UPS石化行業(yè)應用方案

1 石化行業(yè)生產(chǎn)裝置儀表配置UPS的必要性

石化行業(yè)生產(chǎn)具有高溫、高壓、易燃、易爆等特點(diǎn)，如果重要裝置的控制儀表突然停電，就可能會(huì )造成人員傷害、重大環(huán)境污染和較大經(jīng)濟損失。SH/T3082-2003《石油化工儀表供電設計規范》明確規定：“儀表及控制系統的用電負荷按SH3038‘石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設計規范’規定屬于一級負荷中特別重要負荷。這類(lèi)負荷當供電中斷時(shí)，為確保安全停工及處理事故，不致造成設備損壞和人身傷害事故，不致造成重大經(jīng)濟損失，需要設置UPS?！?/P>

一級負荷包括：

安全儀表(聯(lián)鎖)系統(SIS);

⑵ 分散型控制系統(DCS)和相關(guān)的現場(chǎng)儀表和控制系統;

⑶ 設備包廠(chǎng)商提供的關(guān)鍵可編程程序邏輯控制器(PLC)和相關(guān)儀表;

⑷ 石油化工生產(chǎn)裝置、重要的共用工程系統及輔助生產(chǎn)裝置的儀表及自動(dòng)控制系統;

⑸ 綜合壓縮機/透平控制系統(ITCC)以及關(guān)鍵的壓縮機組和泵類(lèi)機組設備包提供的安全儀表;

⑹ 火災及可燃氣體和有毒氣體檢測系統(FGS);

⑺ 與裝置操作和安全相關(guān)的重要在線(xiàn)分析儀表。

2 中石化集團公司對UPS系統的要求

由于沒(méi)有統一的配置規范規定，各地企業(yè)、不同項目采用了多種UPS配置方案，多數方案并不規范，導致由于UPS系統故障導致儀表供電中斷造成生產(chǎn)停工事故頻發(fā)。因此集團公司2005年發(fā)布了《生產(chǎn)裝置過(guò)程控制儀表電源配電系統技術(shù)管理規定(暫行)》，并于2006年發(fā)布IN212-2006《儀表供電設計規定》。對UPS配電系統提出了如下幾點(diǎn)要求：

電源配置方案選用一般為：兩電源、三電源、逆變電源，其中逆變電源方案僅適用于熱電站及變電站;

系統在負載正常運行后，可以進(jìn)行UPS離線(xiàn)檢修、蓄電池定期維護工作;

電源系統切換裝置應能實(shí)現無(wú)擾動(dòng)切換;

低壓母線(xiàn)的直流饋出回路，需配置隔離及穩壓器;

具備兩路供電的控制儀表，應具備兩路非同期工頻交流電源同時(shí)工作的條件。

對UPS的要求：

選用在線(xiàn)式UPS，電源質(zhì)量符合UPS輸出標準時(shí)，其逆變器在熱備用狀態(tài)運行，其接線(xiàn)簡(jiǎn)單可靠;

UPS容量≤40kVA時(shí)，宜采用單相輸出;>40kVA時(shí)采用三相輸出。采用三相輸出時(shí)，UPS必需具備在短期內各相100%不平衡情況下正常工作的能力;

采用單機運行方式;

采用密封閥控式鉛酸蓄電池，備用時(shí)間一般為(15~30)min;

UPS容量按新建系統的1.5倍配置。

3 UPS系統方案設計

3.1 系統構架

如圖1所示，這是石化行業(yè)典型的兩電源UPS構架，由兩路電源，一個(gè)隔離變壓器、一臺UPS組成。UPS采用雙電源回路輸入，UPS主電源由電源1提供，UPS旁路電源有電源2提供，同時(shí)UPS設置一個(gè)脫機維修旁路，允許UPS在故障維修或者更換時(shí)，系統仍然能夠正常工作。同時(shí)DCS系統中的負載分為兩個(gè)級別，即一般負載和重要負載，重要負載(一級負荷)由UPS系統直接供電，一般負載(三級負荷)由電源2經(jīng)隔離變壓器后供電。

⑴ UPS工作原理

UPS由整流器、逆變器、靜態(tài)旁路、手動(dòng)維護旁路、電池組構成。市電正常時(shí)，UPS將主回路的交流電整流成直流電，對電池充電，同時(shí)由逆變器將直流電重新逆變?yōu)榕c備用電源同頻率同相位的高精度交流電，為負載供電。市電異?；蛑袛鄷r(shí)，電池對逆變器供電，輸出高精度交流電為提供負載工作需求。UPS原理構架如圖2所示。

⑵ 隔離變壓器原理

方案在市電電源2的后端設置隔離變壓器，輸入端采用△型接法，不引入中線(xiàn)，輸出端采用Y型接法。實(shí)現輸入與輸出的中性線(xiàn)隔離，減少干擾。

4 UPS的選擇

4.1基本參數選擇

有了合適的系統架構之后，必需根據系統架構選擇一臺合適的UPS。根據集團公司的文件要求，UPS至少滿(mǎn)足下列條件：

輸入電源質(zhì)量指標：

輸入電壓：三相380V±15%或單相220V±15%;

輸入頻率：50Hz±2.5Hz。

輸出電源質(zhì)量指標：

輸出電壓：220V±5%;

輸出頻率:50Hz±0.5Hz;

輸出波形失真率:小于5%。

輸出電源瞬間斷電時(shí)間應小于等于20ms。

輸出瞬時(shí)電壓降小于10%。

輸出諧波失真率：THD3%。

MTBF≥150,000小時(shí).

上述參數對于目前的UPS技術(shù)而言，非常容易實(shí)現，以臺達NT系列UPS為例。目前該系列UPS能夠達到以下技術(shù)規格:

輸入電源質(zhì)量指標：

輸入電壓：三相380V±25%。

輸入頻率：50Hz±5Hz。

輸出電源質(zhì)量指標：

輸出電壓：220V±1%。

輸出頻率:50Hz±0.1Hz。

輸出波形失真率:小于3%。

輸出電源瞬間斷電時(shí)間應0ms。

輸出瞬時(shí)電壓降小于5%。

輸出諧波失真率：THD3%。

MTBF≥300,000小時(shí).

UPS在選擇時(shí)，輸入范圍越大越好，寬輸入電壓范圍的UPS能夠更好的適應企業(yè)復雜的電網(wǎng)環(huán)境，降低UPS的電池放電次數。輸出范圍選擇精度越高越好，同時(shí)必需考慮輸出電壓瞬斷時(shí)間，越精密的儀器，短暫的瞬斷可能造成設備的誤動(dòng)作或者數據誤碼，是一種致命的危險。因此UPS宜選擇輸出精度高、0瞬斷的機型。

4.2其它特性選擇

目前節能減排，綠色環(huán)保的概念在國內各行業(yè)越來(lái)越重視，石化行業(yè)作為能耗大戶(hù)，肩負節能減排的任務(wù)尤為重要。由于行業(yè)特點(diǎn)，決定了石化行業(yè)在選擇UPS時(shí)，目前更多的是側重于工頻機，但是工頻工作時(shí)整流、逆變器的結構，決定了UPS整機效率偏低，功率因數較低，同時(shí)工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量諧波。因此，在UPS選擇時(shí)，宜考慮選擇效率高、支持ECO模式的UPS主機，同時(shí)應該考慮諧波抑制措施。

4.2.1 UPS ECO運行模式介紹

在石化集團公司的《生產(chǎn)裝置過(guò)程控制儀表電源配電系統技術(shù)管理規定(暫行)》中，明確提到：“電網(wǎng)電源質(zhì)量符合UPS輸出標準時(shí)，其逆變器在熱備用狀態(tài)運行”。這里指的熱備用狀態(tài)就是指UPS的經(jīng)濟運行模式(ECO)。即市電正?；蛘叻显O定條件時(shí)，用市電直接供電，此時(shí)逆變器工作，但是逆變靜態(tài)開(kāi)關(guān)不導通，處于熱備份狀態(tài);當市電異?；虺鲱A設范圍時(shí)，UPS逆變靜態(tài)開(kāi)關(guān)導通，逆變器為負載供電。采用ECO模式時(shí)，整流器和逆變器幾乎不消耗能量，整機基本上只有風(fēng)機的功耗。因此整機效率能從原有的93%左右，提升至97.5%以上。按照一臺100kVA UPS計算，一年可節省近25000度電，按年壽命計算，即可節省數十萬(wàn)電費，相當于數臺UPS的直接購置金額。

需要注意的是，傳統的ECO模式控制采用不同步切換方式，當旁路電壓與逆變器輸出電壓之間的相位差或瞬態(tài)電壓差過(guò)大時(shí)，在執行切換操作瞬間可能因環(huán)流過(guò)大引發(fā)事故，如燒毀靜態(tài)旁路的SCR或逆變器中的IGBT及驅動(dòng)模組等;或在切換過(guò)程中造成切換時(shí)間過(guò)長(cháng)。臺達NT系列UPS采用專(zhuān)利的控制方法，提高逆變器鎖相速率?？筛鶕?shí)際負載特性并搭配SCR強制換相控制，設計最佳轉換方法。當UPS鎖相產(chǎn)生相位差時(shí)，立即轉換至逆變器供電，避免不鎖相現象發(fā)生。

4.2.2 功率因數及諧波改善措施

UPS工作時(shí)，必需對輸入進(jìn)行整流。石化行業(yè)一般采用6脈沖或12脈沖整流型UPS。其工作時(shí)，會(huì )使輸入功率因數降低并產(chǎn)生較大的電流諧波。同時(shí)石化工廠(chǎng)電網(wǎng)環(huán)境負載，UPS周邊設備一般為精密儀器，對電流諧波干擾較為敏感，諧波大，直接影響了設備采樣量精度，造成設備控制精度不良，影響產(chǎn)品品質(zhì)及生產(chǎn)安全。另外諧波的存在還會(huì )加大企業(yè)在變壓器、配電容量、布線(xiàn)線(xiàn)徑方面的負擔。因此，在選擇UPS的同時(shí)，必需考慮相應的功率因數及諧波改善措施。目前的主流UPS的改善主要包括移相、無(wú)源濾波器、有源濾波器、混合式濾波幾種方案。其中移相是指在6脈沖整流器基礎上，增加一個(gè)移相變壓器后再增加一個(gè)6脈沖整流器，可以抑制諧波。幾種諧波改善情況如表1所示。

5 結語(yǔ)

憑借多年在石化行業(yè)的耕耘以及對石化行業(yè)UPS應用需求的了解，目前臺達UPS已經(jīng)廣泛應用于中國石油、石化等領(lǐng)域，并以其優(yōu)秀的解決方案、卓越的品質(zhì)贏(yíng)得了客戶(hù)的贊譽(yù)。

參考文獻：

中石化生[2005]531號,關(guān)于印發(fā)《生產(chǎn)裝置過(guò)程控制儀表電源供電系統技術(shù)管理規定(暫行)》的通知。

中國石化工程建設標準IN2012-2006《儀表供電設計規定》。