分布式变频供热系统运行调节过程策略技术分析
分布式变频供热系统相对于传统供热系统而言，在运行与控制方面具有一些显著的特点。首先分布式变频系统是一个彻底的变流量系统，一次网流量是一个逐时变化的参数，其运行调节必须依赖于热网监控系统，实现对供热系统的中央监测、统一调度、现场控制、故障诊断，从而保证分布式变频系统的稳定和节能运行。
以乌鲁木齐新联热力有限公司为例，该公司位于乌鲁木齐新市区经济开发区内，紧邻地窝堡机场，供热面积约217万平方米，热源部分有燃煤锅炉4台，分别为40t/h燃煤锅炉一台，65t/h燃煤锅炉一台，80t/h燃煤锅炉一台，130t/h燃煤锅炉一台，共有间联换热站33个。一次管网形式为支状管网，从锅炉房出去后即分为南北两路，分别为DN500管径和DN600管径。
该公司供热区域和面积较为稳定，为了节约运营成本，提高公司效益，2010年6月对供热系统进行了分布式变频改造。主要改造内容包括：
锅炉房配套工艺改造，从主循环泵并联模式调整为一炉一泵模式，循环泵仅负责克服锅炉房内部循环阻力，并设置均压管。
根据水力工况计算结果，对33个换热站全部增设一次网回水加压泵并配置变频调节装置。
建立一套完整的热网监控系统，实现对锅炉房、33个换热站的远程监控。
二、监控系统组成
分布式变频热网监控系统主要由监控调度中心、锅炉房监控系统、换热站监控系统三大部分组成：
监控调度中心通过宽带网络对锅炉房、换热站的实时运行参数进行统一监测，并可以实现全网调度和远程控制。
锅炉房监控系统建立在锅炉原有DCS系统之上，主要是增加均压管前后的监控点，实现对锅炉房内外流量和温度实时监测，并增加锅炉循环泵与鼓引风之间的联锁保护功能。主要监控点包括锅炉总进水管流量计、温度、压力远传仪表，在锅炉总出水上安装温度、压力远传仪表，在外网总供水上安装流量计，温度、压力远传仪表，在外网总回水上添加流量计、温度、压力远传仪表，具体如图1所示。
换热站监控系统实现每个换热站一次网供水温度、压力，一次网回水流量、温度、压力，二次网供水流量、温度、压力，二次网回水温度、压力等参数的监测，并同时对一次网循环泵、二次网循环泵、补水泵进行变频调节控制，控制原理如图2所示。自动控制实现一次网循环泵变频控制一次网供水流量，完成对二次网温度的控制，二次网循环泵变频定压实现对二次网流量的控制，补水泵变频定压控制二次网的回水压力稳定。
三、系统运行策略
温度/热量控制
分布式变频系统的节能主要通过提高锅炉出水温度，增大供回水温差，减小外网流量来实现。分布式变频系统运行时，由于天气等原因，各换热站的需热量会发生变化，各站一次网加压泵变频装置也应作相应调整，即通过改变一次网加压泵的频率来调节二次网热用户的供热量。同时在锅炉房供回水温差一定的前提下，就需要锅炉房的流量发生变化，因此锅炉房循环泵的变频装置也应做适当调整。所有这些调控均可通过热网监控中心完成，以实现对系统的运行控制。
锅炉房运行控制策略一般由DCS系统完成，此处不再详细说明。这里仅就换热站运行控制策略做详细说明。
在换热站运行中，换热站热量控制主要是实现室外温度补偿的供热量和需热量一致的调节。在现场运行控制策略中有四种方法，用户可以根据需要自行选择：直接固定二次网供水温度法、带室外气候补偿的二次网供水温度经验调节法、流量/热量控制法、分时段修正法。
直接固定二次网供水温度法，即不管室外温度如何变化，二次网的供水温度均保持不变。
室外温度补偿(经验法)，即随室外温度变化，改变二次供水温度的设定值，并以该设定值作为调节目标控制一次网回水加压泵频率。这里产生一个经验调节曲线(可以由用户自行更改二次供水温度数据)。当室外温度进入模糊区时，二次供水温度的设定值保持不变，这主要是为了稳定变频器的频率，保护电机。
流量/热量控制法就是设定换热站瞬时流量/热量不超过某一个设定值，这种方法需要以前的供热运行数据积累，根据以前的经验值，设定当前运行值。
分时段修正法用于以下几种场合：有的建筑物白天有人晚上基本无人，如学校等可以分时段运行;即使在相同的室外温度情况下，晴天、雨天、雪天、风力大小等等，建筑物的耗热量是不同的，因此二次网的供水温度值应设定不同值。所谓修正是指分时段运行场合的二次网供水温度与设定值之间的偏差，这样可以更加经济运行。
在新联热力供暖运行初期阶段，有一个二次网水力工况平衡阶段，为了避免采暖用户大范围投诉，热源和换热站先采用定流量的保守运行方案。根据热源总供水温度来调整各个换热站热负荷。首先运行一台40t/h燃煤锅炉，并根据室外温度的变化逐渐提高锅炉出水温度。当炉温升到最大值，回水温度仍然偏低时，投运65t/h锅炉，以此类推将锅炉逐台投运。当进入供热稳定期后，开始启用各换热站固定二次网供水温度的运行策略，分布式变频系统进入变流量调节工况。
根据新联热力各换热站供暖区域建筑的不同情况，我们采用不同的控制策略，如：18号站(新联生活区)为比较老的非节能建筑房，二次网管线比较复杂，一次管网控制策略采用定二次供水温度控制，满足最不利环路的温度，二次管网采用手动给定频率，随着室外温度变化，改变二次网的设定频率;4号站(牧机生产区)为办公室、厂房一次管网控制策略采用定供温控制，二次网调节同18号站;15号站为节能建筑并且二次网供回压差较小，一次管网控制策略采用室外温度曲线法来控制，二次网调节同18号站。
从曲线中可以看出最低温度为-12℃，出现在早晨7点至10点左右，最高温度-1.8度，出现在下午16点左右，是一个较为典型的供暖日气象参数。
锅炉房内部供回水温差保持在40℃左右，而外网供回水温差高达60℃。说明锅炉房均压管处于旁通状态，即一部分锅炉房供水通过均压管直接旁通回锅炉了。结合图5的流量曲线也可以看出，外网流量基本为锅炉房内部流量的60%，约900t/h流量直接旁通回锅炉。当室外温度在下午15点接近最高值时，90MW锅炉进行压火，锅炉房出水温度快速下降，1小时内降到了70℃，这时候外网流量由于各换热站供水温度设定值未及时调整，所需流量快速增加，导致外网流量升至3300t/h，均压管混水流量接近900t/h，然后才逐渐回调。
从供水温度可以看出，当天根据不同时间段设定了两次供水温度。凌晨1点至7点以及11点至16点设定温度为60℃，其余时间设定温度为62℃。在设定供水温度发生改变时，均能明显的观察到一次侧流量的变化，以便尽快实现供水温度的稳定。
二次网流量控制
二次网系统的最佳调节是质量并调，即在改变二次网温度的同时二次网循环流量也随之改变。压力(或二次网循环流量)控制方法主要是根据二次网的供水压力或供回水压差来控制二次网循环水泵的运行频率，实现二次网的流量变化。同时系统流量也随着用户的供热量而变化，主要是通过循环水泵加装变频器来实现。
但是如何控制变频器的频率是一个非常关键的问题。当变频器的频率变化引起二次网的循环流量发生变化，随之二次网的供水温度发生变化，那么前面的温度控制又要发生变化，水泵就会频繁动作，使二次网不稳定，波动比较大。本文给出了如下三种二次网变频频率控制方案，用户可以根据需要自行选择：
直接给定频率：大部分供热系统基本上是采用这种方法，虽然也可以节省由于系统水泵选择偏大而导致的电耗，但是基本上是定流量运行方式，不能实现最大化节能要求。
压差或压力定频率：根据二次网的供水压力或供回水压差来控制二次网循环水泵的运行频率，取压点的位置可以在二次网的供回水管上，有条件的场合可以将测压点放在系统的最不利用户的供回水干管上，该控制模式下也可以称为变流量运行控制。
分阶段改变流量的调节：根据室外温度的变化，将整个采暖季分成几段，在每个不同的阶段对变频器设定不同的输出频率，使二次网的流量随用户的热负荷变化而变化，配合二次网供水温度调节曲线，从而实现分阶段改变流量的质调节，达到最大的节电效果。
四、系统安全策略
分布式变频系统的改造必须兼顾系统安全性，主要是因为锅炉房采取一炉一泵运行时，如果锅炉循环泵突然停止运行，极容易导致锅炉汽化的发生，造成重大安全事故。此外，在外网换热站出现大范围停电时，外网流量瞬间大幅度降低，对锅炉燃烧控制提出了新的要求。因此分布式变频改造必须设置一些安全策略以保证系统的安全运行，如循环泵自动切换、故障报警等。以下分锅炉房安全策略及换热站安全策略两部分进行介绍：
锅炉房安全策略主要包括锅炉循环水泵故障自动切换、锅炉房停电自动开启备用水泵、声光报警提醒值班人员、上报中央控制室报警、采取相应的紧急措施处理等。
为了保证锅炉房循环泵发生故障时系统能照常运行，锅炉循环泵采用一用一备，循环泵变频器与锅炉的鼓风变频、引风变频、炉排变频采用硬件连锁，当运行循环泵发生故障时，鼓风机、引风机、炉排接到信号，依次停止鼓风机、引风机和炉排，同时，备用水泵接到启动信号，自动启动维持锅炉循环水量，并通过声光报警，通过监控系统上报中央控制室报警，及时通知值班人员检查相应变频器与水泵故障，及时维修、取消报警及启动锅炉引风机、鼓风机和炉排。
当锅炉房停电时，系统通过硬件连锁自动切换到备用电路或者柴油发电机组，启动停电处理水泵、声光报警及中央控制室报警，及时通知值班人员，关闭均压管阀门，换热站水泵变频器开到最大，以维持锅炉房水流量，待水流稳定后，取消报警。
换热站安全主要有故障报警、故障保护、报警信息存储等。
故障报警包括数据报警、事件报警等。数据报警指数据参数异常，一般是模拟量，如：压力值达高限等;事件报警：一般是数字量，如水泵停、系统停电等。报警发生时系统将自动上传报警信息，如果上位机收到信息将给控制器下发一个收到的确认信息，如果上位机没有收到报警信息，控制器将不断重复发送，同时在现场的液晶的报警信息栏显示报警信息。控制器还输出一个报警接点，用于控制带蜂鸣的报警指示灯。
故障保护包括：当二次回水压力超高时，自动打开泄水电磁阀，系统二次回水压力达到正常后，自动关闭泄水电磁阀;当二次网回水压力超低时，系统将自动停止运行，关闭一次网阀门，停止循环泵，同时向上位机报警，压力恢复正常后，自动启动系统;当补水箱液位过低时，自动停止补水泵，同时向上位机报警，液位恢复正常一段时间后，自动启动补水泵。
控制器通过组态软件可以对所要报警进行存储。系统存储的报警不会因为系统掉电而丢失。
五、节能效果
乌鲁木齐市2009年至2010年采暖季的室外平均温度为-5.57℃，2010年至2011年采暖季的室外平均温度为-8.72℃。新联热力有限公司2010年至2011年采暖季面积比上一个采暖期增加4万平方米，实际耗煤量从72772吨原煤降低到69598吨，剔除面积变化及室外气象参数变化影响，折算节煤量约19.8%。
2009年至2010年采暖季一网耗电量5441743kWh，2010年至2011年采暖季一网耗电量4357916kWh，节电1163010kWh，节电21.4%。从节电空间来看，没有完全发挥出分布式变频供热系统的潜力，主要是因为室外温度偏低，供热企业希望采取较为安全保守的运行策略，在大部分运行期间，还是采用了定流量运行策略。
在系统电耗、煤耗大幅度降低的情况下，一次网水力失调现象完全消失，最终用户投诉率减少，供热品质得到了提高。分布式变频系统的改造取得了成功。
六、结论
本文主要从分布式变频系统的运行策略和安全策略说明了分布式变频系统的实际运行调节过程。事实上，如果将固定供水温度策略调整为经验曲线调节策略，系统的电耗和煤耗还有进一步的节省空间。
自2008年开始，我们迄今完成了十多个分布式变频系统的改造，涉及换热站数量约400余个。结合本文和分布式变频系统改造实践的设计篇，关于分布式变频供热系统我们可以得出如下结论：
分布式变频系统改造非常适合于供热面积相对稳定、一次管网较长或者阻力偏大、一次网水力失调严重的供热系统。
分布式变频系统改造必须配套完善的监控系统共同实施，实现按需供热的自动化运行，从而实现大幅度的节电、节热效果。
分布式变频系统改造应兼顾系统安全性，尤其是锅炉房的安全运行，实现循环泵的故障自动切换，停电自动切换等措施，避免锅炉汽化事故的发生。
