儀表不間斷電源容量計(jì)算探討

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

近年來(lái)中國(guó)石油化工行業(yè)發(fā)展迅速，并向大型化、一體化和集約化方向發(fā)展，維持著相對(duì)較高的增長(zhǎng)速度。在此前提下，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始精益生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型之路，在有限空間內(nèi)提升整體利潤(rùn)水平成為各企業(yè)期望的發(fā)展方向。不間斷電源UPS 在維持生產(chǎn)裝置穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行，保護(hù)裝置和人員安全上，起著至關(guān)重要的作用。因此，每套石化裝置的控制系統(tǒng)和儀表都普遍采用不間斷電源UPS 供電。本文基于當(dāng)前很多石化裝置控制系統(tǒng)和儀表用不間斷電源UPS負(fù)載率偏低的現(xiàn)象，以不間斷電源UPS 容量為切入點(diǎn)，深入分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因和探討UPS 用電量的合理計(jì)算方法，在保證可靠性的前提下提高設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性，降低投資和運(yùn)行維護(hù)成本，減少不必要的資源浪費(fèi)。表1所列為某大型一體化石油化工項(xiàng)目，中心控制室（CCR）和其中兩套裝置機(jī)柜間UPS 負(fù)載率都是在20%以?xún)?nèi)，而且這種現(xiàn)象在其他石化裝置中也較為普遍。

表1 某石油化工裝置UPS 實(shí)際運(yùn)行負(fù)載率Tab.1 Actual operating load rate of UPS of a petrochemical plant

1 控制系統(tǒng)和儀表供電

1.1 UPS 供電范圍

控制系統(tǒng)和儀表供電屬于一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷[1]，這類(lèi)負(fù)荷的供電電源突然中斷后，不但會(huì)打亂連續(xù)生產(chǎn)工藝過(guò)程，且供電恢復(fù)后生產(chǎn)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，造成的經(jīng)濟(jì)損失也大。而且還可能引起爆炸、火災(zāi)、中毒、關(guān)鍵設(shè)備損壞和人身傷害等事故。由于控制系統(tǒng)和儀表允許中斷供電時(shí)間為毫秒級(jí)，為確保供電中斷后安全有序停車(chē)和及時(shí)的事故處理，避免造成設(shè)備損壞、人身傷害和造成重大經(jīng)濟(jì)損失，石化生產(chǎn)裝置控制系統(tǒng)和儀表應(yīng)采用不間斷電源UPS 供電?？刂葡到y(tǒng)和儀表的UPS 用電范圍如下：

（1）分散控制系統(tǒng)（DCS）、安全儀表系統(tǒng)（SIS）、可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)（GDS）、可編程序控制器（PLC）、監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）以及其他自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)；

（2）在線分析儀、現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)儀表等。

1.2 供電方式

石油化工裝置控制系統(tǒng)和儀表的常用配電模式有2 個(gè)種類(lèi)，一種是一路不間斷電源UPS 加一路普通隔離電源GPS 雙輸出供電方案見(jiàn)圖1，電源1、電源2 分別接自具有雙路電源輸入配電裝置的不同母線段，當(dāng)某一路電源發(fā)生故障時(shí)，另一路電源的配電裝置母線段不會(huì)同時(shí)中斷供電。對(duì)于用電負(fù)載，電源1為隔離變壓器供電，電源2 為UPS 電源供電；另一種是雙UPS 雙輸出供電方案見(jiàn)圖2，電源1、電源2分別接自具有雙路電源輸入配電裝置的不同母線段，某一路電源發(fā)生故障時(shí)，另一路電源的配電裝置母線段不會(huì)同時(shí)中斷供電。對(duì)于用電負(fù)載，電源1 通過(guò)UPS1 供電，電源2 通過(guò)UPS2 供電。雙UPS 雙輸出供電方案是新建裝置的首選方案。本文針對(duì)雙UPS雙輸出供電方案進(jìn)行探討。

圖1 單UPS+GPS 雙輸出供電方案Fig.1 Single UPS+GPS dual output power supply scheme

圖2 雙UPS 雙輸出供電方案Fig.2 Double UPS dual output power supply scheme

2 常規(guī)計(jì)算方法和問(wèn)題分析

2.1 常規(guī)計(jì)算方法

通常，在石油化工裝置的工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，由儀表專(zhuān)業(yè)根據(jù)儀表及控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠提供用電設(shè)備耗量按照式1，逐一進(jìn)行累加后，再乘以設(shè)計(jì)規(guī)范建議的備用系數(shù)得出總耗電量，然后提交電氣專(zhuān)業(yè)，進(jìn)行UPS 設(shè)備選型。

式中P——總耗電量，W；

Pi——儀表設(shè)備耗電量，W；

Kb——備用系數(shù)，取1.2～1.5（2019年前）。

表2為常用儀表設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的電源功耗（W）數(shù)據(jù)，以及這些儀表設(shè)備的供電方式。

2.2 問(wèn)題分析

表2 常用儀表設(shè)備電源功耗和供電方式Table 2 Common power consumption and power supply methods for instrument equipment

造成UPS 容量選擇過(guò)大，實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行UPS 負(fù)載率低的原因。筆者認(rèn)為主要在計(jì)算數(shù)據(jù)選擇、計(jì)算方法、備用量和基本概念等方面存在一些誤區(qū)。尤其是從儀表設(shè)備生產(chǎn)廠獲得的計(jì)算數(shù)據(jù)，問(wèn)題較多，需要具體分析方可采用。

（1）計(jì)算數(shù)據(jù)

以戴爾R720 服務(wù)器為例，銘牌額定功率實(shí)際為：750 W （Platinum）（100～240 V AC，50/60 Hz，10 A-5 A 或 DC 240 V DC），此功率為服務(wù)器所帶供電單元PSU（POWER SUPPLY UNIT）的額定功率。表2中服務(wù)器功耗為870 W，可見(jiàn)生產(chǎn)廠家在功耗提出時(shí)考慮了一定余量。而且實(shí)際上服務(wù)器供電單元PSU 的額定功率并不直接等同于負(fù)載的最大耗電功率，從圖3服務(wù)器電源容量與效率曲線[2]可以看出。

圖3 服務(wù)器電源容量與效率曲線Fig.3 Server power capacity and efficiency curve

圖3從右至左的三根垂直直線分別代表：

① 銘牌功率：指的是服務(wù)器電源銘牌功率。

② 最大工況設(shè)置：指的是服務(wù)器系統(tǒng)在最大用電量工作時(shí)的耗電功率。

③ CPU 100%利用率典型工況：CPU 工作在100%利用率時(shí)耗電功率。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)服務(wù)器最大的功率消耗是銘牌額定值的80%，這是因?yàn)榉?wù)器廠家在選擇電源時(shí)也寬放了大致20%的裕量。而CPU 100%利用率典型工況是銘牌額定值的67%。事實(shí)上服務(wù)器正常工作時(shí)的能耗還小于該值。同理，系統(tǒng)柜、繼電器柜、安全柵柜和交換機(jī)柜各自電源模塊的額定功率與實(shí)際耗電功率相比也有一定的余量。

基于以上原因在計(jì)算儀表UPS 容量時(shí)應(yīng)考慮換算系數(shù)的納入。交流不間斷電源負(fù)荷的換算系數(shù)考慮了負(fù)載電源裝置的余量系數(shù)和同時(shí)系數(shù)。對(duì)于石油化工行業(yè)的DCS/SIS/GDS 等控制系統(tǒng)負(fù)載，控制器電源選擇時(shí)一般留有50%余量，且系統(tǒng)廠家提供的負(fù)荷是將所有系統(tǒng)電源裝置銘牌功率累加，沒(méi)有考慮電源的余量系數(shù)，也未考慮一些設(shè)備的同時(shí)率。因此

，為獲得較為準(zhǔn)確的用電設(shè)備功耗，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該研究系統(tǒng)廠家提供的耗電量計(jì)算書(shū)或容量清單，核實(shí)耗電量余量的具體情況。

（2）根據(jù)以上計(jì)算公式（1），在計(jì)算總耗電量時(shí)，沒(méi)有考慮單路供電儀表配電只是作為一臺(tái)UPS的負(fù)荷，而是將單UPS 供電設(shè)備和雙UPS 供電設(shè)備耗電量累加在了一起，造成對(duì)UPS 容量要求提高。

（3）有的設(shè)計(jì)人員在按總耗電量選擇UPS 時(shí)，按單臺(tái)60%負(fù)荷考慮備用，未考慮雙路供電設(shè)備的耗電是由兩臺(tái)UPS 分擔(dān)的。

（4）其他原因

① 在儀表及控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠未確定的情況下，均無(wú)法獲得有效數(shù)據(jù)。采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大的不確定性。

② W 和VA 的概念混淆[3]，對(duì)于交流供電負(fù)載，kW 一般是指負(fù)載有功功率，kVA 是指視在功率，有功功率=視在功率×功率因數(shù)。將視在功率作為有功功率提給電氣專(zhuān)業(yè)，那么在電氣專(zhuān)業(yè)計(jì)算過(guò)程中將重復(fù)考慮功率因數(shù)，導(dǎo)致最終計(jì)算容量放大。

③ 按照上游斷路器額定電流×額定電壓來(lái)確定功耗，而未按照用電設(shè)備耗電統(tǒng)計(jì)功耗，造成UPS計(jì)算容量增大。

3 推薦計(jì)算方法和結(jié)果比對(duì)

3.1 計(jì)算方法

采用DL/T 5491-2014《電力工程交流不間斷電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中的UPS 容量計(jì)算方法[4]并以《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版[5]中的計(jì)算方法作參考。

根據(jù)各負(fù)載的銘牌功率、功率因數(shù)和換算系數(shù)，可按式（2） 計(jì)算負(fù)載的總有功功率；可按式（3） 計(jì)算負(fù)載的總無(wú)功功率，當(dāng)負(fù)載為容性時(shí)，其無(wú)功功率取負(fù)值；可按式（4） 計(jì)算總負(fù)載的視在功率，并可按式（5） 計(jì)算容量綜合功率因數(shù)。

式中Si——負(fù)載銘牌功率，VA；

cosφi——單個(gè)負(fù)載功率因數(shù)；

K——換算系數(shù)，可參照表3選擇；

PC——計(jì)算總有功功率，W；

QC——計(jì)算總無(wú)功功率，var；

SC——計(jì)算總視在功率，VA；

cosφav——計(jì)算綜合功率因數(shù)。

表3 常用UPS 負(fù)荷容量換算系數(shù)及功率因數(shù)Tab.3 Common UPS load capacity conversion factorsandpower factor

根據(jù)計(jì)算總視在功率Sc，按式（6）得出UPS計(jì)算視在容量S，再根據(jù)計(jì)算視在容量值，并綜合其他因素選擇大于或等于該計(jì)算值作為選擇容量。

式中S——UPS 計(jì)算視在容量，kVA；

Kk——可靠系數(shù)，取1.25；

Kf——功率校正系數(shù)，取0.8～1.0，根據(jù)負(fù)荷綜合功率因數(shù)，由制造廠提供，當(dāng)制造廠無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)可按表4規(guī)定的數(shù)值選擇；

Kd——降容系數(shù)，由制造廠提供或可按表5規(guī)定數(shù)值選擇。

表4 功率校正系數(shù)KfTab.4 Power correction factor Kf

表5 降容系數(shù)KdTab.5 Reduction factor Kd

3.2 計(jì)算舉例和結(jié)果比對(duì)

以下對(duì)某裝置儀表和控制系統(tǒng)分別采用上述推薦計(jì)算方法和常規(guī)計(jì)算方法進(jìn)行耗電統(tǒng)計(jì)。

根據(jù)3.1 中的計(jì)算方法，并且依據(jù)表2中某系統(tǒng)廠家提供的數(shù)據(jù)，其中服務(wù)器電源功耗修正為戴爾的實(shí)際電源銘牌功率750 W，則計(jì)算可得出：

PC=8 174.76 W，QC=2 233.78 Var，

按儀表用電設(shè)備主要為容性，cosφav=0.96，則負(fù)載考慮Kf=0.74，按裝置所處海拔低于1 000 m 考慮Kd=1 下，可靠系數(shù)Kk=1.25，則UPS 計(jì)算容量。

S=1.25×8 474.76/（0.74×1）=14 314.97 VA，根據(jù)此計(jì)算容量，選擇大于或等于該計(jì)算容量的UPS 電池容量作為選擇容量。

常規(guī)計(jì)算方法下，余量系數(shù)Kb按1.2 取值，計(jì)算負(fù)荷是P=16 664×1.2 W=19 996.8 W，根據(jù)此計(jì)算結(jié)果，選擇大于或等于該計(jì)算負(fù)荷的UPS 電池容量作為選擇容量。

表6為以某裝置UPS 用電儀表設(shè)備功耗進(jìn)行計(jì)算的匯總對(duì)比（按單路供電考慮），從計(jì)算結(jié)果上看，常規(guī)計(jì)算方法的總耗電量，即使在未考慮功率因數(shù)換算的情況下進(jìn)行比較，還遠(yuǎn)大于推薦計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果。再結(jié)合以上所述的由其他原因產(chǎn)生的放大誤差，導(dǎo)致UPS 實(shí)際負(fù)載率小于20%情況發(fā)生的可能性是非常大的。

表6 某裝置UPS 用電儀表設(shè)備功耗計(jì)算匯總對(duì)比Tab.6 Summary comparison of power consumption calculations for UPS power consumption of an installation

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)隨著石油化工項(xiàng)目朝著一體化、大型化發(fā)展，UPS 選型容量偏大的矛盾突出，已引起業(yè)內(nèi)技術(shù)人員的關(guān)注。SH/T 3082—2019 版《石油化工儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中已對(duì)儀表UPS 供電電源的容量要求，從按儀表及控制系統(tǒng)的額定負(fù)荷總和1.2～1.5倍調(diào)整為0.8～1.2 倍，相較于上一個(gè)版本已經(jīng)做了合理化的修正?？梢?jiàn)根據(jù)近些年的使用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)人員在統(tǒng)計(jì)UPS 用電容量時(shí)在考慮可靠性以及擴(kuò)展性的基礎(chǔ)上，也充分考慮了投資成本和資源利用的有效性，符合目前精細(xì)化設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。