UPS石化行業(yè)應(yīng)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,就可能會造成人員傷害、重大環(huán)境污染和較大經(jīng)濟(jì)損失。SH/T3082-2003《石油化工儀表供電設(shè)計規(guī)范》明確規(guī)定:“儀表及控制系統(tǒng)的用電負(fù)荷按SH3038‘石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設(shè)計規(guī)范’規(guī)定屬于一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷。這類負(fù)荷當(dāng)供電中斷時,為確保安全停工及處理事故,不致造成設(shè)備損壞和人身傷害事故,不致造成重大經(jīng)濟(jì)損失,需要設(shè)置UPS?!?/P>
一級負(fù)荷包括:
安全儀表(聯(lián)鎖)系統(tǒng)(SIS);
⑵ 分散型控制系統(tǒng)(DCS)和相關(guān)的現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng);
⑶ 設(shè)備包廠商提供的關(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(tǒng)及輔助生產(chǎn)裝置的儀表及自動控制系統(tǒng);
⑸ 綜合壓縮機(jī)/透平控制系統(tǒng)(ITCC)以及關(guān)鍵的壓縮機(jī)組和泵類機(jī)組設(shè)備包提供的安全儀表;
⑹ 火災(zāi)及可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測系統(tǒng)(FGS);
⑺ 與裝置操作和安全相關(guān)的重要在線分析儀表。
2 中石化集團(tuán)公司對UPS系統(tǒng)的要求
由于沒有統(tǒng)一的配置規(guī)范規(guī)定,各地企業(yè)、不同項(xiàng)目采用了多種UPS配置方案,多數(shù)方案并不規(guī)范,導(dǎo)致由于UPS系統(tǒng)故障導(dǎo)致儀表供電中斷造成生產(chǎn)停工事故頻發(fā)。因此集團(tuán)公司2005年發(fā)布了《生產(chǎn)裝置過程控制儀表電源配電系統(tǒng)技術(shù)管理規(guī)定(暫行)》,并于2006年發(fā)布IN212-2006《儀表供電設(shè)計規(guī)定》。對UPS配電系統(tǒng)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(tǒng)在負(fù)載正常運(yùn)行后,可以進(jìn)行UPS離線檢修、蓄電池定期維護(hù)工作;
電源系統(tǒng)切換裝置應(yīng)能實(shí)現(xiàn)無擾動切換;
低壓母線的直流饋出回路,需配置隔離及穩(wěn)壓器;
具備兩路供電的控制儀表,應(yīng)具備兩路非同期工頻交流電源同時工作的條件。
對UPS的要求:
選用在線式UPS,電源質(zhì)量符合UPS輸出標(biāo)準(zhǔn)時,其逆變器在熱備用狀態(tài)運(yùn)行,其接線簡單可靠;
UPS容量≤40kVA時,宜采用單相輸出;>40kVA時采用三相輸出。采用三相輸出時,UPS必需具備在短期內(nèi)各相100%不平衡情況下正常工作的能力;
采用單機(jī)運(yùn)行方式;
采用密封閥控式鉛酸蓄電池,備用時間一般為(15~30)min;
UPS容量按新建系統(tǒng)的1.5倍配置。
3 UPS系統(tǒng)方案設(shè)計
3.1 系統(tǒng)構(gòu)架
如圖1所示,這是石化行業(yè)典型的兩電源UPS構(gòu)架,由兩路電源,一個隔離變壓器、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UPS設(shè)置一個脫機(jī)維修旁路,允許UPS在故障維修或者更換時,系統(tǒng)仍然能夠正常工作。同時DCS系統(tǒng)中的負(fù)載分為兩個級別,即一般負(fù)載和重要負(fù)載,重要負(fù)載(一級負(fù)荷)由UPS系統(tǒng)直接供電,一般負(fù)載(三級負(fù)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、手動維護(hù)旁路、電池組構(gòu)成。市電正常時,UPS將主回路的交流電整流成直流電,對電池充電,同時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(fù)載供電。市電異?;蛑袛鄷r,電池對逆變器供電,輸出高精度交流電為提供負(fù)載工作需求。UPS原理構(gòu)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(shè)置隔離變壓器,輸入端采用△型接法,不引入中線,輸出端采用Y型接法。實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的中性線隔離,減少干擾。
4 UPS的選擇
4.1基本參數(shù)選擇
有了合適的系統(tǒng)架構(gòu)之后,必需根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)選擇一臺合適的UPS。根據(jù)集團(tuán)公司的文件要求,UPS至少滿足下列條件:
輸入電源質(zhì)量指標(biāo):
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(biāo):
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間應(yīng)小于等于20ms。
輸出瞬時電壓降小于10%。
輸出諧波失真率:THD3%。
MTBF≥150,000小時.
上述參數(shù)對于目前的UPS技術(shù)而言,非常容易實(shí)現(xiàn),以臺達(dá)NT系列UPS為例。目前該系列UPS能夠達(dá)到以下技術(shù)規(guī)格:
輸入電源質(zhì)量指標(biāo):
輸入電壓:三相380V±25%。
輸入頻率:50Hz±5Hz。
輸出電源質(zhì)量指標(biāo):
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間應(yīng)0ms。
輸出瞬時電壓降小于5%。
輸出諧波失真率:THD3%。
MTBF≥300,000小時.
UPS在選擇時,輸入范圍越大越好,寬輸入電壓范圍的UPS能夠更好的適應(yīng)企業(yè)復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境,降低UPS的電池放電次數(shù)。輸出范圍選擇精度越高越好,同時必需考慮輸出電壓瞬斷時間,越精密的儀器,短暫的瞬斷可能造成設(shè)備的誤動作或者數(shù)據(jù)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(jī)型。
4.2其它特性選擇
目前節(jié)能減排,綠色環(huán)保的概念在國內(nèi)各行業(yè)越來越重視,石化行業(yè)作為能耗大戶,肩負(fù)節(jié)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,目前更多的是側(cè)重于工頻機(jī),但是工頻工作時整流、逆變器的結(jié)構(gòu),決定了UPS整機(jī)效率偏低,功率因數(shù)較低,同時工作時會產(chǎn)生大量諧波。因此,在UPS選擇時,宜考慮選擇效率高、支持ECO模式的UPS主機(jī),同時應(yīng)該考慮諧波抑制措施。
4.2.1 UPS ECO運(yùn)行模式介紹
在石化集團(tuán)公司的《生產(chǎn)裝置過程控制儀表電源配電系統(tǒng)技術(shù)管理規(guī)定(暫行)》中,明確提到:“電網(wǎng)電源質(zhì)量符合UPS輸出標(biāo)準(zhǔn)時,其逆變器在熱備用狀態(tài)運(yùn)行”。這里指的熱備用狀態(tài)就是指UPS的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式(ECO)。即市電正?;蛘叻显O(shè)定條件時,用市電直接供電,此時逆變器工作,但是逆變靜態(tài)開關(guān)不導(dǎo)通,處于熱備份狀態(tài);當(dāng)市電異?;虺鲱A(yù)設(shè)范圍時,UPS逆變靜態(tài)開關(guān)導(dǎo)通,逆變器為負(fù)載供電。采用ECO模式時,整流器和逆變器幾乎不消耗能量,整機(jī)基本上只有風(fēng)機(jī)的功耗。因此整機(jī)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(jié)省近25000度電,按年壽命計算,即可節(jié)省數(shù)十萬電費(fèi),相當(dāng)于數(shù)臺UPS的直接購置金額。
需要注意的是,傳統(tǒng)的ECO模式控制采用不同步切換方式,當(dāng)旁路電壓與逆變器輸出電壓之間的相位差或瞬態(tài)電壓差過大時,在執(zhí)行切換操作瞬間可能因環(huán)流過大引發(fā)事故,如燒毀靜態(tài)旁路的SCR或逆變器中的IGBT及驅(qū)動模組等;或在切換過程中造成切換時間過長。臺達(dá)NT系列UPS采用專利的控制方法,提高逆變器鎖相速率??筛鶕?jù)實(shí)際負(fù)載特性并搭配SCR強(qiáng)制換相控制,設(shè)計最佳轉(zhuǎn)換方法。當(dāng)UPS鎖相產(chǎn)生相位差時,立即轉(zhuǎn)換至逆變器供電,避免不鎖相現(xiàn)象發(fā)生。
4.2.2 功率因數(shù)及諧波改善措施
UPS工作時,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,會使輸入功率因數(shù)降低并產(chǎn)生較大的電流諧波。同時石化工廠電網(wǎng)環(huán)境負(fù)載,UPS周邊設(shè)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(shè)備采樣量精度,造成設(shè)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加大企業(yè)在變壓器、配電容量、布線線徑方面的負(fù)擔(dān)。因此,在選擇UPS的同時,必需考慮相應(yīng)的功率因數(shù)及諧波改善措施。目前的主流UPS的改善主要包括移相、無源濾波器、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(chǔ)上,增加一個移相變壓器后再增加一個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(jié)語
憑借多年在石化行業(yè)的耕耘以及對石化行業(yè)UPS應(yīng)用需求的了解,目前臺達(dá)UPS已經(jīng)廣泛應(yīng)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)贏得了客戶的贊譽(yù)。
參考文獻(xiàn):
中石化生[2005]531號,關(guān)于印發(fā)《生產(chǎn)裝置過程控制儀表電源供電系統(tǒng)技術(shù)管理規(guī)定(暫行)》的通知。
中國石化工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)IN2012-2006《儀表供電設(shè)計規(guī)定》。
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