許 冬

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 市政工程院，河南 鄭州 450007)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進(jìn)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(zhǎng)期是城市建設(shè)的重要任務(wù).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(shí)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(guò)程中意外停電，則可能造成嚴(yán)重的后果.因此，合理設(shè)計(jì)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(duì)大型換熱首站工程，從電氣系統(tǒng)和熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行探討.

1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電源的確定

電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是對(duì)電源進(jìn)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(jí).對(duì)于大型換熱首站而言，考慮其工藝上的設(shè)計(jì)要求，為了便于利用電廠的高溫?zé)崴蛘羝?，?yīng)靠近電廠設(shè)置.其電源通常由電廠供給.針對(duì)不同電壓等級(jí)的用電負(fù)荷，應(yīng)采用不同的電源設(shè)計(jì)思路.

1.1.1 以高壓電機(jī)為主要用電負(fù)荷

火力發(fā)電廠廠內(nèi)用電的電壓等級(jí)一般為6 kV，為換熱首站供電的電壓等級(jí)相應(yīng)也采用6 kV電源.根據(jù)JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》，區(qū)域性換熱站用電負(fù)荷應(yīng)按其規(guī)模、重要性等因素合理確定負(fù)荷等級(jí)，且不應(yīng)低于二級(jí)[1].在工程設(shè)計(jì)中，換熱首站用電可劃歸二級(jí)負(fù)荷.因此，需要采用雙回路供電，且應(yīng)滿足二級(jí)負(fù)荷的要求.當(dāng)其中一路電源發(fā)生故障時(shí)，另一路電源應(yīng)能負(fù)擔(dān)全部的二級(jí)負(fù)荷.

電源確定后需要相應(yīng)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(fù)荷較小，可不設(shè)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(shè)變壓器室.電氣設(shè)備間應(yīng)設(shè)在換熱首站的第一層，以便于設(shè)備運(yùn)輸、安裝及維護(hù)，也有利于值班人員進(jìn)行運(yùn)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(shè)置；控制值班室應(yīng)與直流屏室合并設(shè)置.

因?yàn)闊峋W(wǎng)循環(huán)水泵多采用高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)，且系統(tǒng)需要根據(jù)室外溫度和一次網(wǎng)出水溫度對(duì)循環(huán)水泵的運(yùn)行頻率進(jìn)行調(diào)整，所以需要相應(yīng)設(shè)置高壓變頻器.一般情況下，高壓變頻器一對(duì)一設(shè)置，也可根據(jù)工藝及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求，采用一拖二設(shè)計(jì)，同時(shí)配備自動(dòng)或手動(dòng)切換旁路柜[3].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(jī)功率因數(shù)提高至0.9以上(合資或進(jìn)口品牌的性能更高)，故可不設(shè)置高壓電容補(bǔ)償裝置.若根據(jù)工藝運(yùn)行要求，熱網(wǎng)循環(huán)水泵采用工頻運(yùn)行方式，則需根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置高壓軟啟動(dòng)器.

當(dāng)高壓配電系統(tǒng)采用微機(jī)綜合保護(hù)裝置時(shí)，需設(shè)置一套微機(jī)電氣監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)全站配電系統(tǒng)的保護(hù)、遙測(cè)、遙控等.微機(jī)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(guò)電氣系統(tǒng)的后臺(tái)，對(duì)電氣系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控.少量的、作為備用設(shè)備的高壓電機(jī)供電由電廠6 kV母排引來(lái)，可采用高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)柜，并設(shè)置高壓變頻器.高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)柜系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)柜系統(tǒng)

1.1.2 以低壓電機(jī)為主要用電負(fù)荷

若熱網(wǎng)循環(huán)水泵以氣動(dòng)泵為主，電動(dòng)泵為輔，則換熱首站主要為低壓負(fù)荷，而高壓負(fù)荷較小.此時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定供電電壓等級(jí).前期工作中應(yīng)全面掌握現(xiàn)場(chǎng)電源情況，與電廠及建設(shè)方進(jìn)行充分溝通，綜合考慮用電負(fù)荷、供電距離、現(xiàn)場(chǎng)空間、投資成本及控制管理要求等多方面因素，進(jìn)行方案比較，最終確定電源的設(shè)置.其具體方法為：①當(dāng)以高壓供電時(shí)，應(yīng)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(dāng)采用低壓供電時(shí)，應(yīng)根據(jù)用電負(fù)荷大小、用電設(shè)備性質(zhì)、工程分期建設(shè)情況等，對(duì)用電負(fù)荷進(jìn)行分組，并針對(duì)每組用電設(shè)備設(shè)置一臺(tái)總配電柜，且應(yīng)設(shè)置低壓配電間.這里需要注意的是，對(duì)于大功率低壓用電設(shè)備，應(yīng)單獨(dú)設(shè)置低壓電容補(bǔ)償裝置，以減小供電回路的計(jì)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(jí)負(fù)荷要求的若干路低壓電源時(shí)，應(yīng)按照負(fù)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(shí)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(gè)系統(tǒng)不能運(yùn)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(jì)人員密切配合，了解工藝設(shè)備運(yùn)行情況及故障情況.當(dāng)然，在有必要的情況下，也可設(shè)置雙電源切換開(kāi)關(guān)，以保證電源的可靠性.

1.2 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)確定之后需進(jìn)行高、低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì).在此，不對(duì)高、低壓配電系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)內(nèi)容作過(guò)多敘述，而著重就高、低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意的問(wèn)題或不同于其他類型工程的情況進(jìn)行討論.

1.2.1 低壓變頻器設(shè)置的相關(guān)問(wèn)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(duì)其另行設(shè)計(jì).在工程設(shè)計(jì)中，無(wú)論是隨工藝設(shè)備配套提供還是另行設(shè)計(jì)的控制柜，通常均設(shè)在工藝設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，以利于電機(jī)保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)和操作控制.但是，根據(jù)換熱首站的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)用戶反饋意見(jiàn)，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(shí)不便于日常維護(hù)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?jī)?nèi)，并采取必要的通風(fēng)及降溫措施，以利于變頻器的長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用壽命.

(2) 低壓變頻器旁路開(kāi)關(guān)的設(shè)置.低壓變頻器存在出現(xiàn)故障的可能，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，要保證工藝設(shè)備運(yùn)行不中斷，首選方法是為低壓變頻器設(shè)置旁路開(kāi)關(guān).當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，閉合旁路開(kāi)關(guān)，電機(jī)可轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行.通常情況下，低壓變頻器并不自帶旁路開(kāi)關(guān)，若設(shè)置旁路開(kāi)關(guān)就需要另行設(shè)計(jì).

對(duì)于小功率電機(jī)而言，工頻啟動(dòng)沒(méi)有問(wèn)題，設(shè)置旁路開(kāi)關(guān)是可以的.但是，大功率電機(jī)工頻啟動(dòng)的電流很大，一般是電機(jī)額定電流的4～7倍，會(huì)對(duì)其他設(shè)備的正常運(yùn)行乃至低壓主進(jìn)開(kāi)關(guān)造成影響.因此，大功率電機(jī)不允許直接啟動(dòng)，設(shè)置旁路開(kāi)關(guān)的做法實(shí)際上是沒(méi)有意義的.在換熱首站工程中，水泵等大功率低壓電機(jī)均為一用一備，而變頻器采用一對(duì)一設(shè)置.當(dāng)一臺(tái)電機(jī)配套的變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可啟動(dòng)另一臺(tái)電機(jī)來(lái)變頻運(yùn)行.

1.2.2 高壓電機(jī)控制的相關(guān)問(wèn)題

換熱首站工程中的循環(huán)水泵高壓電機(jī)一般采用高壓變頻器控制，通常為一對(duì)一控制，即一臺(tái)高壓電機(jī)對(duì)應(yīng)一臺(tái)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(tái)高壓電機(jī)對(duì)應(yīng)一臺(tái)高壓變頻器.這時(shí)需要設(shè)置旁路控制柜，以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)高壓電機(jī)之間的運(yùn)行切換[5].

目前,主要的高壓變頻器廠家對(duì)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(jì).為此應(yīng)結(jié)合實(shí)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(jī)不需要變頻控制，而是采用工頻運(yùn)行方式,不再設(shè)置高壓變頻器.如果采用高壓電機(jī)直接控制方式，則存在與低壓電機(jī)類似的啟動(dòng)電流過(guò)大問(wèn)題，可能對(duì)配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響，給系統(tǒng)控制帶來(lái)不便，因此需要采取降壓?jiǎn)?dòng)措施.為此，建議設(shè)置軟啟動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng).

1.2.3 設(shè)置雙電源切換裝置的相關(guān)問(wèn)題

換熱首站的整體用電負(fù)荷等級(jí)屬于二級(jí)，外部電源應(yīng)滿足二級(jí)負(fù)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(fù)荷，應(yīng)當(dāng)采用雙電源供電.

首先，熱控系統(tǒng)及電動(dòng)閥控制柜應(yīng)采用雙電源供電.兩路電源互為備用，當(dāng)一路電源停電時(shí)自動(dòng)切換到備用電源，以保證供電的連續(xù)性.對(duì)于熱控系統(tǒng)機(jī)柜、工程師站及電動(dòng)蝶閥等重要負(fù)荷，還應(yīng)設(shè)置UPS不間斷電源(持續(xù)供電時(shí)間不小于0.5 h)，以確保停電后熱控系統(tǒng)的短期運(yùn)行不受影響，相關(guān)設(shè)備能夠正常啟動(dòng)與關(guān)閉，系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yīng)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(yīng)滿足對(duì)多臺(tái)高壓變頻器控制所需的最大負(fù)荷.

除此之外，凡涉及消防及應(yīng)急照明的相關(guān)用電負(fù)荷均應(yīng)采用雙電源供電，且能在最末一級(jí)配電箱處自動(dòng)切換.

2 熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

換熱首站工程熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與熱源廠的熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有相似之處，但也有其自身特點(diǎn).

2.1 系統(tǒng)形式的選擇

目前普遍采用且已經(jīng)運(yùn)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(jiǎn)稱，主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量的控制和模擬量的采集.PLC多用于設(shè)備相對(duì)集中且為中小規(guī)模的自動(dòng)控制系統(tǒng)，如污水處理廠、自來(lái)水凈水廠、各類中小型泵站、區(qū)域及居住小區(qū)換熱站、機(jī)械工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線、公共建筑等的自動(dòng)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(lái)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(fù)雜、控制要求高、功能全面、性質(zhì)重要的大型自動(dòng)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(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)等[6].

DCS又稱為集散控制系統(tǒng)，是相對(duì)于集中式控制系統(tǒng)的一種計(jì)算機(jī)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(dòng)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(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(yùn)行與電廠生產(chǎn)關(guān)系密切，兩者之間應(yīng)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，電廠中控室能夠監(jiān)測(cè)換熱首站的運(yùn)行狀態(tài)，換熱首站自控系統(tǒng)需要與電廠自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兼容，但電廠采用的是DCS，因此換熱首站也應(yīng)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(shè)備及熱工儀表的數(shù)量較少，其DCS應(yīng)采用小型產(chǎn)品，或直接由電廠的DCS進(jìn)行控制，因而只需對(duì)電廠現(xiàn)有DCS進(jìn)行擴(kuò)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(yùn)行費(fèi)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(duì)簡(jiǎn)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(fù)責(zé)運(yùn)行管理?yè)Q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(yùn)行管理?yè)Q熱首站.具體可根據(jù)不同情況選擇相應(yīng)的管理方式.

對(duì)于自建控制系統(tǒng)而言，應(yīng)在換熱間首層靠近外墻部位設(shè)置控制室，其面積不小于20 m2，也可與配電控制室合建，相應(yīng)擴(kuò)大其面積.控制室的具體設(shè)計(jì)要求可參考相關(guān)設(shè)計(jì)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(jī)柜、打印機(jī)、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(shí)也可設(shè)置LED顯示屏.這些設(shè)備的布置應(yīng)簡(jiǎn)潔統(tǒng)一，便于操作、觀察及維護(hù)，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(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(chǎng)所的正下方.控制系統(tǒng)能夠通過(guò)通訊模塊將主要數(shù)據(jù)傳送給電廠中控室，以便及時(shí)掌握換熱首站的運(yùn)行情況.

對(duì)于利用電廠原有控制系統(tǒng)的情況，換熱首站無(wú)需單獨(dú)設(shè)置控制室，只要將各類控制信號(hào)通過(guò)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(jìn)行管理即可.熱控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖2所示.對(duì)于這種情況，由于信號(hào)傳輸距離較遠(yuǎn)，因此需采取弱電信號(hào)的抗干擾措施，以保證各類信號(hào)尤其是數(shù)字信號(hào)的穩(wěn)定可靠.

圖2 熱控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與相關(guān)專業(yè)的對(duì)接

原則上，電氣與熱控是兩個(gè)不同的專業(yè)，設(shè)計(jì)人員各自負(fù)責(zé)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域不同、對(duì)象不同、要求不同.國(guó)內(nèi)知名的市政設(shè)計(jì)院大都設(shè)置了電氣專業(yè)設(shè)計(jì)組和熱控專業(yè)設(shè)計(jì)組，設(shè)計(jì)圖紙也是分開(kāi)出圖的.

這里，電氣專業(yè)指強(qiáng)電專業(yè)，針對(duì)供、用電電壓在24 V以上的設(shè)備及系統(tǒng).在工業(yè)及民用建筑設(shè)計(jì)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(jì)通常也被劃歸電氣專業(yè)范疇.

熱控設(shè)計(jì)項(xiàng)目一般包含大量的熱控設(shè)計(jì)內(nèi)容，它涉及供熱專業(yè)(也就是動(dòng)力專業(yè))與控制專業(yè)兩方面的內(nèi)容.相關(guān)設(shè)計(jì)人員既要對(duì)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(jì)要求，同時(shí)也能進(jìn)行基本的電氣專業(yè)設(shè)計(jì).

3 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了不同情況下大型換熱首站電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電源的確定和配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?yàn)榇笮蛽Q熱首站及類似工程的設(shè)計(jì)工作提供參考.