大型換熱首站電氣及熱控系統的設計研究

許 冬

(機械工業第六設計研究院有限公司 市政工程院，河南 鄭州 450007)

隨著我國城鎮化的持續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.為了推廣綠色發展理念，高效集約利用能源，與電廠生產緊密結合的熱電聯產工程被大量實施.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是十分重要的.本文擬針對大型換熱首站工程，從電氣系統和熱控系統設計兩方面進行探討.

1 電氣系統設計

1.1 電源的確定

電氣系統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JGJ16-2008《民用建筑電氣設計規范》，區域性換熱站用電負荷應按其規模、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.

因為熱網循環水泵多采用高壓電機驅動，且系統需要根據室外溫度和一次網出水溫度對循環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，也可根據工藝及經濟運行要求，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.若根據工藝運行要求，熱網循環水泵采用工頻運行方式，則需根據實際情況設置高壓軟啟動器.

當高壓配電系統采用微機綜合保護裝置時，需設置一套微機電氣監控系統，以實現對全站配電系統的保護、遙測、遙控等.微機電氣監控系統可設在配電控制室內.換熱首站中控室能夠通過電氣系統的后臺，對電氣系統的主要技術參數進行監控.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如圖1所示.

圖1 高壓負荷開關柜系統

1.1.2 以低壓電機為主要用電負荷

若熱網循環水泵以氣動泵為主，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，應根據實際情況確定供電電壓等級.前期工作中應全面掌握現場電源情況，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、變壓器、低壓配電系統及直流屏等相關設施和用房；②當采用低壓供電時，應根據用電負荷大小、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格，節約成本，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生故障而造成整個系統不能運行的情況發生.這就要求電氣專業與工藝專業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 配電系統設計

供電系統確定之后需進行高、低壓配電系統的設計.在此，不對高、低壓配電系統的常規設計內容作過多敘述，而著重就高、低壓配電系統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場，以利于電機保護功能的實現和操作控制.但是，根據換熱首站的工程設計經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境溫度較高，不利于變頻器散熱，潮濕環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故障的可能，當變頻器出現故障時，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，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，可能對配電系統的正常運行造成影響，給系統控制帶來不便，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據安全的負荷，應當采用雙電源供電.

首先，熱控系統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，以保證供電的連續性.對于熱控系統機柜、工程師站及電動蝶閥等重要負荷，還應設置UPS不間斷電源(持續供電時間不小于0.5 h)，以確保停電后熱控系統的短期運行不受影響，相關設備能夠正常啟動與關閉，系統數據存儲安全、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 熱控系統設計

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

2.1 系統形式的選擇

目前普遍采用且已經運行成熟的自控系統主要有PLC控制系統、SCADA控制系統及DCS控制系統.

PLC是可編程邏輯控制器的簡稱，主要實現現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模的自動控制系統，如污水處理廠、自來水凈水廠、各類中小型泵站、區域及居住小區換熱站、機械工廠自動化生產線、公共建筑等的自動化監控系統.

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

DCS又稱為集散控制系統，是相對于集中式控制系統的一種計算機控制系統.DCS主要用于控制設備較為分散的大規模自動化控制系統，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內，其運行與電廠生產關系密切，兩者之間應能實現數據交換，電廠中控室能夠監測換熱首站的運行狀態，換熱首站自控系統需要與電廠自控系統實現兼容，但電廠采用的是DCS，因此換熱首站也應采用DCS，以便于將數據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，因而只需對電廠現有DCS進行擴展即可，以節省空間，減少工作人員數量，從而節約后期的運行費用.

2.2 系統結構及控制功能的確定

換熱首站自控系統結構相對簡單，一般分為自建控制系統和利用電廠原有控制系統兩種情況.利用電廠原有控制系統的情況，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.具體可根據不同情況選擇相應的管理方式.

對于自建控制系統而言，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、工業電視監控系統、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.控制系統能夠通過通訊模塊將主要數據傳送給電廠中控室，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字信號的穩定可靠.

圖2 熱控網絡構成

2.3 系統設計與相關專業的對接

原則上，電氣與熱控是兩個不同的專業，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設計組和熱控專業設計組，設計圖紙也是分開出圖的.

這里，電氣專業指強電專業，針對供、用電電壓在24 V以上的設備及系統.在工業及民用建筑設計中，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(也就是動力專業)與控制專業兩方面的內容.相關設計人員既要對供熱系統及其功能有深入了解，又要掌握自控系統原理、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設計中，電源的確定和配電系統設計的一般思路；著重分析了確定大型換熱首站熱控系統的形式、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.