換熱站電氣設(shè)計(jì)分析

劉 亞 濤

(太原市熱力公司，山西 太原 030002)

·水·暖·電·

換熱站電氣設(shè)計(jì)分析

劉 亞 濤

(太原市熱力公司，山西 太原 030002)

從負(fù)荷分級(jí)、負(fù)荷計(jì)算、接地與等電位聯(lián)結(jié)及循環(huán)泵與補(bǔ)水泵控制方式等方面著手，分別闡述了換熱站的電氣設(shè)計(jì)依據(jù)和要求，以保證換熱站內(nèi)水泵、儀表和控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

換熱站，負(fù)荷計(jì)算，接地，等電位聯(lián)結(jié)，變頻器

1 換熱站負(fù)荷分級(jí)

JGJ 16—2008民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范第3.2.6條中規(guī)定：區(qū)域性的生活給水泵房，采暖鍋爐房及換熱站的用電負(fù)荷，應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模、重要性等因素合理確定負(fù)荷分級(jí)，且不應(yīng)低于二級(jí)。在2009年發(fā)布的GB 50052—2009供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范中，二級(jí)負(fù)荷有兩種供電方案，一種是宜由兩回線路供電；另一種是當(dāng)負(fù)荷較小或地區(qū)供電條件困難時(shí)，可由一回6 kV及以上專用架空線路供電，同時(shí)取消了之前可采用兩根電纜供電每根電纜應(yīng)能承擔(dān)全部二級(jí)負(fù)荷的方案。在規(guī)范的條文說明中指出，兩回路電路并不要求其來自兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電源，也就是兩回線路可引自同一變壓器的不同母線段，就能夠滿足規(guī)范要求。根據(jù)規(guī)范要求在設(shè)計(jì)中，應(yīng)要求甲方提供兩回線路，且每條回路應(yīng)能承擔(dān)換熱站全部使用負(fù)荷，以確保在一條回路出現(xiàn)故障的情況下，換熱站仍能夠正常運(yùn)行。如甲方無法提供兩回線路，且換熱站用電負(fù)荷總?cè)萘啃∮?50 kW時(shí)，用戶可提供一條380 V專用架空線路，滿足換熱站供電需求。

2 換熱站負(fù)荷計(jì)算

2.1 設(shè)備容量的確定

換熱站的主要用電設(shè)備是電機(jī)，屬于連續(xù)工作制設(shè)備，其設(shè)備功率等于其銘牌額定功率。由此可知，換熱站用電設(shè)備組負(fù)荷為電機(jī)額定功率之和，其中不應(yīng)包括備用循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的電機(jī)功率。

換熱站內(nèi)的照明裝置主要為金屬鹵化物燈和熒光燈，均為氣體放電設(shè)備，其設(shè)備功率為燈管額定功率加鎮(zhèn)流器的功率損耗。在設(shè)計(jì)中，金屬鹵化物燈和熒光燈的鎮(zhèn)流器的功率損耗均按10%的燈管功率計(jì)算。

2.2 計(jì)算電流

設(shè)計(jì)中，一般使用需用系數(shù)法計(jì)算出計(jì)算電流的大小。首先，根據(jù)換熱站內(nèi)循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的臺(tái)數(shù)確定需要系數(shù)的數(shù)值，見表1。

表1 Kx選擇表

2.3 尖峰電流

由單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的尖峰電流計(jì)算公式Ijf=KIr，可知單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的尖峰電流為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)與額定電流的乘積。一般的籠型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流是額定電流的7倍左右，對(duì)于單臺(tái)功率較大的電動(dòng)機(jī)如直接啟動(dòng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)有較大的沖擊。為了減小啟動(dòng)電流，并同時(shí)達(dá)到節(jié)電的目的，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)換熱站內(nèi)所有的循環(huán)泵和補(bǔ)水泵，均采取了變頻啟動(dòng)。

3 接地與等電位聯(lián)結(jié)

3.1 接地

隨著工業(yè)自動(dòng)化近年來飛速發(fā)展，換熱站設(shè)計(jì)開始逐步向無人值守和自動(dòng)調(diào)控方向發(fā)展。由此導(dǎo)致?lián)Q熱站內(nèi)的電氣、自控設(shè)備越來越多，其中包括以PLC為核心的參數(shù)采集設(shè)備、自動(dòng)控制柜；基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的無線傳播模塊；變頻控制器及各種遠(yuǎn)傳檢測(cè)設(shè)備。為保證換熱站內(nèi)各種電氣、電子設(shè)備能夠安全可靠的運(yùn)行，換熱站綜合接地措施就顯得十分重要。

對(duì)于新建換熱站，宜利用建筑物的鋼筋混凝土基礎(chǔ)做自然接地極，各鋼筋混凝土體之間必須連接成電氣通路，并保證其電氣連續(xù)性符合要求。設(shè)計(jì)中一般要求換熱站電阻不大于4Ω，當(dāng)實(shí)測(cè)自然接地極無法滿足接地電阻要求時(shí)，應(yīng)增打人工接地極。對(duì)于將原鍋爐房改造為換熱站的項(xiàng)目，則只能采取在地下敷設(shè)人工接地方式。需特別說明：之前普遍作為人工接地材料的鍍鋅圓鋼和鍍鋅扁鋼，在鋅和鋼鐵構(gòu)成的腐蝕原電池中，通過犧牲陽極的鍍鋅表層來保護(hù)鋼制接地極。但是，在土壤中，鋅是一種非常易腐蝕的金屬，因此鍍鋅鋼接地極在土壤中電化學(xué)腐蝕非常嚴(yán)重。為保證接地系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)盡量選擇銅材作為接地材料。銅材不存在點(diǎn)蝕，在土壤中的穩(wěn)定性和耐腐蝕性要比鋼材好得多，只要定期對(duì)其進(jìn)行檢查和試驗(yàn)，就能避免接地裝置因埋地腐蝕、焊接點(diǎn)開焊及機(jī)械損傷等原因造成的事故。

3.2 等電位聯(lián)結(jié)

換熱站內(nèi)進(jìn)出的金屬管道和各種可導(dǎo)電體較多，并且環(huán)境潮濕，為了降低換熱站內(nèi)不同金屬物之間的電位差和間接接觸電壓，避免來自換熱站外經(jīng)金屬管道和電氣線路引入的故障電壓的危害，減少保護(hù)電氣動(dòng)作不可靠帶來的危險(xiǎn)，應(yīng)采用等電位聯(lián)結(jié)。通過換熱站內(nèi)的總等電位聯(lián)結(jié)箱，將進(jìn)出換熱站的金屬管道(一二次網(wǎng)供回水管、自來水管、排水管、燃?xì)夤艿兰斑M(jìn)線保護(hù)管等)、進(jìn)線配電柜的PE(PEN)母排、換熱站接地裝置和站內(nèi)所有不帶電的設(shè)備金屬外殼通過等電位聯(lián)結(jié)線互相連通。等電位做法及要求可參見《等電位聯(lián)結(jié)安裝》(02D501-2)。

4 換熱站循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的控制方式

4.1 循環(huán)泵的控制

設(shè)計(jì)時(shí)，循環(huán)泵額定流量和電機(jī)功率的大小，是根據(jù)甲方提供的現(xiàn)狀供熱面積加上規(guī)劃供熱面積進(jìn)行選型的，由于規(guī)劃面積的存在，使很多換熱站在運(yùn)行初期的實(shí)際供熱面積只有設(shè)計(jì)面積的一半或者更少；另一方面，由于供熱面積和樓體高度的千差萬別，在水泵流量和揚(yáng)程的選型中很難選到與換熱站管網(wǎng)特性完全匹配的水泵，所以需要采用變頻調(diào)速技術(shù)根據(jù)供熱面積和初末寒期室外溫度的變化，通過變頻器控制循環(huán)泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)水泵的流量，使換熱站能夠高效、節(jié)能的運(yùn)行。根據(jù)熱力公司多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)粗略計(jì)算，在循環(huán)水泵采用變頻器進(jìn)行流量調(diào)節(jié)后，平均運(yùn)行流量為設(shè)計(jì)流量的80%時(shí)，約節(jié)電49%；平均運(yùn)行流量是設(shè)計(jì)流量的70%時(shí)，約節(jié)電66%，節(jié)電效果相當(dāng)可觀。變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)也非常全面，過電壓欠電壓保護(hù)、缺項(xiàng)保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、接地保護(hù)、過流保護(hù)等都很完備。

4.2 補(bǔ)水泵的控制

換熱站供熱系統(tǒng)運(yùn)行中，由于管道及供熱設(shè)施密封不嚴(yán)、系統(tǒng)檢修、用戶偷水等原因都會(huì)導(dǎo)致二次管網(wǎng)失水，如果不及時(shí)補(bǔ)水，不僅會(huì)造成管網(wǎng)壓力降低，還有可能導(dǎo)致水力失調(diào)，嚴(yán)重影響供熱質(zhì)量。過去，一般采用人工補(bǔ)水泵補(bǔ)水或電接點(diǎn)壓力表自動(dòng)補(bǔ)水，這兩種補(bǔ)水方式存在補(bǔ)水不及時(shí)、壓力表易產(chǎn)生故障等缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)中采用了變頻器PID調(diào)節(jié)技術(shù)，利用恒壓供水的原理控制補(bǔ)水泵。此方法是利用壓力傳感器將二次網(wǎng)回水管上的取點(diǎn)壓力傳回至PID調(diào)節(jié)器，與PID調(diào)節(jié)器設(shè)定的壓力值相比較，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器的計(jì)算，如取點(diǎn)壓力值低于設(shè)定壓力值則加輸出指令讓變頻器增加電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加大補(bǔ)水流量；反之，則降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減少補(bǔ)水流量，確保系統(tǒng)壓力值穩(wěn)定。

4.3 變頻器安裝和使用中需注意的問題

1)變頻器可靠接地是提高其運(yùn)行穩(wěn)定性、抑制噪聲的重要措施。變頻器不應(yīng)和動(dòng)力設(shè)備共用接地點(diǎn)，接地電阻越小越好,接地導(dǎo)線的長(zhǎng)度不應(yīng)超過5 m且截面積不應(yīng)小于6 mm2銅線。

2)變頻器內(nèi)部存在大量的電力電子器件，運(yùn)行過程中半導(dǎo)體開關(guān)器件的動(dòng)作，會(huì)產(chǎn)生高次諧波和電磁干擾,這些高頻電磁波會(huì)對(duì)其附近的儀表、儀器有一定的干擾,而且高次諧波會(huì)通過供電回路進(jìn)入整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò),從而影響其他儀表的正常運(yùn)行。所以在變頻器的出線端需加裝濾波器，防止高次諧波進(jìn)入供電網(wǎng)絡(luò)，并且在安裝變頻器時(shí)盡量使其遠(yuǎn)離自控設(shè)備。同時(shí)，與變頻器有關(guān)的模擬信號(hào)線最好選用屏蔽雙絞線。

3)如果配電室面積過小，需將變頻器放在換熱站機(jī)房?jī)?nèi),則不能將其安裝在有管道法蘭和其他漏點(diǎn)的下方,并且柜體防護(hù)等級(jí)要在IP43以上。

4)由于變頻器高次諧波的存在，使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部鐵損和銅損加大；另一方面變頻器帶動(dòng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，使安裝在轉(zhuǎn)子軸上的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速同時(shí)降低，冷卻效果大幅下降。所以在變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，溫升會(huì)比工頻運(yùn)行時(shí)有顯著提高，限制或緩解電動(dòng)機(jī)溫升的策略需從發(fā)熱散熱的兩個(gè)方面采取措施：一是盡量減少變頻器輸出高次諧波。可在變頻器輸出側(cè)加裝濾波器，同時(shí)合理調(diào)試“載波頻率”參數(shù)。二是改善電動(dòng)機(jī)冷卻條件，使熱能有效地散發(fā)出去。選用具有強(qiáng)迫通風(fēng)功能的電動(dòng)機(jī)或者專用變頻器電動(dòng)機(jī)，會(huì)得到很好的散熱效果。

5 結(jié)語

換熱站作為熱源與用戶之間的紐帶，在整個(gè)供熱系統(tǒng)中起著承上啟下的重要作用，而電氣系統(tǒng)的可靠性和合理性在換熱站運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守現(xiàn)行規(guī)范中的條文，以保證換熱站內(nèi)水泵、儀表和控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，使千家萬戶在寒冷的冬天，能夠在室內(nèi)感受到充足的溫暖。

[1] 徐永根.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2] JGJ 16—2008，民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50052—2009，供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

On electronic design for heat exchange stations

Liu Yatao

(TaiyuanThermalPowerCompany,Taiyuan030002,China)

From the load grading, load calculation, grounding and equipotential bonding, and controlling approaches for circulating pumps and make-up pumps, the paper illustrates the electronic design reference and requirements for the heat exchange stations, so as to ensure the usual operation for the pumps, meters and controlling system in the heat exchange stations.

heat exchange station, load calculation, grounding, equipotential bonding, transducer

1009-6825(2015)30-0116-02

2015-08-18

劉亞濤(1982- )，男，工程師

TM762

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