)生變化，水泵就會(huì)頻繁動(dòng)作，使二次網(wǎng)不穩(wěn)定，波動(dòng)比較大。本文給出了如下三種二次網(wǎng)變頻頻率控制方案，用戶可以根據(jù)需要自行選擇：
      3.2.1     直接給定頻率：大部分供熱系統(tǒng)基本上是采用這種方法，雖然也可以節(jié)省由于系統(tǒng)水泵選擇偏大而導(dǎo)致的電耗，但是基本上是定流量運(yùn)行方式，不能實(shí)現(xiàn)最大化節(jié)能要求。
      3.2.2      壓差或壓力定頻率：根據(jù)二次網(wǎng)的供水壓力或供回水壓差來(lái)控制二次網(wǎng)循環(huán)水泵的運(yùn)行頻率，取壓點(diǎn)的位置可以在二次網(wǎng)的供回水管上，有條件的場(chǎng)合可以將測(cè)壓點(diǎn)放在系統(tǒng)的最不利用戶的供回水干管上，該控制模式下也可以稱為變流量運(yùn)行控制。
      3.2.3      分階段改變流量的調(diào)節(jié)：根據(jù)室外溫度的變化，將整個(gè)采暖季分成幾段，在每個(gè)不同的階段對(duì)變頻器設(shè)定不同的輸出頻率，使二次網(wǎng)的流量隨用戶的熱負(fù)荷變化而變化，配合二次網(wǎng)供水溫度調(diào)節(jié)曲線，從而實(shí)現(xiàn)分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)，達(dá)到最大的節(jié)電效果。
      四、系統(tǒng)安全策略
      分布式變頻系統(tǒng)的改造必須兼顧系統(tǒng)安全性，主要是因?yàn)殄仩t房采取一爐一泵運(yùn)行時(shí)，如果鍋爐循環(huán)泵突然停止運(yùn)行，極容易導(dǎo)致鍋爐汽化的發(fā)生，造成重大安全事故。此外，在外網(wǎng)換熱站出現(xiàn)大范圍停電時(shí)，外網(wǎng)流量瞬間大幅度降低，對(duì)鍋爐燃燒控制提出了新的要求。因此分布式變頻改造必須設(shè)置一些安全策略以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，如循環(huán)泵自動(dòng)切換、故障報(bào)警等。以下分鍋爐房安全策略及換熱站安全策略兩部分進(jìn)行介紹：
      鍋爐房安全策略主要包括鍋爐循環(huán)水泵故障自動(dòng)切換、鍋爐房停電自動(dòng)開(kāi)啟備用水泵、聲光報(bào)警提醒值班人員、上報(bào)中央控制室報(bào)警、采取相應(yīng)的緊急措施處理等。
      為了保證鍋爐房循環(huán)泵發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)能照常運(yùn)行，鍋爐循環(huán)泵采用一用一備，循環(huán)泵變頻器與鍋爐的鼓風(fēng)變頻、引風(fēng)變頻、爐排變頻采用硬件連鎖，當(dāng)運(yùn)行循環(huán)泵發(fā)生故障時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、爐排接到信號(hào)，依次停止鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和爐排，同時(shí)，備用水泵接到啟動(dòng)信號(hào)，自動(dòng)啟動(dòng)維持鍋爐循環(huán)水量，并通過(guò)聲光報(bào)警，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)上報(bào)中央控制室報(bào)警，及時(shí)通知值班人員檢查相應(yīng)變頻器與水泵故障，及時(shí)維修、取消報(bào)警及啟動(dòng)鍋爐引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和爐排。
      當(dāng)鍋爐房停電時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)硬件連鎖自動(dòng)切換到備用電路或者柴油發(fā)電機(jī)組，啟動(dòng)停電處理水泵、聲光報(bào)警及中央控制室報(bào)警，及時(shí)通知值班人員，關(guān)閉均壓管閥門(mén)，換熱站水泵變頻器開(kāi)到最大，以維持鍋爐房水流量，待水流穩(wěn)定后，取消報(bào)警。
      換熱站安全主要有故障報(bào)警、故障保護(hù)、報(bào)警信息存儲(chǔ)等。
      故障報(bào)警包括數(shù)據(jù)報(bào)警、事件報(bào)警等。數(shù)據(jù)報(bào)警指數(shù)據(jù)參數(shù)異常，一般是模擬量，如：壓力值達(dá)高限等；事件報(bào)警：一般是數(shù)字量，如水泵停、系統(tǒng)停電等。報(bào)警發(fā)生時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)上傳報(bào)警信息，如果上位機(jī)收到信息將給控制器下發(fā)一個(gè)收到的確認(rèn)信息，如果上位機(jī)沒(méi)有收到報(bào)警信息，控制器將不斷重復(fù)發(fā)送，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)的液晶的報(bào)警信息欄顯示報(bào)警信息。控制器還輸出一個(gè)報(bào)警接點(diǎn)，用于控制帶蜂鳴的報(bào)警指示燈。
      故障保護(hù)包括：當(dāng)二次回水壓力超高時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)泄水電磁閥，系統(tǒng)二次回水壓力達(dá)到正常后，自動(dòng)關(guān)閉泄水電磁閥；當(dāng)二次網(wǎng)回水壓力超低時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)停止運(yùn)行，關(guān)閉一次網(wǎng)閥門(mén)，停止循環(huán)泵，同時(shí)向上位機(jī)報(bào)警，壓力恢復(fù)正常后，自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)；當(dāng)補(bǔ)水箱液位過(guò)低時(shí)，自動(dòng)停止補(bǔ)水泵，同時(shí)向上位機(jī)報(bào)警，液位恢復(fù)正常一段時(shí)間后，自動(dòng)啟動(dòng)補(bǔ)水泵。
      控制器通過(guò)組態(tài)軟件可以對(duì)所要報(bào)警進(jìn)行存儲(chǔ)。系統(tǒng)存儲(chǔ)的報(bào)警不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)掉電而丟失。
      五、節(jié)能效果
      烏魯木齊市2009年至2010年采暖季的室外平均溫度為-5.57℃，2010年至2011年采暖季的室外平均溫度為-8.72℃。新聯(lián)熱力有限公司2010年至2011年采暖季面積比上一個(gè)采暖期增加4萬(wàn)平方米，實(shí)際耗煤量從72772噸原煤降低到69598噸，剔除面積變化及室外氣象參數(shù)變化影響，折算節(jié)煤量約19.8%。
      2009年至2010年采暖季一網(wǎng)耗電量5441743kWh，2010年至2011年采暖季一網(wǎng)耗電量4357916kWh，節(jié)電1163010kWh，節(jié)電21.4%。從節(jié)電空間來(lái)看，沒(méi)有完全發(fā)揮出分布式變頻供熱系統(tǒng)的潛力，主要是因?yàn)槭彝鉁囟绕停崞髽I(yè)希望采取較為安全保守的運(yùn)行策略，在大部分運(yùn)行期間，還是采用了定流量運(yùn)行策略。
      在系統(tǒng)電耗、煤耗大幅度降低的情況下，一次網(wǎng)水力失調(diào)現(xiàn)象完全消失，最終用戶投訴率減少，供熱品質(zhì)得到了提高。分布式變頻系統(tǒng)的改造取得了成功。
     六、結(jié)論
      本文主要從分布式變頻系統(tǒng)的運(yùn)行策略和安全策略說(shuō)明了分布式變頻系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行調(diào)節(jié)過(guò)程。事實(shí)上，如果將固定供水溫度策略調(diào)整為經(jīng)驗(yàn)曲線調(diào)節(jié)策略，系統(tǒng)的電耗和煤耗還有進(jìn)一步的節(jié)省空間。
      自2008年開(kāi)始，我們迄今完成了十多個(gè)分布式變頻系統(tǒng)的改造，涉及換熱站數(shù)量約400余個(gè)。結(jié)合本文和分布式變頻系統(tǒng)改造實(shí)踐的設(shè)計(jì)篇，關(guān)于分布式變頻供熱系統(tǒng)我們可以得出如下結(jié)論：
      6.1 分布式變頻系統(tǒng)改造非常適合于供熱面積相對(duì)穩(wěn)定、一次管網(wǎng)較長(zhǎng)或者阻力偏大、一次網(wǎng)水力失調(diào)嚴(yán)重的供熱系統(tǒng)。
      6.2 分布式變頻系統(tǒng)改造必須配套完善的監(jiān)控系統(tǒng)共同實(shí)施，實(shí)現(xiàn)按需供熱的自動(dòng)化運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)大幅度的節(jié)電、節(jié)熱效果。
      6.3 分布式變頻系統(tǒng)改造應(yīng)兼顧系統(tǒng)安全性，尤其是鍋爐房的安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)循環(huán)泵的故障自動(dòng)切換，停電自動(dòng)切換等措施，避免鍋爐汽化事故的發(fā)生。----北京碩人時(shí)代科技有限公司 張旭  ，   烏魯木齊新聯(lián)熱力有限公司 宋軍 潘立平