呂亦旸

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

隨著全球人口的增加與當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類生存空間逐步向海洋與空中拓展。海洋蘊(yùn)藏著豐富的可供人類從事生產(chǎn)、生活的資源，包括石油、動(dòng)力、礦產(chǎn)、化工和生物等資源，海洋成為人類開(kāi)發(fā)的主要領(lǐng)域。目前，全球?qū)Ｑ蟮拈_(kāi)發(fā)利用已經(jīng)進(jìn)入日趨完善和成熟的階段。伴隨著海洋工程項(xiàng)目日益增多，要求日漸嚴(yán)格，不間斷電源（UPS）的使用也越來(lái)越廣泛，本文將就實(shí)際設(shè)計(jì)中所需要解決的UPS容量估算、蓄電池容量計(jì)算、UPS設(shè)計(jì)等一系列問(wèn)題進(jìn)行介紹。

1 不間斷電源（UPS）簡(jiǎn)述

UPS是英文Uninterruptible Power System的縮寫，意為“不間斷供電電源”，是一種含有儲(chǔ)能裝置（常見(jiàn)的是蓄電池），以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源，它可以解決現(xiàn)有電力的斷電、低電壓、高電壓、突波和雜訊等現(xiàn)象，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、交通、銀行、證券、通信、醫(yī)療和工業(yè)控制等行業(yè)，同時(shí)在船舶設(shè)計(jì)特別是海洋工程項(xiàng)目中的使用也日益廣泛。

在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中合理選擇UPS的容量，是船舶設(shè)計(jì)中重要的組成部分。容量配置過(guò)大，浪費(fèi)設(shè)備資源；容量配置過(guò)小，又不能滿足設(shè)備對(duì)不間斷電源供電的安全要求。因此，合理地配備蓄電池的容量，是UPS經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和對(duì)負(fù)載設(shè)備不間斷供電的重要保障。

圖1 UPS系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖

2 UPS工作原理

UPS系統(tǒng)由4部分組成：整流、儲(chǔ)能、變換和開(kāi)關(guān)控制。其穩(wěn)壓功能通常是由整流器完成。整流器件采用可控硅或高頻開(kāi)關(guān)整流器，本身具有可根據(jù)外電的變化控制輸出幅度的功能。當(dāng)外電發(fā)生變化時(shí)（該變化應(yīng)滿足系統(tǒng)要求），輸出幅度基本不變的整流電壓。頻率的穩(wěn)定則由變換器來(lái)完成，頻率穩(wěn)定度取決于變換器振蕩頻率的穩(wěn)定程度。為方便UPS電源系統(tǒng)的日常操作與維護(hù)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)工作開(kāi)關(guān)，主機(jī)自檢故障后的自動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)，檢修旁路開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)控制。

圖1是UPS系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖，左端是電源輸入部分包括主電源和旁路電源，右端是系統(tǒng)負(fù)載。主電源經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)以及整流器單元為蓄電池充電，在主電源不失電的時(shí)候，負(fù)載供電來(lái)自旁路電源，當(dāng)正常供電失效時(shí)，負(fù)載的供電由旁路電源供電轉(zhuǎn)換為主電源供電，整個(gè)切換的過(guò)程由靜態(tài)開(kāi)關(guān)完成，靜態(tài)開(kāi)關(guān)可以保證整個(gè)切換的過(guò)程在10 ms之內(nèi)即半個(gè)50 Hz或者60 Hz周期內(nèi)完成，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)不間斷電源的功能。

3 UPS容量的確定

在了解UPS的基本工作原理和系統(tǒng)組成之后，現(xiàn)在介紹一下在船舶設(shè)計(jì)中，UPS電源確定的過(guò)程。

UPS系統(tǒng)容量的確定一般來(lái)自于UPS容量計(jì)算書的結(jié)果，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中為了避免遺漏需要使用的UPS負(fù)載，一般會(huì)制作專門的UPS負(fù)載清單，根據(jù)設(shè)計(jì)的推進(jìn)實(shí)時(shí)更新，填寫相關(guān)信息，表1是一個(gè)典型的UPS 負(fù)載清單。

表1 某鉆井船1號(hào)UPS負(fù)載清單

表中包括設(shè)備的名稱、功率、使用系數(shù)、工作時(shí)間等信息，在設(shè)計(jì)過(guò)程中只需要實(shí)時(shí)更新負(fù)載信息，最后即可根據(jù)UPS load list的結(jié)果，編制UPS容量計(jì)算書等文件，并進(jìn)行UPS訂貨。根據(jù)該表可知，該UPS的總負(fù)載功率為9 kW，取功率因數(shù)0.8的話，視在功率應(yīng)為11.25 kVA。根據(jù)該表可以編制出UPS容量計(jì)算書，同時(shí)根據(jù)廠家的設(shè)備選型資料，可以選擇15 kVA或者20 kVA的不間斷電源為項(xiàng)目使用。

4 蓄電池容量估算

在確定了不間斷電源的容量之后即可以進(jìn)行訂貨，一般廠家可以負(fù)責(zé)對(duì)UPS蓄電池組的容量計(jì)算。但是為了更清楚了解船用UPS的設(shè)計(jì)和選型，這里也詳細(xì)介紹一下UPS蓄電池組的選型方式。

對(duì)于UPS廠家而言，UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為重要的部分就是蓄電池組數(shù)量容量的確認(rèn)，一般來(lái)說(shuō)UPS蓄電池容量的確認(rèn)主要根據(jù)以下幾個(gè)數(shù)據(jù)。

4.1 UPS的容量

UPS的容量即為我們之前計(jì)算求得的數(shù)據(jù)，UPS來(lái)自具體項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的過(guò)程中一定要確認(rèn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，避免因?yàn)槌跏驾敵龅牟町惗鴮?dǎo)致最后UPS容量確定的失準(zhǔn)。

4.2 放電時(shí)間

船級(jí)社對(duì)應(yīng)急電源的放電時(shí)間有明確要求，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要特別注意對(duì)規(guī)范的確認(rèn)。一般而言如果UPS系統(tǒng)中包括多種設(shè)備，且其所需要的應(yīng)急供電時(shí)間不同的話，以全部設(shè)備當(dāng)中需要放電時(shí)間最長(zhǎng)的系統(tǒng)為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常1小時(shí)的放電時(shí)間可以滿足大多數(shù)船級(jí)社的要求。放電時(shí)間的長(zhǎng)短左右了蓄電池放電系數(shù)η。當(dāng)確認(rèn)放電時(shí)間后，就可以確認(rèn)放電系數(shù)，具體見(jiàn)表2。

表2 放電系數(shù)表

當(dāng)蓄電池組放電的時(shí)間越快，它可以放出電能的總量就越低，通常電池在出廠時(shí)廠家會(huì)以10 h為基準(zhǔn)標(biāo)稱電池的容量，在不同情況下，電池的放電能力可根據(jù)表2進(jìn)行折算。

4.3 單塊蓄電池組所使用的電池電壓以及數(shù)量

船用蓄電池有酸性蓄電池和堿性蓄電池兩大類。酸性蓄電池也稱為鉛酸蓄電池，船用歷史最久，常用于柴油機(jī)的起動(dòng)和應(yīng)急照明。堿性蓄電池包括鎘-鎳蓄電池、鐵-鎳蓄電池、鋅-銀蓄電池和鎘-銀蓄電池等，主要用于無(wú)線電通信設(shè)備。

酸性電池的電壓?jiǎn)蝹€(gè)為2 V左右，而堿性蓄電池的單個(gè)電壓為1.25 V左右，酸性蓄電池的內(nèi)阻更小，適合大電流放電，而堿性蓄電池具有體積更小、機(jī)械強(qiáng)度高、作用電壓平穩(wěn)、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，一般使用在精密儀表或者控制系統(tǒng)上。

船用蓄電池一般以數(shù)個(gè)串聯(lián)而成的蓄電池組為單位，每個(gè)單位的電壓可為12 V或者24 V。電池組的使用數(shù)量應(yīng)根據(jù)充電電流的電壓確定。比如，當(dāng)我們使用AC 480 V進(jìn)行充電時(shí)，我們需要的蓄電池電池電壓和數(shù)量可以是DC 12 V×40，或者DC 24 V×20，而使用220 V進(jìn)行充電時(shí)則蓄電池電池的電壓和數(shù)量可以是DC 12 V×19或者24 V×9。一般而言，使用DC 24 V標(biāo)準(zhǔn)的單塊蓄電池組，可以使蓄電池架的設(shè)計(jì)更為緊湊合理從而節(jié)省空間；所以，一般我們更傾向于選擇DC 24 V的單塊蓄電池組。

在獲得以上數(shù)據(jù)后，就可以根據(jù)公式計(jì)算UPS蓄電池的容量：

式中：Q為UPS蓄電池容量，單位為Ah；

S為UPS容量，單位為kVA；

η為蓄電池放電系數(shù)；

K為UPS逆變效率，該數(shù)據(jù)來(lái)自廠家設(shè)備性能由廠家給出，一般估算可取0.95；

N為單塊蓄電池組數(shù)量；

U為單塊蓄電池電池電壓，這里可以按照充電電壓480 V，選用20塊24 V蓄電池組進(jìn)行供電。

我們可按照前文給出的UPS容量計(jì)算書結(jié)果進(jìn)行蓄電池容量估算。

根據(jù)UPS容量計(jì)算書所得，我們可以知道UPS容量為20 kVA。

設(shè)計(jì)供電時(shí)間為1小時(shí)，則放電系數(shù)η為0.6。UPS逆變效率估算為0.95。

蓄電池組的數(shù)量和電壓可以估算為9×DC 24 V。

根據(jù)公式：

通過(guò)計(jì)算，我們可以選用1組100 Ah的蓄電池組滿足設(shè)計(jì)要求。

5 實(shí)際使用案例

下面根據(jù)一個(gè)實(shí)船使用中的案例分析和說(shuō)明船用UPS電源的容量確定、設(shè)備選型、設(shè)計(jì)等方面需要注意之處，以及需要解決的問(wèn)題。

根據(jù)IMO MODU規(guī)范第5.4節(jié)對(duì)應(yīng)急電源系統(tǒng)的相關(guān)要求需要由過(guò)渡電源系統(tǒng)供電即不間斷電源系統(tǒng)供電的系統(tǒng)包括：

（1）應(yīng)急照明（包括逃生登艇處、服務(wù)生活區(qū)域的逃生出口等、機(jī)械控制站、消防裝備處所、直升機(jī)甲板照明等）。

（2）航行燈信號(hào)燈。

（3）內(nèi)部報(bào)警通訊系統(tǒng)的設(shè)備。

（4）火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

（5）固井單元等。

根據(jù)規(guī)范要求供電時(shí)間為0.5小時(shí)，而根據(jù)船東以及廠家對(duì)自身設(shè)備的一些要求，我們又相應(yīng)增加了一些系統(tǒng)從不間斷電源供電，包括：

（1）配電板和馬達(dá)控制中心；

（2）鉆井的一些重要負(fù)載；

（3）變壓器等。

與此同時(shí)，我們也根據(jù)船東的要求將供電的時(shí)間增加到1小時(shí)。此外，在生活區(qū)域以及機(jī)械處所的照明燈均使用自帶應(yīng)急蓄電池?zé)纛^的熒光燈，且可不計(jì)入不間斷電源的統(tǒng)計(jì)之內(nèi)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及設(shè)備資料，我們可以制作不間斷電源容量統(tǒng)計(jì)表。

表3是該鉆井駁船的不間斷電源容量統(tǒng)計(jì)表，根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)的功率統(tǒng)計(jì)，并估算系統(tǒng)功率因數(shù)為0.8，則根據(jù)計(jì)算，該UPS的容量為26.625 kVA，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們可以選擇30 kVA的不間斷電源進(jìn)行供電。

表3 某鉆井駁船的不間斷電源負(fù)載清單

續(xù)表3

在確認(rèn)使用30 kVA不間斷電源的同時(shí)，我們還需要確認(rèn)蓄電池的容量，廠家告知其標(biāo)準(zhǔn)蓄電池可使用的標(biāo)準(zhǔn)充電電壓包括220 V以及110 V，為了節(jié)省布置空間，我們選擇使用220 V標(biāo)準(zhǔn)蓄電池，但是由于船上通用480 V/230 V變壓器的容量不足，我們要求廠家為系統(tǒng)提供專用的內(nèi)置變壓器，即船上供電為AC 480 V，有UPS電源裝置自帶的變壓將充電電壓降至AC 230 V。

另外，從表3中可知，我們將廣播通用報(bào)警系統(tǒng)的供電也放在通用UPS里，其中第19項(xiàng)和21項(xiàng)為廣播通用報(bào)警系統(tǒng)的工作負(fù)載，船級(jí)社要求它們只需要被計(jì)算為0.5小時(shí)；而第20項(xiàng)和22項(xiàng)為廣播通用報(bào)警系統(tǒng)的待機(jī)負(fù)載，它們表示廣播通用報(bào)警系統(tǒng)在待機(jī)情況下的功耗情況，船級(jí)社對(duì)它們的要求是18小時(shí)。對(duì)此，我們要求廠家自帶時(shí)間繼電器，當(dāng)其他設(shè)備達(dá)到船級(jí)社要求的工作時(shí)限時(shí)，它們就會(huì)被自動(dòng)切除，而廣播通用報(bào)警系統(tǒng)則可繼續(xù)工作以滿足要求。

解決了這些問(wèn)題，我們就可以開(kāi)始對(duì)蓄電池容量進(jìn)行估算。根據(jù)公式以及UPS容量計(jì)算的結(jié)果：

我們可以選擇1塊300 Ah的蓄電池組以滿足設(shè)備要求。

在確定了UPS以及蓄電池組的容量之后，還有一些細(xì)節(jié)問(wèn)題需要注意。

5.1 旁路電源

船用UPS在正常工作時(shí)可以作為分電箱，這個(gè)分電箱的供電可以來(lái)自UPS蓄電池也可以來(lái)自于旁路電源。在正常情況下使用UPS蓄電池作為供電電源時(shí)，電池則需要采用浮充充電的方法，即蓄電池直接和直流充電電網(wǎng)并聯(lián)，電網(wǎng)向負(fù)載供電的同時(shí)也向蓄電池充電，當(dāng)外負(fù)載減小時(shí)，電網(wǎng)電壓升高，充電電流就相應(yīng)增加；反之，則自動(dòng)減小。UPS一般較少采用這種模式，在本項(xiàng)目中，我們要求廠家提供旁路電源的功能，即在正常情況下，船舶向UPS另外提供一路供電，專門為UPS的負(fù)載供電，不干擾UPS蓄電池組的充電模塊。

5.2 充電電流

充電電流的大小取決于充電時(shí)間的長(zhǎng)短。根據(jù)船級(jí)社及蓄電池要求，在10小時(shí)內(nèi)被充滿即可，根據(jù)本項(xiàng)目的蓄電池容量選擇，300 Ah的蓄電池在10小時(shí)內(nèi)充滿，電流不大于30 A。由于UPS系統(tǒng)還自帶變壓器，船上對(duì)UPS系統(tǒng)的供電應(yīng)為480 V，電流為14 A。為了保證系統(tǒng)安全，還可以向廠家要求安裝限流器，以保證系統(tǒng)可靠性。

5.3 電纜開(kāi)關(guān)

UPS內(nèi)外部的電纜和開(kāi)關(guān)都可以根據(jù)充電電流的大小來(lái)選擇，本項(xiàng)目中選擇20 AF的塑殼開(kāi)關(guān)從480 V主配電板供電，電纜選擇3×4，以滿足開(kāi)關(guān)對(duì)電纜的保護(hù)。

6 結(jié) 論

本文旨在通過(guò)介紹分析實(shí)船設(shè)計(jì)中UPS電源的容量計(jì)算，蓄電池容量計(jì)算以及在設(shè)計(jì)中所碰到的一些問(wèn)題及其解決方法，向讀者簡(jiǎn)單介紹船用UPS在實(shí)船設(shè)計(jì)中需要注意的地方以及分析解決的方法。

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