大型換熱首站電氣及熱控系統(tǒng)的設(shè)計研究

　　摘要：詳細闡述了不同情況下大型換熱首站電氣系統(tǒng)設(shè)計中電源的確定和配電系統(tǒng)的設(shè)計問題.著重介紹了確定大型換熱首站熱控系統(tǒng)的形式、結(jié)構(gòu)及控制功能的方法.總結(jié)了類似工程在設(shè)計過程中應特別注意的若干問題.

　　關(guān)鍵詞：換熱首站;供電系統(tǒng);高壓配電系統(tǒng);熱控系統(tǒng);集散控制系統(tǒng)

　　電氣論文投稿刊物：電氣工程學報為電氣制造企業(yè)提供工廠技術(shù)解決方案，以電氣產(chǎn)品制造為中心，關(guān)注制造電氣產(chǎn)品的新材料、新工藝、新設(shè)計理念和生產(chǎn)管理、質(zhì)量檢測、標準/認證等。

　　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(shè)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(chǎn)緊密結(jié)合的熱電聯(lián)產(chǎn)工程被大量實施•大型換熱首站作為非常重要的市政基礎(chǔ)設(shè)施，如果在生產(chǎn)過程中意外停電，則可能造成嚴重的后果.因此，合理設(shè)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(shè)計兩方面進行探討.

　　1電氣系統(tǒng)設(shè)計

　　1.1電源的確定

　　電氣系統(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu)和設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(nèi)用電的電壓等級一般為6kV，為換熱首站供電的電壓等級相應也采用6kv電源•根據(jù)JGJ16—2008《民用建筑電氣設(shè)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⑴.在工程設(shè)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(shè)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(shè)置變壓器，而直接就近引入兩路0.4kV電源，一用一備，因此可不設(shè)變壓器室.電氣設(shè)備間應設(shè)在換熱首站的第一層，以便于設(shè)備運輸、安裝及維護，也有利于值班人員進行運行控制⑵•

　　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(shè)置;控制值班室應與直流屏室合并設(shè)置.因為熱網(wǎng)循環(huán)水泵多采用高壓電機驅(qū)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(diào)整，所以需要相應設(shè)置高壓變頻器•一般情況下，高壓變頻器一對一設(shè)置，也可根據(jù)工藝及經(jīng)濟運行要求，采用一拖二設(shè)計，同時配備自動或手動切換旁路柜⑷•

　　高壓變頻器室可與低壓變頻柜室合并設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)在配電控制室內(nèi).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(shù)參數(shù)進行監(jiān)控•少量的、作為備用設(shè)備的高壓電機供電由電廠6kV母排引來，可采用高壓負荷開關(guān)柜，并設(shè)置高壓變頻器.

　　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(shè)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(shè)置•其具體方法為：①當以高壓供電時，應采用兩路電源，設(shè)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(guān)設(shè)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(shè)備性質(zhì)、工程分期建設(shè)情況等，對用電負荷進行分組，并針對每組用電設(shè)備設(shè)置一臺總配電柜，且應設(shè)置低壓配電間•這里需要注意的是，對于大功率低壓用電設(shè)備，應單獨設(shè)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⑷.

　　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(shè)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(shè)計人員密切配合，了解工藝設(shè)備運行情況及故障情況.當然，在有必要的情況下，也可設(shè)置雙電源切換開關(guān)，以保證電源的可靠性.

　　1.2配電系統(tǒng)設(shè)計

　　供電系統(tǒng)確定之后需進行高、低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計•在此，不對高、低壓配電系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計內(nèi)容作過多敘述，而著重就高、低壓配電系統(tǒng)設(shè)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(shè)置的相關(guān)問題

　　(1)低壓變頻器的設(shè)置•低壓變頻器的設(shè)置分為兩種:一種情況是控制柜隨工藝設(shè)備配套提供，低壓變頻器設(shè)在控制柜內(nèi);另一種情況是不隨工藝設(shè)備配套提供控制柜，需要對其另行設(shè)計•在工程設(shè)計中，無論是隨工藝設(shè)備配套提供還是另行設(shè)計的控制柜，通常均設(shè)在工藝設(shè)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(shè)計經(jīng)驗和相關(guān)用戶反饋意見，將低壓變頻器控制柜設(shè)在變頻器室或低壓配電室內(nèi)更為合理.這主要是由于換熱首站內(nèi)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(shè)備的腐蝕老化、漏電及短路故障，縮短電氣設(shè)備壽命，且換熱間工藝設(shè)備較多時不便于日常維護管理和設(shè)備檢修.因此，建議將低壓變頻器控制柜集中設(shè)置在電氣用房內(nèi)，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(guān)的設(shè)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(shè)備運行不中斷，首選方法是為低壓變頻器設(shè)置旁路開關(guān)•當變頻器發(fā)生故障時，閉合旁路開關(guān)，電機可轉(zhuǎn)入工頻運行.通常情況下，低壓變頻器并不自帶旁路開關(guān)，若設(shè)置旁路開關(guān)就需要另行設(shè)計.對于小功率電機而言，工頻啟動沒有問題，設(shè)置旁路開關(guān)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(shè)備的正常運行乃至低壓主進開關(guān)造成影響.因此，大功率電機不允許直接啟動，設(shè)置旁路開關(guān)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(shè)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(guān)問題

　　換熱首站工程中的循環(huán)水泵高壓電機一般采用咼壓變頻器控制，通常為一對一控制，即一臺咼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(shè)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(shè)置旁路控制柜，以實現(xiàn)兩臺高壓電機之間的運行切換目前，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(shè)計•為此應結(jié)合實際情況，提出相關(guān)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(shè)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(shè)置軟啟動器，以實現(xiàn)高壓電機的降壓啟動.

　　1.2.3設(shè)置雙電源切換裝置的相關(guān)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(shè)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(shè)置UPS不間斷電源(持續(xù)供電時間不小于0.5h)，以確保停電后熱控系統(tǒng)的短期運行不受影響，相關(guān)設(shè)備能夠正常啟動與關(guān)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(guān)高壓變頻器的安全起停，故應設(shè)置UPS不間斷電源，以其作為備用電源.不間斷電源可集中設(shè)在配電箱內(nèi)的電源側(cè)，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(guān)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(shè)計換熱首站工程熱控系統(tǒng)設(shè)計與熱源廠的熱控系統(tǒng)設(shè)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(guān)量的控制和模擬量的采集.PLC多用于設(shè)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(chǎn)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(chǔ)上發(fā)展起來的•它主要用于控制設(shè)備數(shù)量多、分布廣，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、控制要求高、功能全面、性質(zhì)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(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)、城市地下管廊自動監(jiān)控系統(tǒng)等⑷.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(shè)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⑴.

　　由于換熱首站一次側(cè)熱源是電廠的高溫蒸汽或熱水，而且換熱首站通常被設(shè)在廠區(qū)內(nèi)，其運行與電廠生產(chǎn)關(guān)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⑷•換熱首站工藝設(shè)備及熱工儀表的數(shù)量較少，其DCS應采用小型產(chǎn)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(jié)構(gòu)及控制功能的確定

　　換熱首站自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè)置控制室，其面積不小于20n?，也可與配電控制室合建，相應擴大其面積•控制室的具體設(shè)計要求可參考相關(guān)設(shè)計規(guī)范•控制室內(nèi)的主要自控設(shè)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(shè)置LED顯示屏.這些設(shè)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3〜4m，因此可在控制室上空設(shè)置夾層，用于敷設(shè)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(shè)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(guān)控制室，由電廠相關(guān)控制管理人員進行管理即可.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.

　　2.3系統(tǒng)設(shè)計與相關(guān)專業(yè)的對接

　　原則上，電氣與熱控是兩個不同的專業(yè)，設(shè)計人員各自負責的設(shè)計領(lǐng)域不同、對象不同、要求不同.國內(nèi)知名的市政設(shè)計院大都設(shè)置了電氣專業(yè)設(shè)計組和熱控專業(yè)設(shè)計組，設(shè)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24V以上的設(shè)備及系統(tǒng).在工業(yè)及民用建筑設(shè)計中，它一般包括供電、配電、照明、防雷、接地等內(nèi)容，消防設(shè)計通常也被劃歸電氣專業(yè)范疇.熱控設(shè)計項目一般包含大量的熱控設(shè)計內(nèi)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(nèi)容•相關(guān)設(shè)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(gòu)成、功能及相關(guān)設(shè)計要求，同時也能進行基本的電氣專業(yè)設(shè)計.

　　3結(jié)束語

　　本文討論了不同情況下大型換熱首站電氣系統(tǒng)設(shè)計中，電源的確定和配電系統(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)計工作提供參考.

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