一、概述            
      分布式變頻供熱系統相對于傳統供熱系統而言，在運行與控制方面具有一些顯著的特點。首先分布式變頻系統是一個徹底的變流量系統，一次網流量是一個逐時變化的參數，其運行調節必須依賴于熱網監控系統，實現對供熱系統的中央監測、統一調度、現場控制、故障診斷，從而保證分布式變頻系統的穩定和節能運行。
      以烏魯木齊新聯熱力有限公司為例，該公司位于烏魯木齊新市區經濟開發區內，緊鄰地窩堡機場，供熱面積約217萬平方米，熱源部分有燃煤鍋爐4臺，分別為40t/h燃煤鍋爐一臺，65t/h燃煤鍋爐一臺，80t/h燃煤鍋爐一臺，130t/h燃煤鍋爐一臺，共有間聯換熱站33個。一次管網形式為支狀管網，從鍋爐房出去后即分為南北兩路，分別為DN500管徑和DN600管徑。
      該公司供熱區域和面積較為穩定，為了節約運營成本，提高公司效益，2010年6月對供熱系統進行了分布式變頻改造。主要改造內容包括：
      ● 鍋爐房配套工藝改造，從主循環泵并聯模式調整為一爐一泵模式，循環泵僅負責克服鍋爐房內部循環阻力，并設置均壓管。
      ● 根據水力工況計算結果，對33個換熱站全部增設一次網回水加壓泵并配置變頻調節裝置。
      ● 建立一套完整的熱網監控系統，實現對鍋爐房、33個換熱站的遠程監控。
      二、監控系統組成
      分布式變頻熱網監控系統主要由監控調度中心、鍋爐房監控系統、換熱站監控系統三大部分組成：
      監控調度中心通過寬帶網絡對鍋爐房、換熱站的實時運行參數進行統一監測，并可以實現全網調度和遠程控制。
      鍋爐房監控系統建立在鍋爐原有DCS系統之上，主要是增加均壓管前后的監控點，實現對鍋爐房內外流量和溫度實時監測，并增加鍋爐循環泵與鼓引風之間的聯鎖保護功能。主要監控點包括鍋爐總進水管流量計、溫度、壓力遠傳儀表，在鍋爐總出水上安裝溫度、壓力遠傳儀表，在外網總供水上安裝流量計，溫度、壓力遠傳儀表，在外網總回水上添加流量計、溫度、壓力遠傳儀表，具體如圖1所示。
      換熱站監控系統實現每個換熱站一次網供水溫度、壓力，一次網回水流量、溫度、壓力，二次網供水流量、溫度、壓力，二次網回水溫度、壓力等參數的監測，并同時對一次網循環泵、二次網循環泵、補水泵進行變頻調節控制，控制原理如圖2所示。自動控制實現一次網循環泵變頻控制一次網供水流量，完成對二次網溫度的控制，二次網循環泵變頻定壓實現對二次網流量的控制，補水泵變頻定壓控制二次網的回水壓力穩定。
      三、系統運行策略
      3.1 溫度/熱量控制
      分布式變頻系統的節能主要通過提高鍋爐出水溫度，增大供回水溫差，減小外網流量來實現。分布式變頻系統運行時，由于天氣等原因，各換熱站的需熱量會發生變化，各站一次網加壓泵變頻裝置也應作相應調整，即通過改變一次網加壓泵的頻率來調節二次網熱用戶的供熱量。同時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生變化，因此鍋爐房循環泵的變頻裝置也應做適當調整。所有這些調控均可通過熱網監控中心完成，以實現對系統的運行控制。
      鍋爐房運行控制策略一般由DCS系統完成，此處不再詳細說明。這里僅就換熱站運行控制策略做詳細說明。
      在換熱站運行中，換熱站熱量控制主要是實現室外溫度補償的供熱量和需熱量一致的調節。在現場運行控制策略中有四種方法，用戶可以根據需要自行選擇：直接固定二次網供水溫度法、帶室外氣候補償的二次網供水溫度經驗調節法、流量/熱量控制法、分時段修正法。
      直接固定二次網供水溫度法，即不管室外溫度如何變化，二次網的供水溫度均保持不變。
      室外溫度補償（經驗法），即隨室外溫度變化，改變二次供水溫度的設定值，并以該設定值作為調節目標控制一次網回水加壓泵頻率。這里產生一個經驗調節曲線（可以由用戶自行更改二次供水溫度數據）。當室外溫度進入模糊區時，二次供水溫度的設定值保持不變，這主要是為了穩定變頻器的頻率，保護電機。
      流量/熱量控制法就是設定換熱站瞬時流量/熱量不超過某一個設定值，這種方法需要以前的供熱運行數據積累，根據以前的經驗值，設定當前運行值。
      分時段修正法用于以下幾種場合：有的建筑物白天有人晚上基本無人，如學校等可以分時段運行；即使在相同的室外溫度情況下，晴天、雨天、雪天、風力大小等等，建筑物的耗熱量是不同的，因此二次網的供水溫度值應設定不同值。所謂修正是指分時段運行場合的二次網供水溫度與設定值之間的偏差，這樣可以更加經濟運行。
      在新聯熱力供暖運行初期階段，有一個二次網水力工況平衡階段，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行方案。根據熱源總供水溫度來調整各個換熱站熱負荷。首先運行一臺40t/h燃煤鍋爐，并根據室外溫度的變化逐漸提高鍋爐出水溫度。當爐溫升到最大值，回水溫度仍然偏低時，投運65t/h鍋爐，以此類推將鍋爐逐臺投運。當進入供熱穩定期后，開始啟用各換熱站固定二次網供水溫度的運行策略，分布式變頻系統進入變流量調節工況。
      根據新聯熱力各換熱站供暖區域建筑的不同情況，我們采用不同的控制策略，如：18號站（新聯生活區）為比較老的非節能建筑房，二次網管線比較復雜，一次管網控制策略采用定二次供水溫度控制，滿足最不利環路的溫度，二次管網采用手動給定頻率，隨著室外溫度變化，改變二次網的設定頻率；4號站（牧機生產區）為辦公室、廠房一次管網控制策略采用定供溫控制，二次網調節同18號站；15號站為節能建筑并且二次網供回壓差較小，一次管網控制策略采用室外溫度曲線法來控制，二次網調節同18號站。
      以下根據18號站2011年2月2日一天的運行數據進行控制策略分析。
      圖3為2011年2月2日當天的室外溫度曲線。從曲線中可以看出最低溫度為-12℃，出現在早晨7點至10點左右，最高溫度-1.8度，出現在下午16點左右，是一個較為典型的供暖日氣象參數。
      圖4為當天鍋爐房及外網供回水溫度曲線。從圖中可以看出鍋爐房內部供回水溫差保持在40℃左右，而外網供回水溫差高達60℃。說明鍋爐房均壓管處于旁通狀態，即一部分鍋爐房供水通過均壓管直接旁通回鍋爐了。結合圖5的流量曲線也可以看出，外網流量基本為鍋爐房內部流量的60%，約900t/h流量直接旁通回鍋爐。當室外溫度在下午15點接近最高值時，90MW鍋爐進行壓火，鍋爐房出水溫度快速下降，1小時內降到了70℃，這時候外網流量由于各換熱站供水溫度設定值未及時調整，所需流量快速增加，導致外網流量升至3300t/h，均壓管混水流量接近900t/h，然后才逐漸回調。圖4與圖5相結合較好的反應了分布式變頻系統鍋爐房與外網在不同熱負荷狀態下的流量變化關系，以及熱源供熱量與外網需熱量之間的協調關系。
      圖6是某換熱站在當天一次網流量的變化曲線，圖7是該換熱站二次網供回水溫度調節曲線。從供水溫度可以看出，當天根據不同時間段設定了兩次供水溫度。凌晨1點至7點以及11點至16點設定溫度為60℃，其余時間設定溫度為62℃。在設定供水溫度發生改變時，均能明顯的觀察到一次側流量的變化，以便盡快實現供水溫度的穩定。
      3.2 二次網流量控制
      二次網系統的最佳調節是質量并調，即在改變二次網溫度的同時二次網循環流量也隨之改變。壓力（或二次網循環流量）控制方法主要是根據二次網的供水壓力或供回水壓差來控制二次網循環水泵的運行頻率，實現二次網的流量變化。同時系統流量也隨著用戶的供熱量而變化，主要是通過循環水泵加裝變頻器來實現。
      但是如何控制變頻器的頻率是一個非常關鍵的問題。當變頻器的頻率變化引起二次網的循環流量發生變化，隨之二次網的供水溫度發生變化，那么前面的溫度控制又要發生變化，水泵就會頻繁動作，使二次網不穩定，波動比較大。本文給出了如下三種二次網變頻頻率控制方案，用戶可以根據需要自行選擇：
      3.2.1     直接給定頻率：大部分供熱系統基本上是采用這種方法，雖然也可以節省由于系統水泵選擇偏大而導致的電耗，但是基本上是定流量運行方式，不能實現最大化節能要求。
      3.2.2      壓差或壓力定頻率：根據二次網的供水壓力或供回水壓差來控制二次網循環水泵的運行頻率，取壓點的位置可以在二次網的供回水管上，有條件的場合可以將測壓點放在系統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行控制。
      3.2.3      分階段改變流量的調節：根據室外溫度的變化，將整個采暖季分成幾段，在每個不同的階段對變頻器設定不同的輸出頻率，使二次網的流量隨用戶的熱負荷變化而變化，配合二次網供水溫度調節曲線，從而實現分階段改變流量的質調節，達到最大的節電效果。
      四、系統安全策略
      分布式變頻系統的改造必須兼顧系統安全性，主要是因為鍋爐房采取一爐一泵運行時，如果鍋爐循環泵突然停止運行，極容易導致鍋爐汽化的發生，造成重大安全事故。此外，在外網換熱站出現大范圍停電時，外網流量瞬間大幅度降低，對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置一些安全策略以保證系統的安全運行，如循環泵自動切換、故障報警等。以下分鍋爐房安全策略及換熱站安全策略兩部分進行介紹：
      鍋爐房安全策略主要包括鍋爐循環水泵故障自動切換、鍋爐房停電自動開啟備用水泵、聲光報警提醒值班人員、上報中央控制室報警、采取相應的緊急措施處理等。
      為了保證鍋爐房循環泵發生故障時系統能照常運行，鍋爐循環泵采用一用一備，循環泵變頻器與鍋爐的鼓風變頻、引風變頻、爐排變頻采用硬件連鎖，當運行循環泵發生故障時，鼓風機、引風機、爐排接到信號，依次停止鼓風機、引風機和爐排，同時，備用水泵接到啟動信號，自動啟動維持鍋爐循環水量，并通過聲光報警，通過監控系統上報中央控制室報警，及時通知值班人員檢查相應變頻器與水泵故障，及時維修、取消報警及啟動鍋爐引風機、鼓風機和爐排。
      當鍋爐房停電時，系統通過硬件連鎖自動切換到備用電路或者柴油發電機組，啟動停電處理水泵、聲光報警及中央控制室報警，及時通知值班人員，關閉均壓管閥門，換熱站水泵變頻器開到最大，以維持鍋爐房水流量，待水流穩定后，取消報警。
      換熱站安全主要有故障報警、故障保護、報警信息存儲等。
      故障報警包括數據報警、事件報警等。數據報警指數據參數異常，一般是模擬量，如：壓力值達高限等；事件報警：一般是數字量，如水泵停、系統停電等。報警發生時系統將自動上傳報警信息，如果上位機收到信息將給控制器下發一個收到的確認信息，如果上位機沒有收到報警信息，控制器將不斷重復發送，同時在現場的液晶的報警信息欄顯示報警信息?？刂破鬟€輸出一個報警接點，用于控制帶蜂鳴的報警指示燈。
      故障保護包括：當二次回水壓力超高時，自動打開泄水電磁閥，系統二次回水壓力達到正常后，自動關閉泄水電磁閥；當二次網回水壓力超低時，系統將自動停止運行，關閉一次網閥門，停止循環泵，同時向上位機報警，壓力恢復正常后，自動啟動系統；當補水箱液位過低時，自動停止補水泵，同時向上位機報警，液位恢復正常一段時間后，自動啟動補水泵。
      控制器通過組態軟件可以對所要報警進行存儲。系統存儲的報警不會因為系統掉電而丟失。
      五、節能效果
      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℃。新聯熱力有限公司2010年至2011年采暖季面積比上一個采暖期增加4萬平方米，實際耗煤量從72772噸原煤降低到69598噸，剔除面積變化及室外氣象參數變化影響，折算節煤量約19.8%。
      2009年至2010年采暖季一網耗電量5441743kWh，2010年至2011年采暖季一網耗電量4357916kWh，節電1163010kWh，節電21.4%。從節電空間來看，沒有完全發揮出分布式變頻供熱系統的潛力，主要是因為室外溫度偏低，供熱企業希望采取較為安全保守的運行策略，在大部分運行期間，還是采用了定流量運行策略。
      在系統電耗、煤耗大幅度降低的情況下，一次網水力失調現象完全消失，最終用戶投訴率減少，供熱品質得到了提高。分布式變頻系統的改造取得了成功。
     六、結論
      本文主要從分布式變頻系統的運行策略和安全策略說明了分布式變頻系統的實際運行調節過程。事實上，如果將固定供水溫度策略調整為經驗曲線調節策略，系統的電耗和煤耗還有進一步的節省空間。
      自2008年開始，我們迄今完成了十多個分布式變頻系統的改造，涉及換熱站數量約400余個。結合本文和分布式變頻系統改造實踐的設計篇，關于分布式變頻供熱系統我們可以得出如下結論：
      6.1 分布式變頻系統改造非常適合于供熱面積相對穩定、一次管網較長或者阻力偏大、一次網水力失調嚴重的供熱系統。
      6.2 分布式變頻系統改造必須配套完善的監控系統共同實施，實現按需供熱的自動化運行，從而實現大幅度的節電、節熱效果。
      6.3 分布式變頻系統改造應兼顧系統安全性，尤其是鍋爐房的安全運行，實現循環泵的故障自動切換，停電自動切換等措施，避免鍋爐汽化事故的發生。----北京碩人時代科技有限公司 張旭  ，   烏魯木齊新聯熱力有限公司 宋軍 潘立平