王 猛,盧憲強,溫 亮
(山鋼股份萊蕪分公司板帶廠,山東萊蕪 271104)
寬厚板熱處理爐保安電源是指當(dāng)全廠停電或停電故障時,為了避免損壞熱處理爐底輥等重要設(shè)備,保證熱處理爐順利停機而設(shè)置的電源。在寬厚板熱處理生產(chǎn)線的低壓配電系統(tǒng)中,當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生事故或廠用電源中斷時,應(yīng)自動轉(zhuǎn)入UPS 不間斷供電,如遇較長時間停電,需要及時啟動柴油發(fā)電機切換供電,以保證熱處理爐安全停機,避免出現(xiàn)重大設(shè)備損失。
寬厚板熱處理爐保安電源分為熱備、冷備兩種,熱備電源為2 套不間斷交流電源系統(tǒng)(UPS),采用蓄電池組供電,市電中斷時,對重要動力及控制電源的持續(xù)供電;冷備電源為柴油機事故保安電源,由柴油機驅(qū)動發(fā)電機作為備用應(yīng)急電源,市電丟失后(UPS 已自動投入),需要在本地啟動柴油發(fā)電機,然后手動停止UPS 系統(tǒng)的動力電源輸出,并將柴油發(fā)電機的供電電源投入,用以代替UPS 動力電源。經(jīng)以上操作后,UPS系統(tǒng)僅提供控制電源,柴油發(fā)電機僅提供動力電源,保證了設(shè)備安全用電。
寬厚板熱處理爐采用400 kVA 雙機并聯(lián)型UPS,每臺UPS 配置了5 組180 AH 電池,5 組電池并聯(lián)連接,每組32只,電池端電壓為12 V,輸出直接并聯(lián),電池組端電壓為384 V,極限負載能力為800 kVA,2臺UPS互為冗余。
寬厚板熱處理爐冷備柴油機保安電源為YCGJ1000 發(fā)電機組,是由濟柴公司制造的G12V190ZLI V 型12 缸柴油機作為動力源,驅(qū)動900 kW 三相四線自感應(yīng)發(fā)電機,為寬厚板熱處理線1#、2#、3#熱處理爐提供備用應(yīng)急電源,在出現(xiàn)進線跳闡情況下,該系統(tǒng)為熱處理線提供關(guān)鍵動力電源輸出,主要功能是替代UPS 系統(tǒng)的動力電源輸出,以保證控制系統(tǒng)的UPS 安全供電。該柴油發(fā)電機組當(dāng)前的啟動方式為就地啟動,在出現(xiàn)進線跳闡的情況下需要專人到機旁進行啟動并手動切換供電輸出方式。
2017 年8 月,在無供電故障,UPS 正常熱備狀態(tài)下,電池組發(fā)生著火事故,直接原因為個別電池老化或接線端壓接松動造成電阻升高,引起局部過熱從而引發(fā)整個電池組著火。
根據(jù)孫耀等相關(guān)文獻研究[1]及現(xiàn)場運維中暴露出的問題,UPS電池組僅靠人工巡檢維、測量費時費力,效率低下,對電池實時變化的電壓、內(nèi)阻、溫度等數(shù)據(jù)無法及時撐控,對相應(yīng)電池故障很難做到第一時間發(fā)現(xiàn)并掌握解決,導(dǎo)致了后備蓄電池組存在極大的隱患。
各電池組若放電不平衡,則極易導(dǎo)致單組電池過熱問題出現(xiàn)。
2019 年3 月因外部供電故障,熱處理線UPS 設(shè)備投入運行,電池放電20 min 后,電池著火燃燒,從事故現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),最先著火點為中間一組,火勢蔓延至其它電池組,造成更換上線不到一年的電池組全部燃燒損壞。主要原因分析為電池組放電不平衡,造成中間一組電池放電電流超額定極限,繼而造成發(fā)熱擊穿起火。
改造前電池組配置如圖1所示。
圖1 熱處理2號電氣室UPS電池組配置示意圖
在UPS 的使用過程中,每臺UPS 的極限帶載量可以達到350 kW,在上述配置方案下,如果每只電池放電截止電壓為10.5 V,電池組放電電流計算如下:
理想情況下,每組電池的放電電流計算如下:
但在實際電池組放電時,往往不能達到理想效果,這主要受限于各電池組的內(nèi)阻、各電池的連接情況以及各組電池電纜的長度,而且極有可能出現(xiàn)各組電池放電不均勻的現(xiàn)象,特殊情況下,在電池組放電過程中,會出現(xiàn)其中某一組承擔(dān)絕大部分電流的現(xiàn)象,例如圖2。
圖2 電池組放電不平衡示意圖
而對于180 Ah 鉛酸蓄電池,其最大允許持續(xù)放電電流值約為180 A左右,如果出現(xiàn)在圖2所示的電流分配情況,則會導(dǎo)致某組電池因放電電流超額定極限,繼而造成發(fā)熱擊穿起火的現(xiàn)象,同時影響整個電池系統(tǒng)的安全運行。
故難以滿足應(yīng)急狀態(tài)下滿負荷工況。
熱處理爐UPS 系統(tǒng),在市電中斷的應(yīng)急狀態(tài)下可為熱處理1#、2#熱處理爐輥道提供動力、控制電源,負載量如表1所列。
表1 設(shè)備負載量計算表
負載統(tǒng)計表明,1#與2#熱處理爐的爐底輥電機的設(shè)計總負載量合計為876 kW,如果全部滿負荷運行,已經(jīng)完全超出了這套UPS 的實際額定容量,在之前的實際運行中,由于上述電機不會同時滿負荷運轉(zhuǎn),實際負載量大約在750 kW 左右,2 組UPS 裝置并聯(lián)(10 組電池同時放電)運行能夠勉強正常運行。這種情況下,UPS系統(tǒng)處于安全極限運行狀態(tài),如果出現(xiàn)10 組中的任一組電池故障就會導(dǎo)致其他電池組放電過大,帶來嚴重隱患。
柴油機自啟動、機旁啟動及遠程監(jiān)控功能缺失,冷備投入操作繁瑣,應(yīng)急作業(yè)效率低,無法保障在長時間停電故障時,動力電源的及時切換供給。
當(dāng)前寬厚板熱處理線柴油發(fā)電機機組為在本地通過控制屏啟動,缺失自啟動功能,在停電應(yīng)急、人員緊張情況時,難以第一時間到柴油機房手動啟動。且發(fā)電機組的電路系統(tǒng)設(shè)計為單一的控制器控制,如果出現(xiàn)控制器故障,柴油機將無法啟動,對應(yīng)急狀態(tài)下的備用電源供電會帶來極大的影響。如保安電源失效,導(dǎo)致出現(xiàn)大面積爐底輥彎曲變形,必須進行停產(chǎn)更換,僅加熱爐升降溫時間就需要7 天,整體更換爐底輥作業(yè)至少需要10 天以上停產(chǎn)時間,檢修備件費用180 萬元。
配置2 組共計384 塊2 V 1 000 Ah 電池(配套電池柜組),替代原先10 組共計320 塊12 V 180 Ah 電池。將UPS 電池組的配置方案由原設(shè)計10 組并聯(lián)改為2 組并聯(lián),降低電池放電電流不平衡的幾率。電池選型由12 V 180 Ah 改為2 V 1 000 Ah,增加單只電池的容量,避免電流增大電池溫升過快引起爆燃。
3.1.1 按照UPS 配置2 V 1 000 Ah 電池在極限狀況的各項計算與配置
在UPS 的使用過程中,每臺UPS 的極限帶載量設(shè)為350 kW,每組電池配置192 只,每只2 V 電池的放電截止電壓設(shè)定為1.75 V,UPS 電池組的最大放電電流計算:350 000÷192÷1.75=1041.6 A。符合設(shè)備極限負載量要求。
配套設(shè)施為2 臺SIDERMAT1250A 組合式熔斷器隔離保護開關(guān),ZRRV 型軟電纜配置要求線徑為2×240 mm2,進一步增加新系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。
3.1.2 電池續(xù)航時間滿足要求
UPS電池放電時間的計算:
本次改造所選擇的25℃時1.60 V恒功率電池放電功率見表2。
表2 電池性能表
按照上述公式,負載量為350 kVA,功率因數(shù)為0.8 時,將各數(shù)據(jù)代入后計算結(jié)果為:每只電池放電功率需求為1 552 W,查閱上面的放電功率表得知,2 V的1 000 Ah電池可以延時約40 min。
如果按照應(yīng)急狀態(tài)下150 kW計算,則放電功率需求約為665 W,同樣的配置情況下可保證2 h放電時間。
改造完的電池組配置如圖3。
圖3 改造后電池組示意圖
根據(jù)陳井軍等人[2]成功案例,在UPS 電池組安裝監(jiān)控模塊,實現(xiàn)對電池全面運行參數(shù)和性能參數(shù)自動監(jiān)控。在每一節(jié)蓄電池上安裝一個監(jiān)控模塊,監(jiān)控模塊實時監(jiān)測蓄電池的電壓、內(nèi)阻、溫度等信息通過RS485線將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R集模塊。在電氣室配備智能顯示主控模塊,UPS 電池組的監(jiān)控數(shù)據(jù),通過組端收斂模塊匯集到智能顯示主控模塊上顯示,同時通過網(wǎng)絡(luò),將數(shù)據(jù)上傳到點檢維護人員手機終端進行儲存展示,電池狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備配置見圖4。可實現(xiàn)智能內(nèi)阻測試、蓄電池內(nèi)部溫度監(jiān)控、智能容量估算功能,能夠準確發(fā)現(xiàn)故障電池,及時采取措施排除故障。
圖4 電池狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備配置示意圖
將柴油機四保護控制柜更新為可編程發(fā)電機組控制器,加裝通信接口及通信協(xié)議,實現(xiàn)遠端操作臺PC 控制啟動、聯(lián)機監(jiān)控;同時新增機旁全手動控制裝置,在面板控制器突失效的情況下,實現(xiàn)在機旁人工手動啟動柴油機快速投入運行,提高熱處理爐保安電源的操作便捷性和可靠性。
見表3。
表3 主要備件材料表
熱處理保安電源改造完成后,能夠及時掌握UPS 系統(tǒng)每節(jié)電池的關(guān)鍵參數(shù),提前發(fā)現(xiàn)存在的隱患,避免因電池性能老化、劣化造成的安全和生產(chǎn)事故,全面提升UPS 電池安全管理模式與效率,提高了設(shè)備智能化運營維護水平。
參考UPS 設(shè)備相關(guān)標準,利用熱處理爐停機時間進行UPS電池組供電測試[3]。模擬外部供電故障失電,不同負載條件下的UPS 供電情況,蓄電池組持續(xù)供電20 min,負載率50%左右,UPS設(shè)備控制面板顯示可供電時間110 min,完全滿足短時停的供電需求(見表4)。隨后操作臺遠程啟動柴油發(fā)電機,實現(xiàn)了5 min 內(nèi)將UPS 供電切換至柴油發(fā)電機供電。本次保安電源持續(xù)供電測試結(jié)果表明,改造后的UPS 電池組供電穩(wěn)定,溫度正常,持續(xù)供電能力可靠,柴油發(fā)電機供電切換的操作及時便捷性也大幅提升。
表4 UPS電池組放電測試記錄表