劉立峰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

1 現(xiàn)狀

1.1 應(yīng)急電源系統(tǒng)的構(gòu)成

有色冶金化工企業(yè)中由于中斷供電造成人員傷亡或重大設(shè)備損壞或發(fā)生中毒、爆炸和火災(zāi)等安全事故的負(fù)荷,稱為一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷[2]。按照國家相關(guān)規(guī)范要求,對一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷的供電應(yīng)按要求配置雙重電源供電,并應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源,并嚴(yán)禁將其他負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)。應(yīng)急電源的配置應(yīng)依據(jù)一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷的負(fù)荷類型、設(shè)備功率、允許停電時間、停電影響等,綜合考慮可靠、合理、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行設(shè)計。

根據(jù)項目所在地供電電源情況,能夠正常連續(xù)穩(wěn)定地為項目所有用電負(fù)荷提供電能的電源稱為主電源。正常供電電源發(fā)生斷電時,能夠滿足項目一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷供電的獨立電源稱為應(yīng)急電源[4]。同時,通常還需要結(jié)合工藝需求及現(xiàn)場實際情況,設(shè)置非電保安措施。

應(yīng)急電源:主要包括柴油發(fā)電機(jī)組、EPS 電源、UPS 電源、直流蓄電池等。

非電保安措施:不以電能為媒介,為保證系統(tǒng)安全,采取的非電性質(zhì)的應(yīng)急手段和方法。冶煉廠常見非電保安措施包括為工業(yè)爐窯水套冷卻提供應(yīng)急供水的高位水箱,為爐體循環(huán)水系統(tǒng)冷、熱水泵設(shè)置的應(yīng)急柴油泵等。

1.2 常見應(yīng)急電源及比較

柴油發(fā)電機(jī)組是目前工程中最常見的應(yīng)急電源,適用于允許中斷供電時間大于15 s,負(fù)荷功率較大、應(yīng)急供電時間較長的負(fù)載[1]。由于柴油發(fā)電機(jī)組容量選擇范圍大,可并機(jī)運(yùn)行,連續(xù)供電時間長,因此應(yīng)用廣泛。

應(yīng)急電源EPS(Emergency Power Supply),主要由整流充電裝置、蓄電池組、逆變裝置、ATS 互投裝置等構(gòu)成。正常時通過整流充電裝置將交流電整流成直流電給蓄電池組充電,應(yīng)急工作時采用SPWM(交流脈帶調(diào)制)技術(shù),通過逆變器將蓄電池直流電轉(zhuǎn)換成交流電,為應(yīng)急負(fù)載提供持續(xù)穩(wěn)定的交流電源。一般適用于允許中斷供電時間為毫秒級(不大于100 ms)電機(jī)等電感性負(fù)載或應(yīng)急照明負(fù)載[5]。

直流電源(DC Power)采用蓄電池儲能,通過直流母線為直流設(shè)備供電,常用于直流電機(jī)、中高壓系統(tǒng)控制和操作電源等。

不斷電電源UPS(Uninterrupted Power Supply),當(dāng)市電停電時能夠無擾切換,持續(xù)為負(fù)載提供電源的設(shè)備。主要用于為生產(chǎn)控制系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心等提供電源。

EPS、UPS、直流電源稱為靜態(tài)儲能型電源。

1.3 目前應(yīng)急電源系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題

目前,有色冶煉廠規(guī)模越來越大,重要一級用電設(shè)備多,布局分散,應(yīng)急電源系統(tǒng)較復(fù)雜。各應(yīng)急電源設(shè)備基本采用單體控制,設(shè)備的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)沒有得到有效監(jiān)視與控制、主要依靠人工巡檢和記錄,日常維護(hù)工作量大。歸納起來主要表現(xiàn)為:

表1 常見應(yīng)急電源的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

(1)柴油發(fā)電機(jī)組啟動信號單一,啟動的可靠性和靈活性不足。柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)實現(xiàn)供電范圍內(nèi)承擔(dān)的所有重要一級負(fù)荷的可靠、靈活應(yīng)急供電。但目前冶煉廠柴油發(fā)電機(jī)組的控制未納入生產(chǎn)控制系統(tǒng),自動化水平較低。普遍采用10kV 配電站系統(tǒng)失壓或應(yīng)急負(fù)荷所在變電所進(jìn)線柜失壓信號,或全廠失壓信號,通過硬接點控制柴油發(fā)電機(jī)組的啟停,導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)組易出現(xiàn)啟動響應(yīng)不及時、不可靠現(xiàn)象。

(2)應(yīng)急電源系統(tǒng)沒有集成統(tǒng)一的控制平臺。柴油發(fā)電機(jī)組、EPS 電源、直流電源、UPS 電源及其他非電保安設(shè)備的狀態(tài)信息彼此獨立,不便于系統(tǒng)間的協(xié)同和管理。

(3)應(yīng)急電源裝置的缺乏健康監(jiān)視管理:柴油發(fā)電機(jī)、柴油泵、EPS 電源、直流電源蓄電池等關(guān)鍵設(shè)備重要狀態(tài)信號未實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控,未形成統(tǒng)一、有效的狀態(tài)監(jiān)測,需要依賴人員日常巡檢,增加了現(xiàn)場維護(hù)人員的工作量。一旦需應(yīng)急使用時,可能出現(xiàn)因設(shè)備維護(hù)不到位而無法可靠啟動。

2 應(yīng)急電源系統(tǒng)的系統(tǒng)集成設(shè)計

某年產(chǎn)15 萬噸陽極銅冶煉項目采用艾薩熔煉、轉(zhuǎn)爐吹煉、陽極爐精煉,含硫煙氣制酸工藝,項目重要一級負(fù)荷包括[3]:(1)鍋爐汽包供水、爐壁冷卻供水設(shè)備;(2)PS 轉(zhuǎn)爐直流應(yīng)急傳動設(shè)備;(3)熔煉、吹煉爐水套冷卻供水設(shè)備;(4)中壓系統(tǒng)控制及操作電源;(5)生產(chǎn)控制系統(tǒng)。

應(yīng)急負(fù)荷清單及應(yīng)急電源的配置如表2 所示。

為滿足重要一級負(fù)荷的供電要求,在鼓風(fēng)機(jī)房內(nèi)設(shè)置1 臺400 V、1 200 kW 柴油發(fā)電機(jī)組,為表2中主要負(fù)荷提供應(yīng)急電源。

表2 應(yīng)急負(fù)荷清單及應(yīng)急電源配置

在陽極精煉工段設(shè)置一套EPS 電源裝置,為陽極爐事故電機(jī)提供應(yīng)急電源。

在吹煉工段設(shè)置三套直流電源和三套EPS 電源裝置,分別為PS 轉(zhuǎn)爐事故電機(jī)、轉(zhuǎn)爐密封煙罩提供應(yīng)急電源。

給排水專業(yè)為爐體冷/熱水泵設(shè)置柴油水泵及高位水箱(儲存約5～15 min 冷卻用水量)。

10 kV 配電站各設(shè)置一套交直流一體化電源。

生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)設(shè)置在線式UPS 電源。

在這些應(yīng)急電源中柴油發(fā)電機(jī)為主要應(yīng)急電源,供電范圍涉及4 個變電所和MCC 站,圖1 為柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急供電單線圖。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急供電單線圖

為實現(xiàn)對重要一級負(fù)荷供電的快速可靠響應(yīng),對各應(yīng)急電源裝置實現(xiàn)有效監(jiān)控,本項目采用了以PLC 為核心的分布式控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對用電設(shè)備、應(yīng)急電源裝置統(tǒng)一監(jiān)控和管理。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

通過基于PLC 的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),通過生產(chǎn)控制系統(tǒng)采集全廠10 kV 配電站、相關(guān)車間變電所(MCC 站)母線電壓信號、柴油發(fā)電機(jī)組、直流電源裝置、EPS 電源、UPS 電源及高位水箱、各應(yīng)急用電設(shè)備的狀態(tài)信號,構(gòu)筑PLC 應(yīng)急電源系統(tǒng)實現(xiàn)對整個應(yīng)急系統(tǒng)的監(jiān)控管理。

圖2 應(yīng)急系統(tǒng)框架圖

本系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),即現(xiàn)場設(shè)備層、通訊層、監(jiān)控層。

3.1 現(xiàn)場設(shè)備層

主要負(fù)責(zé)設(shè)備狀態(tài)信號的采集和儲存。對10 kV 配電站、車間變電所、MCC 站、柴油發(fā)電機(jī)組、EPS 電源、UPS 電源、直流蓄電池、柴油泵、高位水箱、各應(yīng)急負(fù)荷設(shè)備的狀態(tài)信號就近接入生產(chǎn)控制系統(tǒng),進(jìn)行數(shù)據(jù)采集存儲。

主要檢測信號:(1)柴油發(fā)電機(jī)組:油箱油位,運(yùn)行時間,柴油機(jī)狀態(tài);蓄電池組的電壓、內(nèi)阻、溫度信號,應(yīng)急段各饋線柜開關(guān)狀態(tài)信號等。(2)EPS電源:工作狀態(tài)、高頻充電模塊、逆變器狀態(tài)、直流電源絕緣檢測,蓄電池的電壓、內(nèi)阻、溫度監(jiān)測。(3)直流電源:直流電源絕緣檢測,蓄電池的電壓、內(nèi)阻、溫度監(jiān)測。(4)柴油泵:柴油泵狀態(tài)信息,蓄電池電壓、內(nèi)阻及溫度監(jiān)測。(5)高位水箱:高位水箱液位,進(jìn)/出口閥狀態(tài)。(6)各10 kV 配電站母線電壓信號。(7)車間變電所、MCC 站進(jìn)線電壓信號。

3.2 通信層

采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),通過工業(yè)以太網(wǎng)接口實現(xiàn)應(yīng)急電源PLC 系統(tǒng)與生產(chǎn)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

3.3 監(jiān)控層

為應(yīng)急電源系統(tǒng)控制核心。通過應(yīng)急電源PLC系統(tǒng)實現(xiàn)對柴油發(fā)電機(jī)的啟停控制,實現(xiàn)對應(yīng)急負(fù)荷設(shè)備、EPS 電源、直流電源、UPS 電源等狀態(tài)信號和運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析、健康狀態(tài)展示和異常報警。

主要控制點:柴油發(fā)電機(jī)啟停控制:重要負(fù)荷事故停電時,綜合判斷事故類型,停電范圍,根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)啟動控制策略,控制柴油發(fā)電機(jī)的啟停及相應(yīng)饋出開關(guān)分合,實現(xiàn)對全廠重要供電負(fù)荷的靈活、可靠供電。

以熔煉爐收塵變電所為例,該變電所設(shè)兩臺1 600 kVA 10/0.4 kV 變壓器,熔煉余熱鍋爐兩臺132 kW 熱水循環(huán)泵分別接在Ⅰ、Ⅱ段低壓母線上,采用ATS 末端投切方式,一路電源取自正常市電,一路電源取自柴油發(fā)電機(jī)房應(yīng)急母線段。當(dāng)1#熱水循環(huán)泵因市電斷電停機(jī)時,應(yīng)急控制程序自動啟動2#熱水循環(huán)泵,如判斷II 段市電也斷電或設(shè)備異常,應(yīng)急系統(tǒng)將立即啟動柴油發(fā)電機(jī)組,并關(guān)合相應(yīng)饋出開關(guān),通過末端投切裝置(ATS)給1#、2#熱水循環(huán)泵送電,并自動啟動1#熱水循環(huán)泵給余熱鍋爐供水。

此外,系統(tǒng)可根據(jù)各應(yīng)急電源系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視,對各應(yīng)急電源系統(tǒng)健康異常報警,及時提醒運(yùn)維人員進(jìn)行檢修維護(hù),減少因維護(hù)不到位導(dǎo)致的啟動失敗情況發(fā)生,同時減輕運(yùn)維人員勞動強(qiáng)度。

4 結(jié)語

采用基于PLC 的應(yīng)急電源集成控制系統(tǒng),可對全廠應(yīng)急電源系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理、信息融合。不僅實現(xiàn)了對應(yīng)急電源系統(tǒng)及非電保安設(shè)備的一體化監(jiān)控,還提高了應(yīng)急供電系統(tǒng)的可靠性、靈活性,提升了生產(chǎn)供電的安全性,在實際應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果。