儀表供電系統(tǒng)UPS并機冗余隱患整治

張五一 王以平 王小晶

(中國石油玉門油田分公司煉化總廠)

儀表供電系統(tǒng)UPS并機冗余隱患整治

張五一 王以平 王小晶

(中國石油玉門油田分公司煉化總廠)

介紹儀表供電系統(tǒng)UPS的供電方式，分析儀表供電系統(tǒng)UPS并聯(lián)冗余系統(tǒng)的特點與存在的隱患，介紹系統(tǒng)性冗余和設(shè)備冗余理論，提出將UPS并聯(lián)冗余系統(tǒng)改為雙機分段供電方式的技術(shù)實施方案。完成改造后系統(tǒng)一次性投運成功，催化、重整加氫、柴油改質(zhì)、氣分MTBE裝置儀表供電系統(tǒng)UPS并機冗余可靠性符合煉化板塊電氣管理的相關(guān)要求。

儀表供電系統(tǒng) UPS 雙機并列分段供電 系統(tǒng)性冗余 設(shè)備冗余

中國石油玉門油田分公司煉化總廠儀表供電系統(tǒng)UPS的安全性直接關(guān)系到儀表控制系統(tǒng)DCS、ESD和SIS的安全，現(xiàn)場控制儀表的安全，工藝參數(shù)的平穩(wěn)控制和生產(chǎn)裝置的安全可靠運行。因此，筆者針對安全環(huán)保檢查和審核問題清單中關(guān)于催化、重整加氫、柴油改質(zhì)、氣分MTBE裝置儀表供電系統(tǒng)UPS并機冗余可靠性不符合煉化板塊電氣管理的相關(guān)要求，將這幾套裝置的雙機冗余方式改為雙機分段供電方式，以提高儀表供電系統(tǒng)UPS的本質(zhì)安全。

1 儀表供電系統(tǒng)冗余方式

目前，中國石油玉門油田分公司煉化總廠儀表供電系統(tǒng)的冗余方式見表1。

表1 儀表供電系統(tǒng)冗余方式

2 儀表供電系統(tǒng)UPS并聯(lián)冗余的特點與存在的隱患

為了提高儀表供電系統(tǒng)的可靠性，常將幾臺UPS并聯(lián)連接。然而所有UPS的輸出阻抗不可能都相同，加之各逆變器的輸出電壓和市電電壓鎖相都具有正負誤差，導(dǎo)致各UPS的輸出電壓既有相位差又有幅值差，因此將UPS直接并聯(lián)是危險的，只有具有并聯(lián)功能的UPS才能并聯(lián)。圖1中將兩臺UPS的輸出直接并聯(lián)，這必須在原UPS的基礎(chǔ)上增加并聯(lián)板才能滿足下列條件：相位和幅值相同，兩個UPS之間無破壞性環(huán)流產(chǎn)生。

圖1 UPS并聯(lián)連接

儀表供電系統(tǒng)UPS并聯(lián)連接的優(yōu)點在于它不僅可以提高可靠性，而且多臺UPS共同承擔(dān)負載，過載能力強，平均無故障時間不少于50萬小時，抗超載和抗負載短路能力強。在正常情況下，兩臺UPS各帶50%負載，兩臺UPS的老化程度一致并可隨時進行擴容，實現(xiàn)N+1并聯(lián)系統(tǒng)，在線維護維修方便，因此該技術(shù)在UPS電源系統(tǒng)應(yīng)用上是比較先進的一種并機冗余技術(shù)。

但是通過近年來的使用，UPS并聯(lián)逐漸暴露出一些不足之處。從圖1可以看出，在冗余并機系統(tǒng)中，UPS1和UPS2并機冗余后的輸出是合并在一起的，通過主控室配電柜分配給控制器、I/O卡件、現(xiàn)場儀表和各操作站，導(dǎo)致UPS輸出端存在“單點瓶頸”的隱患。即當其中一臺UPS發(fā)生故障時，存在故障擴散和竄擾的隱患，嚴重時會出現(xiàn)宕機事故導(dǎo)致DCS和現(xiàn)場儀表的供電中斷。因此，雖然UPS冗余并機系統(tǒng)提高了UPS自身的平均無故障時間，但并沒有解決UPS冗余并機系統(tǒng)輸入輸出裝置、供電線路等存在的問題，也不能解決UPS供電系統(tǒng)的可維護性問題。

3 儀表供電系統(tǒng)可靠性的影響因素

3.1 系統(tǒng)性冗余

系統(tǒng)性冗余的優(yōu)點如下：

a. 保留了并聯(lián)冗余和熱備份UPS系統(tǒng)的全部優(yōu)點；

b. 克服了并聯(lián)冗余和熱備份UPS系統(tǒng)的全部缺點；

c. 對于DCS系統(tǒng)，只有在UPS1、UPS2、市電1、市電2同時發(fā)生故障或者停電時才會失電，因此系統(tǒng)性冗余UPS配置方案的可靠性極高，平均無故障時間高達120萬小時。

系統(tǒng)性冗余的缺點如下：

a. 當UPS系統(tǒng)的負載除了DCS系統(tǒng)外還有其他負載(操作站、交換機及報警器等)時，其他負載可直接接到UPS1或UPS2上，或根據(jù)具體情況分配到UPS1和UPS2上，但其他負載的供電系統(tǒng)無冗余保護；

b. 如果其他負載的供電系統(tǒng)必須具有冗余保護，則必須增加靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(STS)設(shè)備。

3.2 設(shè)備冗余

設(shè)備冗余是雙機并聯(lián)冗余系統(tǒng)，在某一系統(tǒng)中對于重要環(huán)節(jié)增加一臺設(shè)備作為備用，而對于其他部分是沒有冗余配置的。如，雙機并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)和雙機熱備份UPS系統(tǒng)均屬于設(shè)備冗余。因為并聯(lián)冗余和熱備份僅有UPS主機和電池是冗余配置的，雖然互為備用，但并不完全獨立。另外，其他配件如雙電源自切開關(guān)、旁路隔離變壓器、輸入輸出開關(guān)、配電盤及連接電纜線等均不是冗余配置。設(shè)備冗余的UPS系統(tǒng)適用于不能停電的重要場合，尤其適用于只有一個交流輸入端的非DCS負載。

如真全面放開轉(zhuǎn)專業(yè)，建議可以設(shè)置兩個時間節(jié)點：一是入學(xué)后1個月，二是第一學(xué)期末。增加入學(xué)后1個月后這個時間節(jié)點的好處是：大多高職院校都開設(shè)《專業(yè)導(dǎo)論》，經(jīng)過1個月的學(xué)習(xí)后對自己所學(xué)的專業(yè)已有初步了解，也初步接觸專業(yè)相關(guān)課程，可以避免了學(xué)生在學(xué)習(xí)自己不敢興趣的專業(yè)時產(chǎn)生厭學(xué)，同時減少轉(zhuǎn)入新專業(yè)的學(xué)習(xí)壓力和學(xué)習(xí)進度的不一致。弊端是：時間太短，未深入了解原來專業(yè)以及是否真的適合自己，可能出現(xiàn)再次“入錯行”，甚至出現(xiàn)跟風(fēng)。

4 儀表供電系統(tǒng)UPS并機冗余隱患整治

安全環(huán)保檢查和審核問題清單中，催化、重整、氣分MTBE裝置UPS并機冗余可靠性不符合煉化板塊電氣管理的相關(guān)要求，因此將這幾套裝置的雙機冗余方式改為雙機分段供電方式。其特點如下：

a. 在DCS系統(tǒng)中，兩套直流電源是并聯(lián)冗余的，切換時間為0；

b. 兩套UPS均為單機工作方式，是完全獨立的，UPS1的輸出端與DCS系統(tǒng)的交流電源輸入端1連接，UPS2的輸出端與DCS系統(tǒng)的交流電源輸入端2連接；

c. 當UPS1和UPS2均正常時，UPS1和UPS2同時對DCS系統(tǒng)供電，且各帶50%的負載；

d. 當UPS1故障時，UPS1自動且不間斷地切換到旁路，DCS系統(tǒng)由UPS2和市電1供電；

e. 當UPS2故障時，UPS2自動且不間斷地切換到旁路，DCS系統(tǒng)由UPS1和市電2供電；

f. 當UPS1和UPS2同時故障時，UPS1和UPS2同時自動、不間斷地切換到旁路，DCS系統(tǒng)由市電1和市電2供電；

g. 當UPS1或UPS2需要檢修時，可以將其中一臺UPS關(guān)閉或切換到旁路運行，這并不影響另外一套UPS的正常運行。

雙機并列分段供電方式技術(shù)實施過程如下：

a. 將原UPS/ESD雙機冗余供電電氣線路(圖2)全部改造成雙機分段供電線路，拆除分離與之混合的所有電氣電纜；

b. UPS廠家工程師對轉(zhuǎn)換為單機模式的硬件和軟件進行技術(shù)處理，改造兩臺UPS輸出端的空開母聯(lián)，拆除兩臺UPS并機通信總線線纜，修改DPS內(nèi)部軟件控制功能；

c. 清除DCS控制器、I/O卡件、交換機、工作站、隔離柵和現(xiàn)場儀表220V(AC)供電的并機冗余共用電纜，保證兩臺UPS分段供電輸出端線路完全獨立；

d. 重新對兩臺UPS的負載進行分配，保證DCS控制器、I/O卡件、交換機、工作站、隔離柵和現(xiàn)場儀表220V(AC)供電的分段供電且實現(xiàn)互相冗余，改造后的雙機并列分段供電電氣線路如圖3所示；

e. 保證每條線路、空開和端子測試沒有錯誤后方可上電；

f. DCS、ESD、SIS崗位人員需配合UPS改造后的分段供電上電測試，保證兩段所帶控制器、交換機、I/O卡件及操作站等均供電正常。

5 雙機并列分段供電電氣線路的改進

改進的雙機并列分段供電電氣線路如圖4所示。當UPS1故障斷電后，UPS2經(jīng)STS2將UPS2的輸出電壓切換到UPS1的輸出上，從而保證UPS1上所帶負載(DCS、ESD、SIS)供電不中斷。同時也保障了沒有220V(AC)輸入電源冗余功能的負載(操站、交換機及報警器等)的供電可以不中斷，提升了儀表控制電源系統(tǒng)的可靠性，完善了儀表供電系統(tǒng)的功能。

圖2 原UPS/ESD雙機冗余供電電氣線路

圖3 改造后的雙機并列分段供電電氣線路

圖4 改進的雙機并列分段供電電氣線路

6 結(jié)束語

在檢修期間將催化、重整、加氫改質(zhì)、氣分MTBE裝置儀表供電系統(tǒng)UPS雙機冗余方式改為雙機并列分段供電方式，實現(xiàn)了DCS、ESD、SIS控制器、I/O卡件、交換機、工作站、隔離柵和現(xiàn)場儀表220V(AC)供電的分段供電，且互相冗余。此次改造解決了儀表供電系統(tǒng)UPS輸出并聯(lián)UPS輸出端存在的“單點瓶頸”故障隱患，避免了當其中一臺UPS發(fā)生故障時，故障的擴散和竄擾，防止了UPS宕機事故，避免了由DCS和現(xiàn)場儀表供電中斷造成的煉化裝置非計劃停車，降低了經(jīng)濟損失。改造后，各裝置符合煉化板塊儀表供電系統(tǒng)UPS電氣管理相關(guān)要求，完善了儀表供電系統(tǒng)的功能，更好地提高了設(shè)備的本質(zhì)安全和可靠性，保障了儀表控制系統(tǒng)長周期安全平穩(wěn)運行。

張五一(1965-)，工程師，從事玉門煉化總廠計算機現(xiàn)場離散控制和UPS日常維護工作，ylcompzwy@163.com。

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