直流UPS在儀表控制系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

周寧，郭建軍

(1. 中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101；2. 中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

儀表控制系統(tǒng)在石化企業(yè)安全生產(chǎn)中起到重要的作用，從生產(chǎn)運(yùn)行、工藝聯(lián)鎖、現(xiàn)場工藝參數(shù)監(jiān)控、流程控制到緊急停車，全過程都參與控制。根據(jù)GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[1]的規(guī)定，儀表控制系統(tǒng)屬于一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，除雙重電源外，還應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源為其供電，且應(yīng)急電源切換時間應(yīng)滿足允許中斷供電的要求。為滿足以上要求，石化企業(yè)普遍采用了交流UPS作為應(yīng)急電源，當(dāng)雙重電源故障后，蓄電池作為應(yīng)急電源為儀表控制系統(tǒng)供電，保證裝置的安全聯(lián)鎖停車，并進(jìn)行監(jiān)控、處理和過程記錄，避免更大的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。

1 交流UPS基本原理及特點(diǎn)

1.1 基本原理

交流UPS通過交流-直流整流回路給蓄電池充電，再經(jīng)過直流-交流的逆變回路提供交流220 V電源給控制系統(tǒng)，當(dāng)市電輸入正常時，UPS將市電穩(wěn)壓后給儀表負(fù)載供電，此時的UPS就是1臺交流式穩(wěn)壓器，同時它還向蓄電池部分充電；當(dāng)系統(tǒng)電源事故停電時，蓄電池立即通過逆變器繼續(xù)向負(fù)載供電，使負(fù)載維持正常工作，交流UPS通常對電壓過高或電壓過低都能提供保護(hù)。交流UPS的基本原理如圖1所示。

1.2 特 點(diǎn)

由上述分析可知，交流UPS在架構(gòu)功能上有以下特點(diǎn)：

1)正常使用過程中電源經(jīng)過交流-直流-交流的變換，降低了效率，且散熱量大，運(yùn)行成本較高。

2)整流、逆變環(huán)節(jié)都是7×24 h在線工作，不論是可控硅還是IGBT，作為電力電子元件，故障概率不能忽視；能源變換環(huán)節(jié)多，單點(diǎn)故障多，極端情況會影響到生產(chǎn)運(yùn)行。

3)儲能裝置一般配置鉛酸蓄電池，壽命短、后期維護(hù)比較麻煩，且充電產(chǎn)生氫氣，需要考慮通風(fēng)和防爆設(shè)計。

4)整體結(jié)構(gòu)封閉，難以在線維護(hù)，控制比較復(fù)雜，故障后需要專業(yè)人士維護(hù)。

5)部分UPS采用相控整流技術(shù)，有一定的諧波含量，影響到輸入側(cè)電能質(zhì)量環(huán)境。

圖1 交流UPS基本原理示意

1.3 優(yōu)化措施

考慮到上述問題，石化企業(yè)在交流UPS的應(yīng)用中制定了一些措施，盡量避免以上問題導(dǎo)致的故障，包括以下幾個方面：

1)重要裝置采用2套UPS供電方式，但禁止選用雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行模式。

2)禁止選用具有遠(yuǎn)程控制停機(jī)功能(ADC)的UPS。

3)禁止選用不帶獨(dú)立旁路電源的UPS。

4)禁止選用僅有蓄電池提供靜態(tài)旁路開關(guān)工作電源的UPS。

上述的規(guī)定在一定程度上避免了UPS本體導(dǎo)致的故障，但也帶來成本和運(yùn)行費(fèi)用的增加，并沒有從架構(gòu)和原理層面解決問題。

2 儀表用電負(fù)荷

典型的石化裝置儀表負(fù)荷包括控制系統(tǒng)、儀表設(shè)備及市電負(fù)荷三個部分：

1)控制系統(tǒng)包括： 分散控制系統(tǒng)(DCS)、安全儀表系統(tǒng)(SIS)、壓縮機(jī)控制系統(tǒng)(CCS)、機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)(MMS)、過程分析儀系統(tǒng)(PAS)和可編程序控制器(PLC)等。

2)儀表設(shè)備包括： 現(xiàn)場分析小屋，分析儀表、氣體探測器、色譜分析儀、碳?xì)浞治鰞x等。

3)市電負(fù)荷包括： 電動閥、電伴熱、儀表盤/柜的照明、風(fēng)扇和插座等。

以上三種負(fù)荷，控制系統(tǒng)采用交流220 V供電或直流24 V供電，而儀表設(shè)備一般采用直流24 V供電或交流220 V供電，市電負(fù)荷采用交流380 V/220 V供電。前兩種負(fù)荷，交流UPS的220 V輸出都滿足要求，其中的安全柵、繼電器、電磁閥、現(xiàn)場檢測儀表等采用直流24 V，此時交流220 V需經(jīng)過開關(guān)電源變換為直流24 V后作為電源，對交流UPS的輸出又增加了一個整流變換環(huán)節(jié)，效率和經(jīng)濟(jì)再打折扣。市電負(fù)荷采用電氣馬達(dá)控制中心(MCC)直接供電即可。

3 直流UPS系統(tǒng)技術(shù)探討

通過對交流UPS的結(jié)構(gòu)原理和儀表用電負(fù)荷的分析，如采用環(huán)節(jié)簡單，可靠性高、效率高的直流UPS取代交流UPS，對石化裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行將會取得更積極的成效，這取決于以下幾個方面：

1)盡量減少UPS的整流逆變等環(huán)節(jié)，以提高UPS的可靠性。根據(jù)可用性A計算公式：

(1)

式中：MTBF—— 平均無故障工作時間；MTTR——平均修復(fù)時間。

由式(1)可以看出，提高M(jìn)TBF和降低MTTR都可以提高系統(tǒng)可用性。如果減少中間環(huán)節(jié)，一定會提高M(jìn)TBF和降低MTTR，另外，如果采用模塊化整流裝置，提高在線檢修維護(hù)的便利性，通過降低MTTR來提高可靠性。但由于蓄電池作為應(yīng)急儲能電源，必然存在充放電過程，因此整流環(huán)節(jié)必不可少，只能取消逆變環(huán)節(jié)。

2)儀表負(fù)荷需要細(xì)化整理，適用于交流的負(fù)荷盡量改為直流，適用于直流的可直接應(yīng)用。通過以上分析可知，如采用直流UPS則可達(dá)到提高可靠性的目的。

3.1 直流UPS系統(tǒng)原理

直流UPS系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 直流UPS系統(tǒng)原理示意

圖2是直流UPS系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)通過整流單元直接輸出直流220 V或直流24 V，減少了逆變環(huán)節(jié)，提高了整體可靠性和效率，降低了損耗，節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。

2)結(jié)構(gòu)非常簡單，整流單元為模塊化設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)化程度高。

3)直流系統(tǒng)采用模塊化熱插拔，可在線維護(hù)，非常方便。

通過以上分析，直流UPS的可靠性相比交流UPS有較大提高，且直流UPS一直應(yīng)用于石化企業(yè)變電所的操作、保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)生故障的概率很低，但交流UPS故障影響儀表控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行時有發(fā)生，少數(shù)故障能影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

如果采用直流UPS,通過對儀表控制系統(tǒng)負(fù)荷的分析可知：

1)系統(tǒng)柜和輔助柜(包括安全柵、繼電器)等儀表負(fù)荷目前接收兩路交流220 V電源，通過柜內(nèi)的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為直流24 V供電，直流24 V采用并聯(lián)方式，任一路交流電源故障時，直流24 V均不受影響。系統(tǒng)柜和輔助柜若采用直流UPS，用220 V/24 V直流變換器取代開關(guān)電源，對負(fù)荷則完全沒有影響。

2)對于分散控制系統(tǒng)等的操作站/工程師站、分析儀表、氣體探測器、色譜分析儀、碳?xì)浞治鰞x和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等負(fù)荷，其中的分析儀表、氣體探測器、色譜分析儀、碳?xì)浞治鰞x等負(fù)荷對兩種電源均適用，而分散控制系統(tǒng)的操作站/工程師站等需要對制造商提出直流供電的要求，以滿足直流UPS的供電。

3)其他電動閥、電伴熱、儀表盤/柜的照明、風(fēng)扇和插座等負(fù)荷，本身不要求UPS供電，可以直接采用電氣MCC提供交流電源。

通過以上分析，直流UPS對儀表負(fù)荷的供電不存在難以克服的困難。除部分控制系統(tǒng)及服務(wù)器等需要定制直流供電外，其他設(shè)備均能接受直流的供電。

3.2 直流UPS系統(tǒng)的架構(gòu)優(yōu)勢

3.2.1 直流UPS的模塊化設(shè)計

直流UPS的整流環(huán)節(jié)可以采用高頻開關(guān)充電模塊，應(yīng)用N+1或N+2的冗余模式： 一是滿足直流輸出電能質(zhì)量的要求；二是當(dāng)任何一個模塊故障時，備用模塊可立即投入，不影響整機(jī)的性能，同時減輕了維護(hù)工作壓力，對故障模塊只需熱插拔更換即可，非常便捷，無需依賴交流UPS廠家支持；三是通過標(biāo)準(zhǔn)化的模塊擴(kuò)展可實(shí)現(xiàn)容量的提升，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和成本降低。

采用N+X模式比傳統(tǒng)1+1并聯(lián)模式效率更高，比交流UPS供電系統(tǒng)節(jié)能15%以上。

3.2.2 磷酸鐵鋰蓄電池系統(tǒng)的應(yīng)用分析

目前石化企業(yè)交流UPS的后備儲能裝置主要是閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池，長期以來存在以下問題：

1)可靠性和維護(hù)問題一直是困擾運(yùn)維的痛點(diǎn)。鉛酸電池單元故障不易監(jiān)測，電池單元問題導(dǎo)致無法在應(yīng)急狀態(tài)時投入的現(xiàn)象時有發(fā)生，再次降低了UPS的整體可用性。目前解決方案是配置電池巡檢儀，通過測量及計算內(nèi)阻值可對電池的狀態(tài)和壽命監(jiān)測起一定作用，但由于鉛酸電池性能曲線的非線性，準(zhǔn)確監(jiān)測比較困難且成本很高。

2)根據(jù)GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》中附錄B第23條規(guī)定： 蓄電池應(yīng)屬于IIC級的分類；當(dāng)含有可充電鎳-鎘或鎳-氫蓄電池的封閉區(qū)域具備蓄電池?zé)o通氣口，其總體積小于該封閉區(qū)域容積的1%，并在1 h放電率下蓄電池的容量小于1.5 A·h等條件時，可按照非危險區(qū)域考慮；當(dāng)含有除本款第2項之外的其他蓄電池的封閉區(qū)域具備蓄電池?zé)o通氣口，其總體積小于該封閉區(qū)域容積的1%或蓄電池的充電系統(tǒng)的額定輸出小于或等于200 W并采取了防止不適當(dāng)過充電的措施等條件時，可按照非危險區(qū)域考慮；含有可充電蓄電池的非封閉區(qū)域，通風(fēng)良好，該區(qū)域可劃為非危險區(qū)域；當(dāng)所有的蓄電池都能直接或者間接地向封閉區(qū)域的外部排氣，該區(qū)域可劃為非危險區(qū)域考慮；當(dāng)配有蓄電池、通風(fēng)較差的封閉區(qū)域具備至少能保證該區(qū)域的通風(fēng)情況不低于滿足通風(fēng)良好條件的25%及蓄電池的充電系統(tǒng)有防止過充電的設(shè)計時，可劃為2區(qū)；當(dāng)不滿足該條件時，可劃為1區(qū)。

API 505： 2018Recommendedpracticeforclassificationoflocationsforelectricalinstallationsatpetroleumfacilitiesclassifiedasclass1，zone0,zone1andzone2中第8.2.6條敘述了蓄電池的劃分是因?yàn)殡姵赜袣錃獾尼尫?。同時，明確了電池的通氣口包含閥控式鉛酸蓄電池的閥。

由國內(nèi)外規(guī)范相關(guān)條文可以看出，鉛酸蓄電池應(yīng)作為釋放源進(jìn)行爆炸危險區(qū)域的劃分。

在DL/T 5044—2014《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中第7.2.1條規(guī)定： 閥控式密封鉛酸蓄電池容量在300 A·h及以上時，應(yīng)設(shè)專用的蓄電池室，專用蓄電池室宜布置在0層。同時，GB 50172—2012《電氣裝置安裝工程蓄電池施工及驗(yàn)收規(guī)范》[5]中第3.0.7條強(qiáng)制性條文規(guī)定： 蓄電池室應(yīng)采用防爆型燈具、通風(fēng)電機(jī)，室內(nèi)照明線應(yīng)采用穿管暗敷，室內(nèi)不得裝設(shè)開關(guān)和插座。

通過與爆炸危險區(qū)域劃分相關(guān)的規(guī)范要求和與蓄電池室相關(guān)的規(guī)范要求可以看出，當(dāng)石油化工電源裝置容量較大時，閥控式鉛酸蓄電池的容量可能會超過300 A·h。如果考慮設(shè)置專用的電池室，電池室是否劃分為爆炸危險區(qū)域需要進(jìn)行判斷，并需引起重視。當(dāng)設(shè)置專用的電池室時，目前的通行做法為： 至少1 h換氣6次，采用防爆型燈具、通風(fēng)電機(jī)，室內(nèi)照明線路采用穿管暗敷，配置可燃?xì)怏w檢測等。因此，不論是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定還是設(shè)計方案，鉛酸蓄電池的使用都有很大的局限性。

因此，采用磷酸鐵鋰蓄電池是提高直流UPS可靠性的措施之一。鋰電池具有充電時不釋放氫氣的本質(zhì)安全特性，同時在可靠性，壽命及性能方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢。閥控式鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰電池特性比較見表1所列。

表1 閥控式鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰電池特性比較

續(xù)表1

通過表1可知，當(dāng)采用磷酸鐵鋰蓄電池時，直流UPS的整體可靠性將有更大提高，更加滿足儀表控制系統(tǒng)的高可靠電源需求。目前已在石化企業(yè)中逐步推廣應(yīng)用，如鎮(zhèn)海煉化、中化泉州等。

3.2.3 直流UPS應(yīng)用中的問題

雖然直流UPS可以提高可靠性，降低故障率、提高效率和降低成本，但在實(shí)際應(yīng)用中需要注意以下問題：

1)直流輸出可以選擇220 V和24 V，也可配置不同整流充電模塊同時輸出兩種電壓，220 V可以直供儀表設(shè)備，24 V可以直供系統(tǒng)和輔助柜，但是由于24 V電壓低，相同功率下電流約為220 V的10倍，傳輸電纜截面會增大，電壓降比率不易控制，長距離供電困難，所以需要與儀表系統(tǒng)柜就近布置，以保證電壓降水平。如果布置條件不具備，可統(tǒng)一采用直流220 V供電，在系統(tǒng)和輔助柜內(nèi)配置220 V/24 V直流變換器，以解決電壓下降的問題。

2)直流UPS由于輸出是直流，通常是對地浮空，與DCS接地需要重新匹配，選擇不同的接地系統(tǒng)。

3) 交流和直流配電系統(tǒng)中斷路器的選擇和絕緣監(jiān)測措施有所不同，需要注意直流系統(tǒng)的配電方案。

4 結(jié)束語

隨著石化企業(yè)規(guī)模的不斷增加，儀表控制系統(tǒng)的重要性越來越高，對高可靠電源系統(tǒng)的要求也越發(fā)凸顯，而電力電子技術(shù)和新型電池的迅猛發(fā)展，給直流UPS系統(tǒng)的應(yīng)用帶來新的方向，相比交流UPS具有更加可靠、高效、安全和便于維護(hù)的優(yōu)勢，建議先在中小規(guī)模的項目中試運(yùn)行，根據(jù)效果加以推廣，作為石化企業(yè)儀表系統(tǒng)新型電源相信會有更好的應(yīng)用前景。