李莉，劉秀琴

（海工英派爾工程有限公司，山東 青島266061）

在石油化工生產(chǎn)裝置中，由于儀表及控制系統(tǒng)的不間斷電源（UPS）發(fā)生故障，導(dǎo)致生產(chǎn)裝置非計(jì)劃停產(chǎn)的事故時(shí)有發(fā)生。例如：某公司空分裝置UPS原設(shè)計(jì)，無(wú)自動(dòng)旁路功能，因市電及蓄電池發(fā)生故障造成裝置停產(chǎn)；橡膠裝置的UPS主電源、旁路電源的開關(guān)帶漏電保護(hù)，漏電保護(hù)誤動(dòng)作導(dǎo)致電池放完電后，造成DCS斷電，裝置停產(chǎn)；鍋爐裝置UPS的零線直接作為UPS輸出的零線，自動(dòng)化儀表系統(tǒng)將零線接地，應(yīng)用中線路上又出現(xiàn)了一點(diǎn)接地，造成短路，裝置停產(chǎn)；苯乙烯裝置聯(lián)鎖用的電磁閥電源由UPS提供，電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)使電磁閥動(dòng)作，造成裝置停產(chǎn)［1］。隨著石油化工裝置大型化、一體化、智能化、清潔化及精細(xì)化的發(fā)展，工藝過(guò)程越來(lái)越復(fù)雜，自動(dòng)化、信息化程度將越來(lái)越高，控制系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大，從而對(duì)儀表及控制系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)的可靠性要求越來(lái)越高。

根據(jù)SH／T 3082—2003《石油化工儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］及SH 3038—2000《石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》［3］，儀表及控制系統(tǒng)屬于一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，這類負(fù)荷當(dāng)供電中斷時(shí)，為確保安全停工及處理事故不致造成設(shè)備損壞、人身傷害事故和重大經(jīng)濟(jì)損失，需要設(shè)置UPS。

1 UPS系統(tǒng)

在石油化工生產(chǎn)裝置中，儀表及控制系統(tǒng)供電電源通常使用靜止型UPS，按工作方式可分為在線式（online）和后備式（offline）兩種。在線式UPS輸出的是與市電網(wǎng)完全隔離的純凈的正弦波電源，大幅改善了供電的品質(zhì)，保護(hù)了負(fù)載安全有效的工作；后備式UPS對(duì)市電品質(zhì)基本沒有改變［4］。石油化工生產(chǎn)裝置中儀表及控制系統(tǒng)使用在線式UPS。

UPS運(yùn)行方式通常有如下幾種方案：?jiǎn)螜C(jī)方式、二機(jī)串接方式、二機(jī)并接方式、一路UPS和一路市電方式、二路UPS（或一路UPS和一路市電分別供給DCS的二組電源模塊）方式。

此外，隨著技術(shù)進(jìn)步、元器件的更新?lián)Q代，生產(chǎn)工藝及操作不斷精細(xì)化，UPS系統(tǒng)不斷出現(xiàn)更新、更可靠的結(jié)構(gòu)，例如：“N＋X”型UPS冗余供電方式、“2 N”UPS輸出結(jié)構(gòu)等，使整個(gè)UPS供電系統(tǒng)具有容錯(cuò)能力，其穩(wěn)定性、可用性、可維護(hù)性都取得了較大的進(jìn)步，為儀表及控制系統(tǒng)的可靠供電提供了更有力的保證。

2 儀表及控制系統(tǒng)的供電

2.1 過(guò)去的供電方式

過(guò)去生產(chǎn)裝置通常采用單UPS系統(tǒng)供電，如圖1所示。如某石化公司在應(yīng)用此種供電方案時(shí)，存在電源切換擾動(dòng)、退出UPS進(jìn)行維修時(shí)發(fā)生燒壞儀表穩(wěn)壓電源且損傷UPS本身的事故［5］。

圖1 單UPS供電方案

單UPS系統(tǒng)供電方式存在以下主要問(wèn)題［6］：

1）UPS供電系統(tǒng)的故障大多數(shù)發(fā)生在UPS主回路、交流旁路和維修手動(dòng)旁路相互切換時(shí)，故障的發(fā)生有隨機(jī)性。

2）蓄電池組故障引起UPS故障。

3）存在瓶頸故障點(diǎn)，當(dāng)靜態(tài)開關(guān)發(fā)生故障時(shí)將中斷UPS系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的供電。

由于此種供電模式造成石油化工裝置非計(jì)劃停車的事例舉不勝舉，因而此種設(shè)計(jì)方案現(xiàn)在已被摒棄。

2.2 現(xiàn)階段的供電方式

現(xiàn)階段，設(shè)計(jì)中常用的儀表及控制系統(tǒng)供電方案如下：

1）中心控制室的儀表及控制系統(tǒng)，采用2套UPS供電方案，如圖2所示。

圖2 2套UPS供電方案

2）重要生產(chǎn)裝置、聯(lián)合生產(chǎn)裝置機(jī)柜室的儀表及控制系統(tǒng)，采用2套UPS供電方案，如圖2所示［7］。

3）小型生產(chǎn)裝置（UPS容量小于10kVA）和公用工程機(jī)柜室的控制系統(tǒng)，采用1套UPS加1套穩(wěn)壓電源的供電方案，如圖3所示。

圖3 1套UPS加1套穩(wěn)壓電源供電方案

以上設(shè)計(jì)方案可隨工程項(xiàng)目的具體情況進(jìn)行調(diào)整。如小型油庫(kù)工程項(xiàng)目工藝流程及控制方案簡(jiǎn)單，控制方案以單回路指示、報(bào)警為主，無(wú)串級(jí)、選擇等復(fù)雜控制回路，無(wú)多變量、多參數(shù)聯(lián)鎖控制，加之規(guī)模小、設(shè)備少，控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)少，因而其中心控制室的儀表及控制系統(tǒng)可采用1套UPS系統(tǒng)加1套穩(wěn)壓電源的供電方案。

筆者在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中曾應(yīng)用過(guò)這兩種設(shè)計(jì)方案，據(jù)了解現(xiàn)場(chǎng)供電穩(wěn)定。其中，1套UPS加1套穩(wěn)壓電源供電的方案如圖4所示。通常，儀表總配電柜由自控專業(yè)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，采購(gòu)過(guò)程中一般由DCS（或SCADA等）供貨商成套提供。

圖4 供電設(shè)計(jì)方案案例

2.3 未來(lái)的供電方式

隨著石油化工企業(yè)原油處理能力的提高及自動(dòng)化、信息化的快速發(fā)展，未來(lái)的中心控制室具有以下特征：集成化、智能化、模塊化的基礎(chǔ)設(shè)施；IT資源共享的信息服務(wù)平臺(tái)；能達(dá)到安全、可靠、高效的操作運(yùn)行；對(duì)過(guò)程對(duì)象、資源及環(huán)境的監(jiān)控虛擬化、可視化；系統(tǒng)可擴(kuò)展性好，軟、硬件維護(hù)簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)備份安全性高；能取得最大化的能源效率和最小化的環(huán)境影響［8］。因此，中心控制室會(huì)成為數(shù)字化信息處理中心，控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、大屏幕系統(tǒng)等各種系統(tǒng)聚集于此，需要UPS供電的設(shè)備越來(lái)越多，UPS容量越來(lái)越大。

目前，為了提高UPS的可靠性，主要采用主從結(jié)構(gòu)的“1＋1”并聯(lián)方式，文中2.2節(jié)所述的2套UPS供電方案就是采用此種方式。雖然該種方式在一定程度上提高了供電可靠性，但是不便于離線維護(hù)、擴(kuò)容，同時(shí)也存在設(shè)備利用不充分、缺乏靈活性等方面的缺陷，并且大容量UPS價(jià)格高昂，占地空間大。

隨著 UPS技術(shù)的發(fā)展，“N＋X”［9］型功率均分冗余模塊化整機(jī)冗余UPS技術(shù)不斷成熟，其技術(shù)的設(shè)計(jì)思想是：將單臺(tái)UPS作為單個(gè)獨(dú)立的模塊，各自在工作時(shí)可以自動(dòng)均流；單臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，可以在不停機(jī)的狀態(tài)下熱插拔故障UPS模塊；輸出功率在一定范圍內(nèi)可以任意擴(kuò)展?！癗＋X”通常指系統(tǒng)中N＋X臺(tái)UPS單機(jī)（或模塊）并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)最大X臺(tái)單機(jī)（或模塊）發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍能夠正常運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的容錯(cuò)功能。如果中心控制室的UPS容量為100kVA，若采用“1＋1”冗余UPS方案，此時(shí)，相當(dāng)于有100kVA的UPS備用，會(huì)產(chǎn)生“大馬拉小車”的問(wèn)題，既不經(jīng)濟(jì)又不節(jié)能；若采用“5＋2”冗余UPS方案（相當(dāng)于選用7臺(tái)20kVA并聯(lián)UPS系統(tǒng)），當(dāng)負(fù)載為75%時(shí)，可以容許有2臺(tái)UPS發(fā)生故障，當(dāng)負(fù)載為50%時(shí)，可以容許3臺(tái)UPS發(fā)生故障。

由于“N＋X”型UPS的最大特點(diǎn)是可以“熱插拔”，即在不妨礙正常供電的前提下可以帶電插拔UPS模塊（包括功率模塊、電池模塊、電路模塊等）以進(jìn)行更換或擴(kuò)容，一方面提高了供電的可靠性，另一方面給維護(hù)人員帶來(lái)了方便。因此，“N＋X”型UPS供電方式在石油化工裝置中擁有廣闊的應(yīng)用前景。

隨著高頻鏈結(jié)構(gòu)、全數(shù)字化控制方案在UPS系統(tǒng)中的應(yīng)用，UPS系統(tǒng)正向著模塊化、智能化、綠色化方向發(fā)展，“穩(wěn)定容錯(cuò)、綠色節(jié)能”［10］的UPS供電系統(tǒng)會(huì)是將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

穩(wěn)定可靠的供電系統(tǒng)是石油化工生產(chǎn)裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，如何為儀表及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全可靠的供電系統(tǒng)是石油化工自控設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)，設(shè)計(jì)者應(yīng)給予足夠的重視。

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