大型換熱首站電氣及熱控系統(tǒng)的設計研究

許 冬

(機械工業(yè)第六設計研究院有限公司 市政工程院，河南 鄭州 450007)

隨著我國城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進和人民群眾生活水平的不斷提高，城市生活集中供暖的改善將長期是城市建設的重要任務.為了推廣綠色發(fā)展理念，高效集約利用能源，與電廠生產緊密結合的熱電聯(lián)產工程被大量實施.大型換熱首站作為非常重要的市政基礎設施，如果在生產過程中意外停電，則可能造成嚴重的后果.因此，合理設計大型換熱首站的電氣及熱控系統(tǒng)是十分重要的.本文擬針對大型換熱首站工程，從電氣系統(tǒng)和熱控系統(tǒng)設計兩方面進行探討.

1 電氣系統(tǒng)設計

1.1 電源的確定

電氣系統(tǒng)設計的首要任務是對電源進行合理安排.電源直接決定了電氣系統(tǒng)的結構和設備.確定電源，首先要確定電源的電壓等級.對于大型換熱首站而言，考慮其工藝上的設計要求，為了便于利用電廠的高溫熱水或蒸汽，應靠近電廠設置.其電源通常由電廠供給.針對不同電壓等級的用電負荷，應采用不同的電源設計思路.

1.1.1 以高壓電機為主要用電負荷

火力發(fā)電廠廠內用電的電壓等級一般為6 kV，為換熱首站供電的電壓等級相應也采用6 kV電源.根據(jù)JGJ16-2008《民用建筑電氣設計規(guī)范》，區(qū)域性換熱站用電負荷應按其規(guī)模、重要性等因素合理確定負荷等級，且不應低于二級[1].在工程設計中，換熱首站用電可劃歸二級負荷.因此，需要采用雙回路供電，且應滿足二級負荷的要求.當其中一路電源發(fā)生故障時，另一路電源應能負擔全部的二級負荷.

電源確定后需要相應設置配變電所，包括高壓配電間、變壓器室、低壓配電間、控制值班室等.換熱首站的低壓用電負荷較小，可不設置變壓器，而直接就近引入兩路0.4 kV電源，一用一備，因此可不設變壓器室.電氣設備間應設在換熱首站的第一層，以便于設備運輸、安裝及維護，也有利于值班人員進行運行控制[2].通常情況下，受空間等因素所限，高壓配電室和低壓配電室可合并設置；控制值班室應與直流屏室合并設置.

因為熱網(wǎng)循環(huán)水泵多采用高壓電機驅動，且系統(tǒng)需要根據(jù)室外溫度和一次網(wǎng)出水溫度對循環(huán)水泵的運行頻率進行調整，所以需要相應設置高壓變頻器.一般情況下，高壓變頻器一對一設置，也可根據(jù)工藝及經(jīng)濟運行要求，采用一拖二設計，同時配備自動或手動切換旁路柜[3].高壓變頻器室可與低壓變頻柜室合并設置.由于高壓變頻器可將電機功率因數(shù)提高至0.9以上(合資或進口品牌的性能更高)，故可不設置高壓電容補償裝置.若根據(jù)工藝運行要求，熱網(wǎng)循環(huán)水泵采用工頻運行方式，則需根據(jù)實際情況設置高壓軟啟動器.

當高壓配電系統(tǒng)采用微機綜合保護裝置時，需設置一套微機電氣監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對全站配電系統(tǒng)的保護、遙測、遙控等.微機電氣監(jiān)控系統(tǒng)可設在配電控制室內.換熱首站中控室能夠通過電氣系統(tǒng)的后臺，對電氣系統(tǒng)的主要技術參數(shù)進行監(jiān)控.少量的、作為備用設備的高壓電機供電由電廠6 kV母排引來，可采用高壓負荷開關柜，并設置高壓變頻器.高壓負荷開關柜系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 高壓負荷開關柜系統(tǒng)

1.1.2 以低壓電機為主要用電負荷

若熱網(wǎng)循環(huán)水泵以氣動泵為主，電動泵為輔，則換熱首站主要為低壓負荷，而高壓負荷較小.此時，應根據(jù)實際情況確定供電電壓等級.前期工作中應全面掌握現(xiàn)場電源情況，與電廠及建設方進行充分溝通，綜合考慮用電負荷、供電距離、現(xiàn)場空間、投資成本及控制管理要求等多方面因素，進行方案比較，最終確定電源的設置.其具體方法為：①當以高壓供電時，應采用兩路電源，設置高壓配電系統(tǒng)、變壓器、低壓配電系統(tǒng)及直流屏等相關設施和用房；②當采用低壓供電時，應根據(jù)用電負荷大小、用電設備性質、工程分期建設情況等，對用電負荷進行分組，并針對每組用電設備設置一臺總配電柜，且應設置低壓配電間.這里需要注意的是，對于大功率低壓用電設備，應單獨設置低壓電容補償裝置，以減小供電回路的計算電流和供電電纜規(guī)格，節(jié)約成本，降低電能損耗[4].

在供電單位可提供能滿足二級負荷要求的若干路低壓電源時，應按照負荷分組情況確定所需低壓電源回路的數(shù)量和容量，但不能同時斷電的設備組需由不同的低壓電源分別供電，以避免因一路電源發(fā)生故障而造成整個系統(tǒng)不能運行的情況發(fā)生.這就要求電氣專業(yè)與工藝專業(yè)的設計人員密切配合，了解工藝設備運行情況及故障情況.當然，在有必要的情況下，也可設置雙電源切換開關，以保證電源的可靠性.

1.2 配電系統(tǒng)設計

供電系統(tǒng)確定之后需進行高、低壓配電系統(tǒng)的設計.在此，不對高、低壓配電系統(tǒng)的常規(guī)設計內容作過多敘述，而著重就高、低壓配電系統(tǒng)設計中應特別注意的問題或不同于其他類型工程的情況進行討論.

1.2.1 低壓變頻器設置的相關問題

(1) 低壓變頻器的設置.低壓變頻器的設置分為兩種：一種情況是控制柜隨工藝設備配套提供，低壓變頻器設在控制柜內；另一種情況是不隨工藝設備配套提供控制柜，需要對其另行設計.在工程設計中，無論是隨工藝設備配套提供還是另行設計的控制柜，通常均設在工藝設備現(xiàn)場，以利于電機保護功能的實現(xiàn)和操作控制.但是，根據(jù)換熱首站的工程設計經(jīng)驗和相關用戶反饋意見，將低壓變頻器控制柜設在變頻器室或低壓配電室內更為合理.這主要是由于換熱首站內環(huán)境溫度較高，不利于變頻器散熱，潮濕環(huán)境易造成電氣設備的腐蝕老化、漏電及短路故障，縮短電氣設備壽命，且換熱間工藝設備較多時不便于日常維護管理和設備檢修.因此，建議將低壓變頻器控制柜集中設置在電氣用房內，并采取必要的通風及降溫措施，以利于變頻器的長期、穩(wěn)定運行，延長其使用壽命.

(2) 低壓變頻器旁路開關的設置.低壓變頻器存在出現(xiàn)故障的可能，當變頻器出現(xiàn)故障時，要保證工藝設備運行不中斷，首選方法是為低壓變頻器設置旁路開關.當變頻器發(fā)生故障時，閉合旁路開關，電機可轉入工頻運行.通常情況下，低壓變頻器并不自帶旁路開關，若設置旁路開關就需要另行設計.

對于小功率電機而言，工頻啟動沒有問題，設置旁路開關是可以的.但是，大功率電機工頻啟動的電流很大，一般是電機額定電流的4～7倍，會對其他設備的正常運行乃至低壓主進開關造成影響.因此，大功率電機不允許直接啟動，設置旁路開關的做法實際上是沒有意義的.在換熱首站工程中，水泵等大功率低壓電機均為一用一備，而變頻器采用一對一設置.當一臺電機配套的變頻器出現(xiàn)故障時，可啟動另一臺電機來變頻運行.

1.2.2 高壓電機控制的相關問題

換熱首站工程中的循環(huán)水泵高壓電機一般采用高壓變頻器控制，通常為一對一控制，即一臺高壓電機對應一臺高壓變頻器.但有的情況下循環(huán)水泵需設置備用泵，考慮到建筑空間限制并從降低投資成本的角度出發(fā)，可采用高壓變頻器一拖二控制，即兩臺高壓電機對應一臺高壓變頻器.這時需要設置旁路控制柜，以實現(xiàn)兩臺高壓電機之間的運行切換[5].

目前,主要的高壓變頻器廠家對旁路控制柜的配置要求不統(tǒng)一，有些廠家可以配套提供，而有些廠家不提供，需要另行設計.為此應結合實際情況，提出相關要求或具體解決方案.

在特定情況下，高壓電機不需要變頻控制，而是采用工頻運行方式,不再設置高壓變頻器.如果采用高壓電機直接控制方式，則存在與低壓電機類似的啟動電流過大問題，可能對配電系統(tǒng)的正常運行造成影響，給系統(tǒng)控制帶來不便，因此需要采取降壓啟動措施.為此，建議設置軟啟動器，以實現(xiàn)高壓電機的降壓啟動.

1.2.3 設置雙電源切換裝置的相關問題

換熱首站的整體用電負荷等級屬于二級，外部電源應滿足二級負荷要求.但一些重要或涉及設備控制及數(shù)據(jù)安全的負荷，應當采用雙電源供電.

首先，熱控系統(tǒng)及電動閥控制柜應采用雙電源供電.兩路電源互為備用，當一路電源停電時自動切換到備用電源，以保證供電的連續(xù)性.對于熱控系統(tǒng)機柜、工程師站及電動蝶閥等重要負荷，還應設置UPS不間斷電源(持續(xù)供電時間不小于0.5 h)，以確保停電后熱控系統(tǒng)的短期運行不受影響，相關設備能夠正常啟動與關閉，系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲安全、不丟失.

其次，由于高壓變頻器的外控電源事關高壓變頻器的安全起停，故應設置UPS不間斷電源，以其作為備用電源.不間斷電源可集中設在配電箱內的電源側，其容量應滿足對多臺高壓變頻器控制所需的最大負荷.

除此之外，凡涉及消防及應急照明的相關用電負荷均應采用雙電源供電，且能在最末一級配電箱處自動切換.

2 熱控系統(tǒng)設計

換熱首站工程熱控系統(tǒng)設計與熱源廠的熱控系統(tǒng)設計有相似之處，但也有其自身特點.

2.1 系統(tǒng)形式的選擇

目前普遍采用且已經(jīng)運行成熟的自控系統(tǒng)主要有PLC控制系統(tǒng)、SCADA控制系統(tǒng)及DCS控制系統(tǒng).

PLC是可編程邏輯控制器的簡稱，主要實現(xiàn)現(xiàn)場開關量的控制和模擬量的采集.PLC多用于設備相對集中且為中小規(guī)模的自動控制系統(tǒng)，如污水處理廠、自來水凈水廠、各類中小型泵站、區(qū)域及居住小區(qū)換熱站、機械工廠自動化生產線、公共建筑等的自動化監(jiān)控系統(tǒng).

SCADA控制系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，是在PLC和分布式控制系統(tǒng)(DCS)的基礎上發(fā)展起來的.它主要用于控制設備數(shù)量多、分布廣，控制系統(tǒng)結構復雜、控制要求高、功能全面、性質重要的大型自動化控制系統(tǒng)，例如大型發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)、市政電力監(jiān)控系統(tǒng)、市政熱力調度監(jiān)控系統(tǒng)、城市地下管廊自動監(jiān)控系統(tǒng)等[6].

DCS又稱為集散控制系統(tǒng)，是相對于集中式控制系統(tǒng)的一種計算機控制系統(tǒng).DCS主要用于控制設備較為分散的大規(guī)模自動化控制系統(tǒng)，例如為市政供熱的熱源廠、大中型鍋爐房等[7].

由于換熱首站一次側熱源是電廠的高溫蒸汽或熱水，而且換熱首站通常被設在廠區(qū)內，其運行與電廠生產關系密切，兩者之間應能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，電廠中控室能夠監(jiān)測換熱首站的運行狀態(tài)，換熱首站自控系統(tǒng)需要與電廠自控系統(tǒng)實現(xiàn)兼容，但電廠采用的是DCS，因此換熱首站也應采用DCS，以便于將數(shù)據(jù)上傳至電廠控制中心[8].換熱首站工藝設備及熱工儀表的數(shù)量較少，其DCS應采用小型產品，或直接由電廠的DCS進行控制，因而只需對電廠現(xiàn)有DCS進行擴展即可，以節(jié)省空間，減少工作人員數(shù)量，從而節(jié)約后期的運行費用.

2.2 系統(tǒng)結構及控制功能的確定

換熱首站自控系統(tǒng)結構相對簡單，一般分為自建控制系統(tǒng)和利用電廠原有控制系統(tǒng)兩種情況.利用電廠原有控制系統(tǒng)的情況，一般由電廠方面負責運行管理換熱首站；而自建控制系統(tǒng)的情況則通常由電廠以外單位運行管理換熱首站.具體可根據(jù)不同情況選擇相應的管理方式.

對于自建控制系統(tǒng)而言，應在換熱間首層靠近外墻部位設置控制室，其面積不小于20 m2，也可與配電控制室合建，相應擴大其面積.控制室的具體設計要求可參考相關設計規(guī)范.控制室內的主要自控設備有工程師站、操作員站、DCS機柜、打印機、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)、熱工配電箱及UPS不間斷電源等，需要時也可設置LED顯示屏.這些設備的布置應簡潔統(tǒng)一，便于操作、觀察及維護，并且留有供人員觀摩、行走的足夠空間.由于換熱首站通常層高較大，而控制室一般層高為3～4 m，因此可在控制室上空設置夾層，用于敷設電纜橋架，且可避免控制室直接位于存在積水場所的正下方.控制系統(tǒng)能夠通過通訊模塊將主要數(shù)據(jù)傳送給電廠中控室，以便及時掌握換熱首站的運行情況.

對于利用電廠原有控制系統(tǒng)的情況，換熱首站無需單獨設置控制室，只要將各類控制信號通過電纜或光纜上傳到電廠相關控制室，由電廠相關控制管理人員進行管理即可.熱控網(wǎng)絡構成如圖2所示.對于這種情況，由于信號傳輸距離較遠，因此需采取弱電信號的抗干擾措施，以保證各類信號尤其是數(shù)字信號的穩(wěn)定可靠.

圖2 熱控網(wǎng)絡構成

2.3 系統(tǒng)設計與相關專業(yè)的對接

原則上，電氣與熱控是兩個不同的專業(yè)，設計人員各自負責的設計領域不同、對象不同、要求不同.國內知名的市政設計院大都設置了電氣專業(yè)設計組和熱控專業(yè)設計組，設計圖紙也是分開出圖的.

這里，電氣專業(yè)指強電專業(yè)，針對供、用電電壓在24 V以上的設備及系統(tǒng).在工業(yè)及民用建筑設計中，它一般包括供電、配電、照明、防雷、接地等內容，消防設計通常也被劃歸電氣專業(yè)范疇.

熱控設計項目一般包含大量的熱控設計內容，它涉及供熱專業(yè)(也就是動力專業(yè))與控制專業(yè)兩方面的內容.相關設計人員既要對供熱系統(tǒng)及其功能有深入了解，又要掌握自控系統(tǒng)原理、構成、功能及相關設計要求，同時也能進行基本的電氣專業(yè)設計.

3 結束語

本文討論了不同情況下大型換熱首站電氣系統(tǒng)設計中，電源的確定和配電系統(tǒng)設計的一般思路；著重分析了確定大型換熱首站熱控系統(tǒng)的形式、結構及控制功能的一般方法；能夠為大型換熱首站及類似工程的設計工作提供參考.