大型换热首站电气及热控系统的设计研究

许 冬

(机械工业第六设计研究院有限公司 市政工程院，河南 郑州 450007)

随着我国城镇化的持续推进和人民群众生活水平的不断提高，城市生活集中供暖的改善将长期是城市建设的重要任务.为了推广绿色发展理念，高效集约利用能源，与电厂生产紧密结合的热电联产工程被大量实施.大型换热首站作为非常重要的市政基础设施，如果在生产过程中意外停电，则可能造成严重的后果.因此，合理设计大型换热首站的电气及热控系统是十分重要的.本文拟针对大型换热首站工程，从电气系统和热控系统设计两方面进行探讨.

1 电气系统设计

1.1 电源的确定

电气系统设计的首要任务是对电源进行合理安排.电源直接决定了电气系统的结构和设备.确定电源，首先要确定电源的电压等级.对于大型换热首站而言，考虑其工艺上的设计要求，为了便于利用电厂的高温热水或蒸汽，应靠近电厂设置.其电源通常由电厂供给.针对不同电压等级的用电负荷，应采用不同的电源设计思路.

1.1.1 以高压电机为主要用电负荷

火力发电厂厂内用电的电压等级一般为6 kV，为换热首站供电的电压等级相应也采用6 kV电源.根据JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》，区域性换热站用电负荷应按其规模、重要性等因素合理确定负荷等级，且不应低于二级[1].在工程设计中，换热首站用电可划归二级负荷.因此，需要采用双回路供电，且应满足二级负荷的要求.当其中一路电源发生故障时，另一路电源应能负担全部的二级负荷.

电源确定后需要相应设置配变电所，包括高压配电间、变压器室、低压配电间、控制值班室等.换热首站的低压用电负荷较小，可不设置变压器，而直接就近引入两路0.4 kV电源，一用一备，因此可不设变压器室.电气设备间应设在换热首站的第一层，以便于设备运输、安装及维护，也有利于值班人员进行运行控制[2].通常情况下，受空间等因素所限，高压配电室和低压配电室可合并设置；控制值班室应与直流屏室合并设置.

因为热网循环水泵多采用高压电机驱动，且系统需要根据室外温度和一次网出水温度对循环水泵的运行频率进行调整，所以需要相应设置高压变频器.一般情况下，高压变频器一对一设置，也可根据工艺及经济运行要求，采用一拖二设计，同时配备自动或手动切换旁路柜[3].高压变频器室可与低压变频柜室合并设置.由于高压变频器可将电机功率因数提高至0.9以上(合资或进口品牌的性能更高)，故可不设置高压电容补偿装置.若根据工艺运行要求，热网循环水泵采用工频运行方式，则需根据实际情况设置高压软启动器.

当高压配电系统采用微机综合保护装置时，需设置一套微机电气监控系统，以实现对全站配电系统的保护、遥测、遥控等.微机电气监控系统可设在配电控制室内.换热首站中控室能够通过电气系统的后台，对电气系统的主要技术参数进行监控.少量的、作为备用设备的高压电机供电由电厂6 kV母排引来，可采用高压负荷开关柜，并设置高压变频器.高压负荷开关柜系统如图1所示.

图1 高压负荷开关柜系统

1.1.2 以低压电机为主要用电负荷

若热网循环水泵以气动泵为主，电动泵为辅，则换热首站主要为低压负荷，而高压负荷较小.此时，应根据实际情况确定供电电压等级.前期工作中应全面掌握现场电源情况，与电厂及建设方进行充分沟通，综合考虑用电负荷、供电距离、现场空间、投资成本及控制管理要求等多方面因素，进行方案比较，最终确定电源的设置.其具体方法为：①当以高压供电时，应采用两路电源，设置高压配电系统、变压器、低压配电系统及直流屏等相关设施和用房；②当采用低压供电时，应根据用电负荷大小、用电设备性质、工程分期建设情况等，对用电负荷进行分组，并针对每组用电设备设置一台总配电柜，且应设置低压配电间.这里需要注意的是，对于大功率低压用电设备，应单独设置低压电容补偿装置，以减小供电回路的计算电流和供电电缆规格，节约成本，降低电能损耗[4].

在供电单位可提供能满足二级负荷要求的若干路低压电源时，应按照负荷分组情况确定所需低压电源回路的数量和容量，但不能同时断电的设备组需由不同的低压电源分别供电，以避免因一路电源发生故障而造成整个系统不能运行的情况发生.这就要求电气专业与工艺专业的设计人员密切配合，了解工艺设备运行情况及故障情况.当然，在有必要的情况下，也可设置双电源切换开关，以保证电源的可靠性.

1.2 配电系统设计

供电系统确定之后需进行高、低压配电系统的设计.在此，不对高、低压配电系统的常规设计内容作过多叙述，而着重就高、低压配电系统设计中应特别注意的问题或不同于其他类型工程的情况进行讨论.

1.2.1 低压变频器设置的相关问题

(1) 低压变频器的设置.低压变频器的设置分为两种：一种情况是控制柜随工艺设备配套提供，低压变频器设在控制柜内；另一种情况是不随工艺设备配套提供控制柜，需要对其另行设计.在工程设计中，无论是随工艺设备配套提供还是另行设计的控制柜，通常均设在工艺设备现场，以利于电机保护功能的实现和操作控制.但是，根据换热首站的工程设计经验和相关用户反馈意见，将低压变频器控制柜设在变频器室或低压配电室内更为合理.这主要是由于换热首站内环境温度较高，不利于变频器散热，潮湿环境易造成电气设备的腐蚀老化、漏电及短路故障，缩短电气设备寿命，且换热间工艺设备较多时不便于日常维护管理和设备检修.因此，建议将低压变频器控制柜集中设置在电气用房内，并采取必要的通风及降温措施，以利于变频器的长期、稳定运行，延长其使用寿命.

(2) 低压变频器旁路开关的设置.低压变频器存在出现故障的可能，当变频器出现故障时，要保证工艺设备运行不中断，首选方法是为低压变频器设置旁路开关.当变频器发生故障时，闭合旁路开关，电机可转入工频运行.通常情况下，低压变频器并不自带旁路开关，若设置旁路开关就需要另行设计.

对于小功率电机而言，工频启动没有问题，设置旁路开关是可以的.但是，大功率电机工频启动的电流很大，一般是电机额定电流的4～7倍，会对其他设备的正常运行乃至低压主进开关造成影响.因此，大功率电机不允许直接启动，设置旁路开关的做法实际上是没有意义的.在换热首站工程中，水泵等大功率低压电机均为一用一备，而变频器采用一对一设置.当一台电机配套的变频器出现故障时，可启动另一台电机来变频运行.

1.2.2 高压电机控制的相关问题

换热首站工程中的循环水泵高压电机一般采用高压变频器控制，通常为一对一控制，即一台高压电机对应一台高压变频器.但有的情况下循环水泵需设置备用泵，考虑到建筑空间限制并从降低投资成本的角度出发，可采用高压变频器一拖二控制，即两台高压电机对应一台高压变频器.这时需要设置旁路控制柜，以实现两台高压电机之间的运行切换[5].

目前,主要的高压变频器厂家对旁路控制柜的配置要求不统一，有些厂家可以配套提供，而有些厂家不提供，需要另行设计.为此应结合实际情况，提出相关要求或具体解决方案.

在特定情况下，高压电机不需要变频控制，而是采用工频运行方式,不再设置高压变频器.如果采用高压电机直接控制方式，则存在与低压电机类似的启动电流过大问题，可能对配电系统的正常运行造成影响，给系统控制带来不便，因此需要采取降压启动措施.为此，建议设置软启动器，以实现高压电机的降压启动.

1.2.3 设置双电源切换装置的相关问题

换热首站的整体用电负荷等级属于二级，外部电源应满足二级负荷要求.但一些重要或涉及设备控制及数据安全的负荷，应当采用双电源供电.

首先，热控系统及电动阀控制柜应采用双电源供电.两路电源互为备用，当一路电源停电时自动切换到备用电源，以保证供电的连续性.对于热控系统机柜、工程师站及电动蝶阀等重要负荷，还应设置UPS不间断电源(持续供电时间不小于0.5 h)，以确保停电后热控系统的短期运行不受影响，相关设备能够正常启动与关闭，系统数据存储安全、不丢失.

其次，由于高压变频器的外控电源事关高压变频器的安全起停，故应设置UPS不间断电源，以其作为备用电源.不间断电源可集中设在配电箱内的电源侧，其容量应满足对多台高压变频器控制所需的最大负荷.

除此之外，凡涉及消防及应急照明的相关用电负荷均应采用双电源供电，且能在最末一级配电箱处自动切换.

2 热控系统设计

换热首站工程热控系统设计与热源厂的热控系统设计有相似之处，但也有其自身特点.

2.1 系统形式的选择

目前普遍采用且已经运行成熟的自控系统主要有PLC控制系统、SCADA控制系统及DCS控制系统.

PLC是可编程逻辑控制器的简称，主要实现现场开关量的控制和模拟量的采集.PLC多用于设备相对集中且为中小规模的自动控制系统，如污水处理厂、自来水净水厂、各类中小型泵站、区域及居住小区换热站、机械工厂自动化生产线、公共建筑等的自动化监控系统.

SCADA控制系统即数据采集与监控系统，是在PLC和分布式控制系统(DCS)的基础上发展起来的.它主要用于控制设备数量多、分布广，控制系统结构复杂、控制要求高、功能全面、性质重要的大型自动化控制系统，例如大型发电厂监控系统、市政电力监控系统、市政热力调度监控系统、城市地下管廊自动监控系统等[6].

DCS又称为集散控制系统，是相对于集中式控制系统的一种计算机控制系统.DCS主要用于控制设备较为分散的大规模自动化控制系统，例如为市政供热的热源厂、大中型锅炉房等[7].

由于换热首站一次侧热源是电厂的高温蒸汽或热水，而且换热首站通常被设在厂区内，其运行与电厂生产关系密切，两者之间应能实现数据交换，电厂中控室能够监测换热首站的运行状态，换热首站自控系统需要与电厂自控系统实现兼容，但电厂采用的是DCS，因此换热首站也应采用DCS，以便于将数据上传至电厂控制中心[8].换热首站工艺设备及热工仪表的数量较少，其DCS应采用小型产品，或直接由电厂的DCS进行控制，因而只需对电厂现有DCS进行扩展即可，以节省空间，减少工作人员数量，从而节约后期的运行费用.

2.2 系统结构及控制功能的确定

换热首站自控系统结构相对简单，一般分为自建控制系统和利用电厂原有控制系统两种情况.利用电厂原有控制系统的情况，一般由电厂方面负责运行管理换热首站；而自建控制系统的情况则通常由电厂以外单位运行管理换热首站.具体可根据不同情况选择相应的管理方式.

对于自建控制系统而言，应在换热间首层靠近外墙部位设置控制室，其面积不小于20 m2，也可与配电控制室合建，相应扩大其面积.控制室的具体设计要求可参考相关设计规范.控制室内的主要自控设备有工程师站、操作员站、DCS机柜、打印机、工业电视监控系统、热工配电箱及UPS不间断电源等，需要时也可设置LED显示屏.这些设备的布置应简洁统一，便于操作、观察及维护，并且留有供人员观摩、行走的足够空间.由于换热首站通常层高较大，而控制室一般层高为3～4 m，因此可在控制室上空设置夹层，用于敷设电缆桥架，且可避免控制室直接位于存在积水场所的正下方.控制系统能够通过通讯模块将主要数据传送给电厂中控室，以便及时掌握换热首站的运行情况.

对于利用电厂原有控制系统的情况，换热首站无需单独设置控制室，只要将各类控制信号通过电缆或光缆上传到电厂相关控制室，由电厂相关控制管理人员进行管理即可.热控网络构成如图2所示.对于这种情况，由于信号传输距离较远，因此需采取弱电信号的抗干扰措施，以保证各类信号尤其是数字信号的稳定可靠.

图2 热控网络构成

2.3 系统设计与相关专业的对接

原则上，电气与热控是两个不同的专业，设计人员各自负责的设计领域不同、对象不同、要求不同.国内知名的市政设计院大都设置了电气专业设计组和热控专业设计组，设计图纸也是分开出图的.

这里，电气专业指强电专业，针对供、用电电压在24 V以上的设备及系统.在工业及民用建筑设计中，它一般包括供电、配电、照明、防雷、接地等内容，消防设计通常也被划归电气专业范畴.

热控设计项目一般包含大量的热控设计内容，它涉及供热专业(也就是动力专业)与控制专业两方面的内容.相关设计人员既要对供热系统及其功能有深入了解，又要掌握自控系统原理、构成、功能及相关设计要求，同时也能进行基本的电气专业设计.

3 结束语

本文讨论了不同情况下大型换热首站电气系统设计中，电源的确定和配电系统设计的一般思路；着重分析了确定大型换热首站热控系统的形式、结构及控制功能的一般方法；能够为大型换热首站及类似工程的设计工作提供参考.