中石化上海工程公司 何 勖

柴油發(fā)電機(jī)組具有熱效率高、啟動迅速、結(jié)構(gòu)緊湊、燃料存儲方便、占地面積小、工程量小、維護(hù)操作簡單等特點(diǎn)，一般在海外石化項(xiàng)目中作為備用電源或應(yīng)急電源的首選。通常國內(nèi)采用的單套柴油發(fā)電機(jī)組與正常電源間的切換與控制是非常成熟的，其邏輯和方法也較為簡單；但在海外項(xiàng)目中由于涉及當(dāng)?shù)仄髽I(yè)執(zhí)行自己的公司規(guī)定，也會要求使用冗余的柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)作為備用電源來為應(yīng)急負(fù)荷供電，這就對柴油發(fā)電機(jī)組的啟停和應(yīng)急系統(tǒng)內(nèi)斷路器組的控制提出了更高的要求。

1 簡介

1.1 項(xiàng)目簡介

本項(xiàng)目主體為工藝連續(xù)生產(chǎn)過程的海外石油化工裝置，一旦中斷供電需長時間恢復(fù)生產(chǎn)，且會帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失，因此對供電的連續(xù)性和可靠性要求高，類比國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)（《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》 GB 50052-2009、《石油化工企業(yè)供電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》SH/T 3060-2013），其主要工藝生產(chǎn)裝置用電負(fù)荷可被定義為一級負(fù)荷，由兩路互相獨(dú)立的常規(guī)電源供電；而裝置內(nèi)的重要儀表、火災(zāi)報警等關(guān)鍵工藝流程控制設(shè)備則被定義為一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，由帶蓄電池的不間斷電源系統(tǒng)供電；應(yīng)急照明、特別重要的工藝設(shè)備及消防設(shè)備等也被定義為一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，除由常規(guī)電源供電外，另由柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源供電。

依據(jù)本項(xiàng)目技術(shù)要求規(guī)定，其應(yīng)急母線段為額定電壓480V、額定頻率60Hz的低壓電源，所配備的柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)應(yīng)為冗余系統(tǒng)，單套柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)能滿足母線上所有應(yīng)急負(fù)荷的用電需要。

1.2 應(yīng)急電源系統(tǒng)

本項(xiàng)目的480V應(yīng)急電源系統(tǒng)如圖1所示，來自480V非應(yīng)急母線段上的常規(guī)電源與柴油發(fā)電機(jī)組組成應(yīng)急電源系統(tǒng)，共同為應(yīng)急母線段40-ESG-902上的用電設(shè)備供電，常規(guī)電源負(fù)責(zé)正常情況下為該母線段供電，當(dāng)出現(xiàn)電源的各種故障而引起全部電源斷電時，需投入柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源供電。

圖1 應(yīng)急電源系統(tǒng)單線圖

應(yīng)急電源由冗余的柴油發(fā)電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)母線40-ESG-901等組成，最終由40-ESG-901母線引出一路饋出線到應(yīng)急母線段40-ESG-902。根據(jù)對本項(xiàng)目需由應(yīng)急電源供電的設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷及尖峰負(fù)荷容量計算，選擇作為冗余系統(tǒng)的2套柴油發(fā)電機(jī)組單套容量為1600kW，選擇40-ESG-901和40-ESG-902進(jìn)線開關(guān)容量都為3200A，其母線短路容量則分別為65kA和85kA。

1.3 柴油發(fā)電機(jī)組

柴油發(fā)電機(jī)組通常由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)和控制屏三部分組成。本項(xiàng)目采用冗余的柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，且選用了G2級以上的自動化柴油發(fā)電機(jī)組，該等級對柴油發(fā)電機(jī)組的自動化程度要求很高，包括：自動維持準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)，包括維持機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、冷卻水溫度；接到就地或遠(yuǎn)程指令后，機(jī)組能自動啟動并供電；接到就地或遠(yuǎn)程指令后，機(jī)組能自動停機(jī)；機(jī)組的燃油、機(jī)油、冷卻水能夠自動補(bǔ)充，機(jī)組啟動所用的蓄電池能自動充電；有過載、短路、過速度（或過頻率）、冷卻水溫度過高、機(jī)油壓力過低以及其他必要的保護(hù)裝置；有標(biāo)明正常運(yùn)行或非正常運(yùn)行的聲光信號系統(tǒng)等。

2 應(yīng)急電源系統(tǒng)控制邏輯的設(shè)計

2.1 面臨的問題

和傳統(tǒng)的單套柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源的應(yīng)急母線段相比，冗余的柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急電源在由常規(guī)電源供電切換為柴油發(fā)電機(jī)組供電的過程中，存在兩套柴油發(fā)電機(jī)組之間的配合問題，即對于冗余的柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)存在著兩種不同的設(shè)計方案：第一種方案將一套柴油發(fā)電機(jī)組作為主機(jī)，另一套柴油發(fā)電機(jī)組作為備機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)切換為柴油發(fā)電機(jī)組供電時先啟動主機(jī)，只有當(dāng)主機(jī)啟動不成功時才啟動備機(jī)；第二種方案兩套柴油發(fā)電機(jī)組互為主/備關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)切換為柴油發(fā)電機(jī)組供電時，兩套柴油發(fā)電機(jī)組同時啟動，先啟動成功的作為主機(jī)為系統(tǒng)提供電源。

對比這兩種不同方案，可看出當(dāng)采用第一種時，如出現(xiàn)主機(jī)故障、啟動備機(jī)的情況，按照一套柴油發(fā)電機(jī)組的啟動時間30秒考慮，應(yīng)急母線段需至少60秒才能獲得來自柴油發(fā)電機(jī)組的應(yīng)急電源，且將造成大量用電設(shè)備電壓的劇烈波動甚至掉電，這樣應(yīng)急的柴油發(fā)電機(jī)組也就失去了配備的意義，所以一般在設(shè)計過程中會考慮采用兩套柴油發(fā)電機(jī)組互為主/備的方案。

但在采用兩套柴油發(fā)電機(jī)組互為主/備的情況下，還需考慮如下的問題：兩套柴油發(fā)電機(jī)組同時啟動的情況下，如何判定哪套柴油發(fā)電機(jī)組會更早完成啟動；如何避免兩套柴油發(fā)電機(jī)組同時為應(yīng)急母線段供電；當(dāng)運(yùn)行中的柴油發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障時，如何切換到另一柴油發(fā)電機(jī)組為應(yīng)急母線段供電。

2.2 解決問題的設(shè)計思路

2.2.1 柴油發(fā)電機(jī)組的配合

當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組采用自動方式啟動時，在收到外部輸入的啟動信號后，打開柴油機(jī)起動閥門，發(fā)動機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)（他力運(yùn)轉(zhuǎn)）。此后隨著轉(zhuǎn)速的升高，送往氣缸的燃料油溫度也會升高。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定轉(zhuǎn)速后在氣缸高溫下燃料油自燃，柴油機(jī)由他力運(yùn)轉(zhuǎn)變?yōu)樽粤\(yùn)轉(zhuǎn)。在此過程中柴油機(jī)轉(zhuǎn)速逐步提高，并通過調(diào)速器控制達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速。與柴油機(jī)的啟動過程同時進(jìn)行的還有發(fā)電機(jī)的勵磁過程，其有多種形式，在此以復(fù)勵方式為例做簡單說明。復(fù)勵分為他勵和自勵，在啟動過程中采用他勵方式，一般通過蓄電池給供電，為發(fā)電機(jī)提供恒定勵磁；當(dāng)發(fā)電機(jī)能輸出額定電壓和頻率后系統(tǒng)切換為自勵方式，進(jìn)入正常運(yùn)行。

根據(jù)對柴油發(fā)電機(jī)組啟動過程的描述，可發(fā)現(xiàn)其啟動的成功將通過系統(tǒng)檢測柴油發(fā)電機(jī)組輸出電源的電氣參數(shù)，即電壓和頻率的確認(rèn)來達(dá)到的。對于本項(xiàng)目兩套柴油發(fā)電機(jī)組同時啟動的情況，將通過同時監(jiān)控兩套柴油發(fā)電機(jī)組的啟動情況，來判定哪套柴油發(fā)電機(jī)組率先完成啟動動作。

2.2.2 柴油發(fā)電機(jī)母線進(jìn)線開關(guān)的配合

當(dāng)一套柴油發(fā)電機(jī)組完成啟動動作時，其對應(yīng)斷路器合閘（依據(jù)本套柴油發(fā)電機(jī)組的起動及供電特性曲線加入適當(dāng)延時），同時發(fā)出一個停機(jī)命令給另一套柴油發(fā)電機(jī)組，并通過兩臺斷路器間的ATS（自動電源切換系統(tǒng)，即Automatic Transfer Switching）邏輯實(shí)現(xiàn)兩套柴油發(fā)電機(jī)組的各自進(jìn)線斷路器互鎖，以確保其中一臺進(jìn)線斷路器不會合閘。

2.2.3 故障狀態(tài)時的柴油發(fā)電機(jī)組切換動作

當(dāng)運(yùn)行中的柴油發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障時，會通過自身的控制系統(tǒng)發(fā)出故障信號；另一套柴油發(fā)電機(jī)組在收到該信號后，將立刻啟動并盡可能早地輸出合格電源給應(yīng)急母線段，以縮短應(yīng)急母線段的失電時間。與此同時，斷開故障柴油發(fā)電機(jī)組側(cè)的柴油發(fā)電機(jī)母線進(jìn)線開關(guān)，并通過ATS功能解除另一側(cè)斷路器的鎖定狀態(tài)，這樣在另一側(cè)柴油發(fā)電機(jī)組啟動完成后，斷路器能正常合閘。

2.3 ATS系統(tǒng)簡介

上述ATS即自動電源切換系統(tǒng)，是近年來在國內(nèi)外石化企業(yè)乃至工業(yè)企業(yè)中常用的一種實(shí)現(xiàn)兩臺甚至多臺斷路器之間切換功能的智能控制器。通過對控制器的編程，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的斷路器控制邏輯。ATS可采用帶母線殘壓閉鎖或延時切換方式，也可采用帶同期檢定的快速切換方式（以下簡稱為“檢同期”）。

所謂的檢同期是指在合斷路器之前，先檢測斷路器兩端（線路側(cè)和母線側(cè)）是否滿足同期條件（即電壓、頻率、角度都在允許范圍內(nèi)，可在定值中整定），再合斷路器。在本項(xiàng)目中，利用帶檢同期功能的斷路器可對常規(guī)電源、柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急電源等進(jìn)行檢測，并對柴油發(fā)電機(jī)組啟動完成、常規(guī)電源正常以及常規(guī)電源失電等情況進(jìn)行判斷。

3 應(yīng)急電源系統(tǒng)控制邏輯及對電氣設(shè)備的要求

3.1 應(yīng)急電源系統(tǒng)控制邏輯

本項(xiàng)目應(yīng)急電源系統(tǒng)的啟動、故障切換和停止等控制，將由柴油發(fā)電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)母線、應(yīng)急母線段進(jìn)線斷路器等應(yīng)急電源系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備共同參與完成，現(xiàn)對整個啟停控制流程闡述如下：

應(yīng)急電源系統(tǒng)的啟動流程：40-ESG-902段常規(guī)電源進(jìn)線通過檢同期功能，檢測到本身低電壓后，將其“低電壓”信號作為柴油發(fā)電機(jī)的啟動信號，送往兩套柴油發(fā)電機(jī)組的控制盤；兩套柴油發(fā)電機(jī)組收到啟動信號后同時啟動；40-ESG-901段應(yīng)急電源進(jìn)線同時檢測本段柴油發(fā)電機(jī)組是否啟動完成（通過檢同期功能監(jiān)測輸入的電壓和頻率），如果某套啟動完成，則合對應(yīng)其斷路器，同時送出一個“啟動完成”信號到另一套柴油發(fā)電機(jī)組控制盤作為其停止信號，同時40-ESG-901兩臺斷路器用ATS邏輯實(shí)現(xiàn)互鎖，保證其不能同時合閘；40-ESG-902段進(jìn)線也利用ATS邏輯互鎖，在失去常規(guī)電源同時柴油發(fā)電機(jī)組完成啟動動作（電壓和頻率正常）后，完成互切。

應(yīng)急電源系統(tǒng)的故障切換流程：如果在運(yùn)行過程中柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障，則發(fā)送“跳閘”信號到其對應(yīng)斷路器，命令該斷路器分閘；同時將“跳閘”信號送到另一側(cè)的柴油發(fā)電機(jī)組作為其啟動信號；收到該啟動信號后，另一側(cè)柴油發(fā)電機(jī)重新執(zhí)行本文所描述的啟動動作流程。在此過程中故障的柴油發(fā)電機(jī)組不參與重新啟動過程。

應(yīng)急電源系統(tǒng)的停止流程：40-ESG-902段檢同期邏輯檢測到常規(guī)電源電壓正常后，發(fā)命令至對應(yīng)斷路器合閘，同時將本段“電壓正常”信號作為柴油發(fā)電機(jī)組的“停止”信號送至其控制盤，同時通過ATS互鎖功能斷開40-SG-902段對應(yīng)斷路器。在40-SG-901段各斷路器檢測到本段失壓后，其ATS功能將發(fā)出命令讓其分閘。

3.2 應(yīng)急電源系統(tǒng)對電氣設(shè)備的要求

根據(jù)上述邏輯表述，可拆分出如下對于應(yīng)急電源系統(tǒng)包含的各組設(shè)備的信號交接清單及其控制要求。需說明的是，下述所有進(jìn)線斷路器的分合閘要求只考慮了應(yīng)急電源系統(tǒng)啟?？刂浦谐霈F(xiàn)的情況，此外還需考慮國家標(biāo)準(zhǔn)中要求的各類故障跳閘以及手動分/合閘等功能，由于這些功能與本文討論的內(nèi)容無關(guān)，故不再贅述。

柴油發(fā)電機(jī)組控制邏輯。柴油發(fā)電機(jī)組的啟動條件：收到來自40-ESG-901段其對側(cè)進(jìn)線“跳閘”信號，收到來自40-ESG-902段常規(guī)電源進(jìn)線“低電壓”信號；柴油發(fā)電機(jī)組的停止條件：收到來自40-ESG-901段其對側(cè)進(jìn)線柜“啟動完成”信號，收到來自40-ESG-902段常規(guī)電源進(jìn)線“電壓正常”信號；柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的信號：至本側(cè)40-ESG-901進(jìn)線柜分閘回路的“跳閘”信號，用于進(jìn)線柜斷路器分閘。

柴油發(fā)電機(jī)母線40-ESG-901段控制邏輯。進(jìn)線斷路器合閘條件：通過檢同期功能判定本段“啟動完成”后合閘；進(jìn)線斷路器分閘條件：對應(yīng)的柴油發(fā)電機(jī)組“跳閘”信號。

應(yīng)急母線40-ESG-902控制邏輯。通過檢同期功能，判定本段的“電壓正?！焙汀笆骸睜顟B(tài)，完成斷路器分/合閘控制；40-ESG-902段發(fā)出的信號：至柴油發(fā)電機(jī)組40-G-901A/B控制盤的“電壓正常”信號用于停止柴油發(fā)電機(jī)組，至柴油發(fā)電機(jī)組40-G-901A/B控制盤的“失壓”信號用于啟動柴油發(fā)電機(jī)組。

綜上，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組采用冗余系統(tǒng)時，其控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度及兩套柴油發(fā)電機(jī)組對應(yīng)斷路器的配合問題，相比單套柴油發(fā)電機(jī)組的情況復(fù)雜得多，對于設(shè)計人員須有足夠的心理準(zhǔn)備。可以肯定的是，相比于預(yù)先定義柴油發(fā)電機(jī)組為主機(jī)和備機(jī)的方式，本文所描述的柴油發(fā)電機(jī)組及對應(yīng)斷路器的控制方式將有利于提高應(yīng)急電源系統(tǒng)的可靠性。對于斷路器之間的配合，ATS的使用可以減少控制邏輯的復(fù)雜程度，但需要注意的是，ATS產(chǎn)品由于廠家的不同，在控制邏輯和邏輯編程上也存在不同，需要設(shè)計人員根據(jù)項(xiàng)目的具體情況來確定。