換熱站電氣設計分析

劉 亞 濤

(太原市熱力公司，山西 太原 030002)

·水·暖·電·

換熱站電氣設計分析

劉 亞 濤

(太原市熱力公司，山西 太原 030002)

從負荷分級、負荷計算、接地與等電位聯結及循環泵與補水泵控制方式等方面著手，分別闡述了換熱站的電氣設計依據和要求，以保證換熱站內水泵、儀表和控制系統的正常運行。

換熱站，負荷計算，接地，等電位聯結，變頻器

1 換熱站負荷分級

JGJ 16—2008民用建筑電氣設計規范第3.2.6條中規定：區域性的生活給水泵房，采暖鍋爐房及換熱站的用電負荷，應根據工程規模、重要性等因素合理確定負荷分級，且不應低于二級。在2009年發布的GB 50052—2009供配電系統設計規范中，二級負荷有兩種供電方案，一種是宜由兩回線路供電；另一種是當負荷較小或地區供電條件困難時，可由一回6 kV及以上專用架空線路供電，同時取消了之前可采用兩根電纜供電每根電纜應能承擔全部二級負荷的方案。在規范的條文說明中指出，兩回路電路并不要求其來自兩個相對獨立的電源，也就是兩回線路可引自同一變壓器的不同母線段，就能夠滿足規范要求。根據規范要求在設計中，應要求甲方提供兩回線路，且每條回路應能承擔換熱站全部使用負荷，以確保在一條回路出現故障的情況下，換熱站仍能夠正常運行。如甲方無法提供兩回線路，且換熱站用電負荷總容量小于250 kW時，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 換熱站負荷計算

2.1 設備容量的確定

換熱站的主要用電設備是電機，屬于連續工作制設備，其設備功率等于其銘牌額定功率。由此可知，換熱站用電設備組負荷為電機額定功率之和，其中不應包括備用循環泵和補水泵的電機功率。

換熱站內的照明裝置主要為金屬鹵化物燈和熒光燈，均為氣體放電設備，其設備功率為燈管額定功率加鎮流器的功率損耗。在設計中，金屬鹵化物燈和熒光燈的鎮流器的功率損耗均按10%的燈管功率計算。

2.2 計算電流

設計中，一般使用需用系數法計算出計算電流的大小。首先，根據換熱站內循環泵和補水泵的臺數確定需要系數的數值，見表1。

表1 Kx選擇表

2.3 尖峰電流

由單臺電動機的尖峰電流計算公式Ijf=KIr，可知單臺電動機的尖峰電流為電動機啟動電流倍數與額定電流的乘積。一般的籠型電動機啟動電流是額定電流的7倍左右，對于單臺功率較大的電動機如直接啟動會對電網有較大的沖擊。為了減小啟動電流，并同時達到節電的目的，在設計時對換熱站內所有的循環泵和補水泵，均采取了變頻啟動。

3 接地與等電位聯結

3.1 接地

隨著工業自動化近年來飛速發展，換熱站設計開始逐步向無人值守和自動調控方向發展。由此導致換熱站內的電氣、自控設備越來越多，其中包括以PLC為核心的參數采集設備、自動控制柜；基于移動網絡的無線傳播模塊；變頻控制器及各種遠傳檢測設備。為保證換熱站內各種電氣、電子設備能夠安全可靠的運行，換熱站綜合接地措施就顯得十分重要。

對于新建換熱站，宜利用建筑物的鋼筋混凝土基礎做自然接地極，各鋼筋混凝土體之間必須連接成電氣通路，并保證其電氣連續性符合要求。設計中一般要求換熱站電阻不大于4Ω，當實測自然接地極無法滿足接地電阻要求時，應增打人工接地極。對于將原鍋爐房改造為換熱站的項目，則只能采取在地下敷設人工接地方式。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，在鋅和鋼鐵構成的腐蝕原電池中，通過犧牲陽極的鍍鋅表層來保護鋼制接地極。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腐蝕非常嚴重。為保證接地系統的可靠性，應盡量選擇銅材作為接地材料。銅材不存在點蝕，在土壤中的穩定性和耐腐蝕性要比鋼材好得多，只要定期對其進行檢查和試驗，就能避免接地裝置因埋地腐蝕、焊接點開焊及機械損傷等原因造成的事故。

3.2 等電位聯結

換熱站內進出的金屬管道和各種可導電體較多，并且環境潮濕，為了降低換熱站內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金屬管道和電氣線路引入的故障電壓的危害，減少保護電氣動作不可靠帶來的危險，應采用等電位聯結。通過換熱站內的總等電位聯結箱，將進出換熱站的金屬管道(一二次網供回水管、自來水管、排水管、燃氣管道及進線保護管等)、進線配電柜的PE(PEN)母排、換熱站接地裝置和站內所有不帶電的設備金屬外殼通過等電位聯結線互相連通。等電位做法及要求可參見《等電位聯結安裝》(02D501-2)。

4 換熱站循環泵和補水泵的控制方式

4.1 循環泵的控制

設計時，循環泵額定流量和電機功率的大小，是根據甲方提供的現狀供熱面積加上規劃供熱面積進行選型的，由于規劃面積的存在，使很多換熱站在運行初期的實際供熱面積只有設計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，在水泵流量和揚程的選型中很難選到與換熱站管網特性完全匹配的水泵，所以需要采用變頻調速技術根據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泵轉速，調節水泵的流量，使換熱站能夠高效、節能的運行。根據熱力公司多年運行經驗粗略計算，在循環水泵采用變頻器進行流量調節后，平均運行流量為設計流量的80%時，約節電49%；平均運行流量是設計流量的70%時，約節電66%，節電效果相當可觀。變頻器對電動機的保護也非常全面，過電壓欠電壓保護、缺項保護、過負荷保護、接地保護、過流保護等都很完備。

4.2 補水泵的控制

換熱站供熱系統運行中，由于管道及供熱設施密封不嚴、系統檢修、用戶偷水等原因都會導致二次管網失水，如果不及時補水，不僅會造成管網壓力降低，還有可能導致水力失調，嚴重影響供熱質量。過去，一般采用人工補水泵補水或電接點壓力表自動補水，這兩種補水方式存在補水不及時、壓力表易產生故障等缺點。設計中采用了變頻器PID調節技術，利用恒壓供水的原理控制補水泵。此方法是利用壓力傳感器將二次網回水管上的取點壓力傳回至PID調節器，與PID調節器設定的壓力值相比較，經過PID調節器的計算，如取點壓力值低于設定壓力值則加輸出指令讓變頻器增加電動機轉速加大補水流量；反之，則降低電動機轉速減少補水流量，確保系統壓力值穩定。

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行穩定性、抑制噪聲的重要措施。變頻器不應和動力設備共用接地點，接地電阻越小越好,接地導線的長度不應超過5 m且截面積不應小于6 mm2銅線。

2)變頻器內部存在大量的電力電子器件，運行過程中半導體開關器件的動作，會產生高次諧波和電磁干擾,這些高頻電磁波會對其附近的儀表、儀器有一定的干擾,而且高次諧波會通過供電回路進入整個供電網絡,從而影響其他儀表的正常運行。所以在變頻器的出線端需加裝濾波器，防止高次諧波進入供電網絡，并且在安裝變頻器時盡量使其遠離自控設備。同時，與變頻器有關的模擬信號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房內,則不能將其安裝在有管道法蘭和其他漏點的下方,并且柜體防護等級要在IP43以上。

4)由于變頻器高次諧波的存在，使電動機內部鐵損和銅損加大；另一方面變頻器帶動電機低速運行時，使安裝在轉子軸上的風扇轉速同時降低，冷卻效果大幅下降。所以在變頻器拖動電動機低速運行時，溫升會比工頻運行時有顯著提高，限制或緩解電動機溫升的策略需從發熱散熱的兩個方面采取措施：一是盡量減少變頻器輸出高次諧波?？稍谧冾l器輸出側加裝濾波器，同時合理調試“載波頻率”參數。二是改善電動機冷卻條件，使熱能有效地散發出去。選用具有強迫通風功能的電動機或者專用變頻器電動機，會得到很好的散熱效果。

5 結語

換熱站作為熱源與用戶之間的紐帶，在整個供熱系統中起著承上啟下的重要作用，而電氣系統的可靠性和合理性在換熱站運行中起著至關重要的作用。設計時應嚴格遵守現行規范中的條文，以保證換熱站內水泵、儀表和控制系統的正常運行，使千家萬戶在寒冷的冬天，能夠在室內感受到充足的溫暖。

[1] 徐永根.工業與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2] JGJ 16—2008，民用建筑電氣設計規范[S].

[3] GB 50052—2009，供配電系統設計規范[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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