郭慶奎

（中國石油化工股份有限公司天津分公司）

0 引言

隨著中國制造的崛起，中國基建力量的強大，“一帶一路”項目的實施，中國石化系統(tǒng)到國外自建項目與承攬項目的增多，石化系統(tǒng)生產(chǎn)裝置UPS電源應(yīng)用越來越廣泛，不間斷電源顯得特別重要。石化系統(tǒng)生產(chǎn)裝置DCS系統(tǒng)及其他控制系統(tǒng)是比較特殊的，基本上是傳感器過來的4～20mA電流信號，對應(yīng)的生產(chǎn)裝置主要為：高溫高壓以及流量等參數(shù)。并對壓力容器及管線內(nèi)的參數(shù)進行監(jiān)控與操作，這些參數(shù)是看不見摸不著的，只能通過計算機DCS（分散控制系統(tǒng)）來顯示、控制及操作。為保證裝置DCS系統(tǒng)的正確運行，給DCS系統(tǒng)提供長期穩(wěn)定可靠的電源是關(guān)鍵。一旦電源發(fā)生故障，管道內(nèi)和壓力容器內(nèi)所有參數(shù)都不能顯示，就無法進行操作，很容易發(fā)生爆炸和管道堵塞等事故，少則損失幾百萬，多則達幾千萬甚至上億元。除了UPS的本身性能外，可靠的長周期連續(xù)穩(wěn)定的運行方案也是非常重要的。結(jié)合在國外實施項目及運行經(jīng)驗，本文提供兩個方案：

1）主電源輸入增加穩(wěn)壓電源解決UPS輸入電壓波動及電池頻繁啟動問題。

2）增加STS靜態(tài)開關(guān)切換裝置解決單電源輸入的重要設(shè)備電源的可靠性問題。

1 工業(yè)級UPS與機房UPS的概念

我國目前還沒有專門針對工業(yè)級UPS的規(guī)范，其實應(yīng)該找專業(yè)人士形成應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的工業(yè)級UPS的國家規(guī)范。無論各UPS廠家如何解釋，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場與機房恒溫恒濕現(xiàn)場的UPS基本配置還是差別很大的。一線專業(yè)人士針對工業(yè)現(xiàn)場的UPS應(yīng)用環(huán)境、技術(shù)要求及經(jīng)驗，得出工業(yè)級UPS與機房UPS比較大的區(qū)別，具體如下：

1）工業(yè)型UPS特點。帶自動獨立靜態(tài)旁路輸入，要求二路獨立電源輸入。整流器采用12脈沖或6脈沖整流，整流波型諧波大，整機效率較低（93%～94%）。高頻商業(yè)機房UPS采用IGBT整流（效率高，整流波形失真小，同容量UPS主機體積小，重量輕）。

2）工業(yè)型主機內(nèi)置有輸入輸出隔離變壓器，可以起到電氣隔離，消除諧波，雜波，抗干擾、抗雷擊及抗短路電流的作用。旁路輸入可配置旁路隔離變壓器，起到隔離消除高次諧波及提供旁路零線作用。商業(yè)高頻機沒有內(nèi)置輸入輸出隔離變壓器（個別品牌為應(yīng)付用戶要求只能外置隔離變壓器）。

3）工業(yè)級UPS所有電氣元件設(shè)計耐壓值、電流值均符合大電流過壓及短路要求，過載能力大，有防短路能力強抗雷擊的特點，而高頻機不具備這些特點，高頻機一般適合在環(huán)境好，溫濕度適合的機房。

4）工業(yè)級UPS符合在復雜惡劣的工業(yè)環(huán)境運行的條件，標準生產(chǎn)或能按用戶要求定制。設(shè)備可在溫度-10℃～+50℃、濕度可達90%以下環(huán)境下運行，允許有少量灰塵和導電塵埃環(huán)境、防水、防塵IP等級高等特點。高頻商業(yè)機一般在溫度濕度可控的機房內(nèi)運行，比較脆弱，如在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下運行1年多，一般容易出故障。

5）工業(yè)型UPS專業(yè)設(shè)計器件組裝有足夠的絕緣距離和爬電距離。體積大，重量很重。商業(yè)高頻機尺寸重量小，其整機效率高達97%～99%。工業(yè)級UPS單機原理單線圖如圖1所示。

圖1 工業(yè)級UPS單機原理單線圖

2 “一帶一路”沿線國家項目UPS電源使用問題

“一帶一路”沿線國家電網(wǎng)質(zhì)量普遍不是很好，停電比較頻繁，電力供應(yīng)質(zhì)量比較差，電壓幅值波動比較大。我國石化企業(yè)參與建設(shè)的尼日利亞丹格特石化公司，蘇丹國家石油，埃及石化項目等，DCS及其控制電源選用的UPS主機質(zhì)量很好，都是國際大品牌，有施耐德、固特、北寧、艾默生、AEG等品牌，但是UPS設(shè)備在用戶現(xiàn)場運行1年半左右時間，發(fā)現(xiàn)UPS主機報警，顯示電池故障，無法切換到電池逆變運行，電池壽命也已到期。用戶的技術(shù)水平達不到維護設(shè)備的高度，我們的集成單位只能安排原廠家技術(shù)人員到現(xiàn)場測試查找故障原因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電池故障，壽命到期或放電時間短是由以下原因造成：非洲國家市電不穩(wěn)，供電質(zhì)量較差，電壓幅值波動較大，引起UPS主機頻繁通過電池逆變帶負荷，因為工業(yè)級UPS主電源輸入電壓范圍正常為+15%～-15%，超過此范圍，改為電池逆變。但是電池的循環(huán)放電的次數(shù)是有限的，一般為500～600次，如果每天電壓波動一次，UPS主機改為電池逆變帶載，則1年半內(nèi)電池的循環(huán)使用壽命到期，造成電池損壞，無法充電及供電，UPS主機報警。當真正輸入電源消失或大的波動時，UPS無法提供穩(wěn)定干凈純潔的電源，將導致負載斷電，造成極大損失。找到了具體的原因，根據(jù)我們以往的UPS運行經(jīng)驗，只要在UPS前段增加1臺同容量的穩(wěn)壓電源，而且穩(wěn)壓的范圍大于電網(wǎng)的波動值即可。這樣UPS的主電源輸入端接受到的電源始終是穩(wěn)定的電源，除非是主電源消失或波動范圍大于穩(wěn)壓電源的±40%后，才能真正的讓電池逆變供電帶負荷。

實例：我國石化企業(yè)承擔的尼日尼亞丹格特石化項目，UPS設(shè)備運行1年半，主機報警，發(fā)現(xiàn)電池全部損壞，用戶要求解釋原因，按照技術(shù)協(xié)議規(guī)定正常情況下電池是3年質(zhì)保，我方技術(shù)人員到現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，尼日尼亞電網(wǎng)波動大于±20%，白天電壓低，晚上電壓高，但是施耐德品牌UPS主電源輸入電源范圍：±15%。當電網(wǎng)波動高于15%或低于15%時都會引起UPS切換到電池逆變供電，導致電池頻繁逆變供電，因此在1年半的時間內(nèi)，將電池的循環(huán)使用壽命耗盡。集成商針對此問題給出解決方案，征得用戶同意，在此項目UPS上，輸入端增加穩(wěn)壓電源，取得了圓滿效果，運行穩(wěn)定了3年，UPS沒有任何與電池有關(guān)的故障報警。具體配置原理圖如圖2所示。

圖2 主電源輸入端加穩(wěn)壓電源單線圖

UPS電源主輸入端加穩(wěn)壓電源（國內(nèi)知名品牌），具體參數(shù)如下：

1）設(shè)備功率：60kVA；

2）額定電流：230A；

3）輸入電壓：三相380V±40%；

4）輸出精度：1%～5%可調(diào)，出廠設(shè)定±2%；

5）效率：≥98%；

6）反應(yīng)時間：≤100ms；

7）功率因數(shù)：0.88、噪音：＜50DB（1M距離）；

9）頻率：50Hz；

10）波形畸變：不產(chǎn)生附加波形畸變（靜態(tài)）；

11）絕緣電阻：≥2MΩ；

12）工作耐壓：2500V電壓1min無擊穿、無飛?。?/p>

13）穩(wěn)壓時間：輸入電壓在10%以內(nèi)波動，穩(wěn)壓時間小于1.2s。

3 針對石化現(xiàn)場單電源負載，加STS靜態(tài)切換裝置

石化裝置中的DCS控制電源，可接受2路電源輸入，本身帶電源切換。采用的是2臺UPS雙母線分別對DCS供電，基本不采用UPS并聯(lián)方式給DCS控制系統(tǒng)供電。其他可接受2路電源的設(shè)備也采用的是雙母線供電方式。其具體供電原理圖如圖3所示。

圖3 供電原理圖

在石化運行裝置中，有部分特別重要的設(shè)備，僅接受1路輸入電源，如參與程序控制的PLC，特別重要且必不可少，其供電可靠性也是最高級別。為保證PLC的供電可靠性，采用UPS+STS冗余方案，UPS作為主電源輸入，當UPS故障時，STS會在4～5ms內(nèi)自動切換到市電供電，當然此路市電也可以是另1臺UPS輸出電源。這樣就可以放心地對故障UPS進行維修了，STS本身是UPS內(nèi)部的一個靜態(tài)裝換開關(guān)（單元），但現(xiàn)在國內(nèi)有廠家如國內(nèi)某科技公司將此單元單獨拿出來作為一個切換裝置，生產(chǎn)TOP-II型靜態(tài)電源切換裝置，增加了很多檢測和保護功能，其電源切換的可靠性非常高。單電源負載用UPS+STS供電原理圖如圖4所示。

4 結(jié)束語

經(jīng)過近幾年“一帶一路”沿線石化項目的建設(shè)，我國參建單位及電源廠商也積累了一些UPS運行及電池保護的方案與經(jīng)驗，對單電源負載為增加供電可靠性提供實用簡單可靠的方案。方案的實施也確實解決了現(xiàn)場存在的實際問題，也給當?shù)仄髽I(yè)帶來經(jīng)濟效益，至少挽回了因電源故障帶來的損失。

圖4 單電源負載用UPS+STS供電原理圖