陈聪
通辽热电有限责任公司 内蒙古通辽市 028000
摘要：供热管网需要通过换热站这一重要环节来向热用户输送热能，换热站实现供热一次侧的热量以平稳、可控的方式交换到供热二次侧，在其内部安装有多种水泵、阀门、仪表及控制设备，各种设备之间又互相影响，对于一个控制参数的调节往往会间接引起多个控制参数的变化，而这种变化过程又可能比较缓慢，会在一定时间后才能显现，故而设计、构建换热站时，对供电和控制系统的可靠性、安全性、自动化程度等方面都有比较高的要求，只有这样才能实现换热站的安全、平稳运行，保障人民群众的供暖需求。
关键词：换热站；电气自动化；设计
1、换热站工艺流程
热源（如热电厂）产生的不易控制和利用的高温热水或蒸汽由一次网进入换热站，换热站将一次网内高温热源通过换热器热传导给二次网的热水后再通过循环泵加压后供给用户，高温热水或蒸汽进入换热站后先经过电动调节阀然后进入换热器，通过控制信号调节电动调节阀的开度即可调节一次网进入换热器的热量大小，从而控制换热器二次网的出水温度。二次网可通过循环泵加压后送往采暖用户，通过调节循环泵的转数可保证二次网内水力平衡，并可进一步调节二次网供给用户的热量，经过用户热交换后的低温水则延回水管路流回换热器，由于存在管道渗漏等现象，循环管网内会有部分水量流失，需设置一套补水管道，当回水管道压力过低时由补水泵从补水水箱中抽水补充给换热器。
2、换热站供配电设计
一般换热站内电气设备会集中在一个区域，低压配电的接线适合采用放射式，由放置在低压配电室内的配电柜集中向各用电设备供电，这种接线方式的线路之间互不影响，可保障供电系统可靠，设备安装便捷以及电力保护装置简单、可靠。换热站供配电系统应根据负荷容量，供电距离，用电设备位置及特点来合理设计，为减少线路损耗，变配电设施在设计时需尽量靠近循环泵等大用电量设备，应合理选择变压器的台数、容量，并尽量选择新型节能变压器，由于换热站的投用具有季节性，在设计时应考虑在负荷变化时可以按需要投切变压器。在换热站供配电系统中，最主要的用电设备是电动机、变压器，其通过电磁感应原理将一部分电能转化为交变磁场后再转化为机械能或对电能进行调节，在这个过程中，建立交变磁场和感应磁通是需要一定的电能，这部分电能是设备工作的必要条件，但这部分电能不转化为对外做功的机械能等有功功率，因而称为无功功率，用电设备建立正常工作所需的电磁场是要消耗一定的无功功率的，如果无功功率供给不足，用电设备就无法建立正常工作的电磁场，设备端电压就会降低，从发电机和高压输电线路供给的无功功率，正常是难以满足负荷需要的，故而要采用无功补偿装置对无功功率进行补充，一般比较合理的无功补偿是将功率因数提高到0．95左右，按照相关规定，100kVA及以上高压供电的电力用户，高压侧的功率因数在0．95以上，不宜低于此数值；其他低于100kVA的电力用户，其功率因数也应在0．9以上，不应低于此数值，因此当设计100kVA以上负荷容量的换热站时，应将功率因数提高到0．95，而设计小于100kVA容量的换热站时，则将功率因数补偿到0．9即满足需要。换热站中循环水泵提供了热水循环流动的动力，如果采用软启动后以工频运行的方式，则只能依靠启停泵的数量来分几个档次简单的调节流量，调节不连续而且水泵的频繁启停也会对设备本身造成损坏，或者在管道上设置流量调节阀，通过开大、关小阀门的方式来调节流量，但在阀门位置也会消耗大量的水力动能，浪费大量能源。将变频器技术应用于换热站则会大大提高供电效率，减少能源消耗，在循环水泵上使用变频器，可实现循环水泵的软启动及停止，实现循环泵转数的连续调节，从而实现热水流量的连续调节，减少启、停对设备的冲击，提高设备的使用寿命。
3、换热站自控系统设计
3.1换热站控制系统的组成结构
目前比较常用的一种换热站控制系统组成结构为：上位监测系统（内置组态软件的计算机系统）＋现场控制站（PLC系统）＋现场仪表和执行机构（多种传感器、变频器和调节阀等），这种方式构成的控制系统，其采用的技术比较成熟和开放，可进行比较灵活的扩展，维修更换元器件比较方便。一些小型换热站也采用由单片机做为内部处理元件的专用换热站控制器设备，其特点是控制器完全针对换热站进行设计开发，在控制器内部可以按需要将继电器、模拟量输入、输出电路、触摸屏、三相电检测装置等多种不同功能的控制模块高度集成在一个体积很小的空间，并可根据换热站实际情况对模块进行一定的增减。缺点是设备通用性较差，可扩展性有限，必须通过厂家才能对控制器进行定制开发，不同厂家的技术水平相差较大，导致控制器的性能也良莠不齐。
3.2换热站控制系统的设计与具体应用
1）二次侧供水温度的调节。不同地区的气候条件及供热对象的特点有很大不同，可根据当地供热生产的已有经验在系统中预设室外温度及自然时间与供水温度对应关系曲线，系统检测热电阻传感器采集的室外温度后，可自动对比曲线从而确定供水温度给定值，而通过仪表测量的供水温度可作为反馈值，采用PID算法即可平稳调节一次侧进水管道调节阀的开度这一输出值来改变进水管道流量，管道内热质流量的变化决定着一次侧进入换热器的热量改变，同时决定着二次侧换热后输出热量的改变，再通过一个大时延的温度变化过程，使二次供水温度缓慢的趋近于系统内部的设定值。
2）循环泵出水流量控制。随着室外温度的变化，保持热用户供给温度所需的热量也有相应的变化，可按室外温度预设回水温度的设定值，自控系统通过计算回水温度设定值与二次侧回水温度仪表检测值的差值，来给出循环泵的转数给定值，当室外温度较低时，回水温度设定值就应取较低数值，此时循环泵的转数也相对较低，使热水在用户侧停留时间长，热量交换更多，反之室外温度较高时，回水温度设定值也相应增加，热水在用户侧停留时间短，用户接收的热量较低，在PLC中可编写相应的逻辑控制程序，操作人员也可通过上位机的人机界面来改变回水温度设定值与室外温度的对应关系，上位机接受指令后通过改变PLC内部寄存器数值，对设定值进行调整。
3）回水管定压补水控制。通过比较二次侧回水管压力传感器检测值与压力给定值即可调节补水泵转数，来保持管道内压力值稳定在一定范围。为避免压力变动导致补水泵频繁启停，应加入PID控制，通过比例环节放大控制信号，通过积分环节可消除自控系统余差，通过微分环节可克服被控对象的滞后，对于这样简单闭环控制的恒压补水系统，可采用在补水泵变频器中集成PID控制器的方式来进行控制，可节省PLC控制器的资源，并分散控制风险，将二次侧回水管压力传感器信号直接接入补水泵变频控制柜，并将水箱水位下限信号也接入补水泵变频控制柜，即可实现按变频器上设定的压力值自动进行恒压补水，同时补水泵具有低水位停转功能，可自动在水箱水位过低时停泵，避免出现无水空转损害补水泵。
结语：供热管网通过换热站换热后，才能将热能以合适的温度输送给千家万户，合理的电气自动化系统设计是实现换热站的平稳运行、节能减排的前提条件，从电气系统设计、自控系统设计、仪器仪表选型等多方面对换热站电气自动化设计进行具体的阐述，并对其中存在的一些设计问题进行分析和探讨。
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