鋼廠熱處理爐保安電源可靠性分析與改造

王 猛，盧憲強(qiáng)，溫 亮

（山鋼股份萊蕪分公司板帶廠，山東萊蕪 271104）

前言

寬厚板熱處理爐保安電源是指當(dāng)全廠停電或停電故障時(shí)，為了避免損壞熱處理爐底輥等重要設(shè)備，保證熱處理爐順利停機(jī)而設(shè)置的電源。在寬厚板熱處理生產(chǎn)線的低壓配電系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生事故或廠用電源中斷時(shí)，應(yīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入U(xiǎn)PS 不間斷供電，如遇較長(zhǎng)時(shí)間停電，需要及時(shí)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)切換供電，以保證熱處理爐安全停機(jī)，避免出現(xiàn)重大設(shè)備損失。

1 熱處理爐保安電源系統(tǒng)

寬厚板熱處理爐保安電源分為熱備、冷備兩種，熱備電源為2 套不間斷交流電源系統(tǒng)（UPS），采用蓄電池組供電，市電中斷時(shí)，對(duì)重要?jiǎng)恿翱刂齐娫吹某掷m(xù)供電；冷備電源為柴油機(jī)事故保安電源，由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)作為備用應(yīng)急電源，市電丟失后（UPS 已自動(dòng)投入），需要在本地啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，然后手動(dòng)停止UPS 系統(tǒng)的動(dòng)力電源輸出，并將柴油發(fā)電機(jī)的供電電源投入，用以代替UPS 動(dòng)力電源。經(jīng)以上操作后，UPS系統(tǒng)僅提供控制電源，柴油發(fā)電機(jī)僅提供動(dòng)力電源，保證了設(shè)備安全用電。

1.1 UPS系統(tǒng)

寬厚板熱處理爐采用400 kVA 雙機(jī)并聯(lián)型UPS，每臺(tái)UPS 配置了5 組180 AH 電池，5 組電池并聯(lián)連接，每組32只，電池端電壓為12 V，輸出直接并聯(lián)，電池組端電壓為384 V，極限負(fù)載能力為800 kVA，2臺(tái)UPS互為冗余。

1.2 柴油機(jī)供電系統(tǒng)

寬厚板熱處理爐冷備柴油機(jī)保安電源為YCGJ1000 發(fā)電機(jī)組，是由濟(jì)柴公司制造的G12V190ZLI V 型12 缸柴油機(jī)作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)900 kW 三相四線自感應(yīng)發(fā)電機(jī)，為寬厚板熱處理線1#、2#、3#熱處理爐提供備用應(yīng)急電源，在出現(xiàn)進(jìn)線跳闡情況下，該系統(tǒng)為熱處理線提供關(guān)鍵動(dòng)力電源輸出，主要功能是替代UPS 系統(tǒng)的動(dòng)力電源輸出，以保證控制系統(tǒng)的UPS 安全供電。該柴油發(fā)電機(jī)組當(dāng)前的啟動(dòng)方式為就地啟動(dòng)，在出現(xiàn)進(jìn)線跳闡的情況下需要專人到機(jī)旁進(jìn)行啟動(dòng)并手動(dòng)切換供電輸出方式。

2 保安電源當(dāng)前存在問題

2.1 UPS 電池狀態(tài)缺少有效監(jiān)控，管理與維護(hù)難度大

2017 年8 月，在無供電故障，UPS 正常熱備狀態(tài)下，電池組發(fā)生著火事故，直接原因?yàn)閭€(gè)別電池老化或接線端壓接松動(dòng)造成電阻升高，引起局部過熱從而引發(fā)整個(gè)電池組著火。

根據(jù)孫耀等相關(guān)文獻(xiàn)研究［1］及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維中暴露出的問題，UPS電池組僅靠人工巡檢維、測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下，對(duì)電池實(shí)時(shí)變化的電壓、內(nèi)阻、溫度等數(shù)據(jù)無法及時(shí)撐控，對(duì)相應(yīng)電池故障很難做到第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并掌握解決，導(dǎo)致了后備蓄電池組存在極大的隱患。

2.2 UPS電池組配置不合理

各電池組若放電不平衡，則極易導(dǎo)致單組電池過熱問題出現(xiàn)。

2019 年3 月因外部供電故障，熱處理線UPS 設(shè)備投入運(yùn)行，電池放電20 min 后，電池著火燃燒，從事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，最先著火點(diǎn)為中間一組，火勢(shì)蔓延至其它電池組，造成更換上線不到一年的電池組全部燃燒損壞。主要原因分析為電池組放電不平衡，造成中間一組電池放電電流超額定極限，繼而造成發(fā)熱擊穿起火。

改造前電池組配置如圖1所示。

圖1 熱處理2號(hào)電氣室UPS電池組配置示意圖

在UPS 的使用過程中，每臺(tái)UPS 的極限帶載量可以達(dá)到350 kW，在上述配置方案下，如果每只電池放電截止電壓為10.5 V，電池組放電電流計(jì)算如下：

理想情況下，每組電池的放電電流計(jì)算如下：

但在實(shí)際電池組放電時(shí)，往往不能達(dá)到理想效果，這主要受限于各電池組的內(nèi)阻、各電池的連接情況以及各組電池電纜的長(zhǎng)度，而且極有可能出現(xiàn)各組電池放電不均勻的現(xiàn)象，特殊情況下，在電池組放電過程中，會(huì)出現(xiàn)其中某一組承擔(dān)絕大部分電流的現(xiàn)象，例如圖2。

圖2 電池組放電不平衡示意圖

而對(duì)于180 Ah 鉛酸蓄電池，其最大允許持續(xù)放電電流值約為180 A左右，如果出現(xiàn)在圖2所示的電流分配情況，則會(huì)導(dǎo)致某組電池因放電電流超額定極限，繼而造成發(fā)熱擊穿起火的現(xiàn)象，同時(shí)影響整個(gè)電池系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.3 原設(shè)計(jì)該UPS系統(tǒng)所帶的負(fù)載量偏大

故難以滿足應(yīng)急狀態(tài)下滿負(fù)荷工況。

熱處理爐UPS 系統(tǒng)，在市電中斷的應(yīng)急狀態(tài)下可為熱處理1#、2#熱處理爐輥道提供動(dòng)力、控制電源，負(fù)載量如表1所列。

表1 設(shè)備負(fù)載量計(jì)算表

負(fù)載統(tǒng)計(jì)表明，1#與2#熱處理爐的爐底輥電機(jī)的設(shè)計(jì)總負(fù)載量合計(jì)為876 kW，如果全部滿負(fù)荷運(yùn)行，已經(jīng)完全超出了這套UPS 的實(shí)際額定容量，在之前的實(shí)際運(yùn)行中，由于上述電機(jī)不會(huì)同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)際負(fù)載量大約在750 kW 左右，2 組UPS 裝置并聯(lián)（10 組電池同時(shí)放電）運(yùn)行能夠勉強(qiáng)正常運(yùn)行。這種情況下，UPS系統(tǒng)處于安全極限運(yùn)行狀態(tài)，如果出現(xiàn)10 組中的任一組電池故障就會(huì)導(dǎo)致其他電池組放電過大，帶來嚴(yán)重隱患。

2.4 部分啟動(dòng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控功能缺失

柴油機(jī)自啟動(dòng)、機(jī)旁啟動(dòng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控功能缺失，冷備投入操作繁瑣，應(yīng)急作業(yè)效率低，無法保障在長(zhǎng)時(shí)間停電故障時(shí)，動(dòng)力電源的及時(shí)切換供給。

當(dāng)前寬厚板熱處理線柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組為在本地通過控制屏啟動(dòng)，缺失自啟動(dòng)功能，在停電應(yīng)急、人員緊張情況時(shí)，難以第一時(shí)間到柴油機(jī)房手動(dòng)啟動(dòng)。且發(fā)電機(jī)組的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)為單一的控制器控制，如果出現(xiàn)控制器故障，柴油機(jī)將無法啟動(dòng)，對(duì)應(yīng)急狀態(tài)下的備用電源供電會(huì)帶來極大的影響。如保安電源失效，導(dǎo)致出現(xiàn)大面積爐底輥彎曲變形，必須進(jìn)行停產(chǎn)更換，僅加熱爐升降溫時(shí)間就需要7 天，整體更換爐底輥?zhàn)鳂I(yè)至少需要10 天以上停產(chǎn)時(shí)間，檢修備件費(fèi)用180 萬元。

3 改造方案

3.1 UPS供電系統(tǒng)改造

配置2 組共計(jì)384 塊2 V 1 000 Ah 電池（配套電池柜組），替代原先10 組共計(jì)320 塊12 V 180 Ah 電池。將UPS 電池組的配置方案由原設(shè)計(jì)10 組并聯(lián)改為2 組并聯(lián)，降低電池放電電流不平衡的幾率。電池選型由12 V 180 Ah 改為2 V 1 000 Ah，增加單只電池的容量，避免電流增大電池溫升過快引起爆燃。

3.1.1 按照UPS 配置2 V 1 000 Ah 電池在極限狀況的各項(xiàng)計(jì)算與配置

在UPS 的使用過程中，每臺(tái)UPS 的極限帶載量設(shè)為350 kW，每組電池配置192 只，每只2 V 電池的放電截止電壓設(shè)定為1.75 V，UPS 電池組的最大放電電流計(jì)算：350 000÷192÷1.75＝1041.6 A。符合設(shè)備極限負(fù)載量要求。

配套設(shè)施為2 臺(tái)SIDERMAT1250A 組合式熔斷器隔離保護(hù)開關(guān)，ZRRV 型軟電纜配置要求線徑為2×240 mm2，進(jìn)一步增加新系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

3.1.2 電池續(xù)航時(shí)間滿足要求

UPS電池放電時(shí)間的計(jì)算：

本次改造所選擇的25℃時(shí)1.60 V恒功率電池放電功率見表2。

表2 電池性能表

按照上述公式，負(fù)載量為350 kVA，功率因數(shù)為0.8 時(shí)，將各數(shù)據(jù)代入后計(jì)算結(jié)果為：每只電池放電功率需求為1 552 W，查閱上面的放電功率表得知，2 V的1 000 Ah電池可以延時(shí)約40 min。

如果按照應(yīng)急狀態(tài)下150 kW計(jì)算，則放電功率需求約為665 W，同樣的配置情況下可保證2 h放電時(shí)間。

改造完的電池組配置如圖3。

圖3 改造后電池組示意圖

3.2 電池狀態(tài)監(jiān)控改造方案。

根據(jù)陳井軍等人［2］成功案例，在UPS 電池組安裝監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池全面運(yùn)行參數(shù)和性能參數(shù)自動(dòng)監(jiān)控。在每一節(jié)蓄電池上安裝一個(gè)監(jiān)控模塊，監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓、內(nèi)阻、溫度等信息通過RS485線將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)絽R集模塊。在電氣室配備智能顯示主控模塊，UPS 電池組的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，通過組端收斂模塊匯集到智能顯示主控模塊上顯示，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)上傳到點(diǎn)檢維護(hù)人員手機(jī)終端進(jìn)行儲(chǔ)存展示，電池狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備配置見圖4。可實(shí)現(xiàn)智能內(nèi)阻測(cè)試、蓄電池內(nèi)部溫度監(jiān)控、智能容量估算功能，能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障電池，及時(shí)采取措施排除故障。

圖4 電池狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備配置示意圖

3.3 柴油發(fā)電機(jī)組便捷性改造方案

將柴油機(jī)四保護(hù)控制柜更新為可編程發(fā)電機(jī)組控制器，加裝通信接口及通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端操作臺(tái)PC 控制啟動(dòng)、聯(lián)機(jī)監(jiān)控；同時(shí)新增機(jī)旁全手動(dòng)控制裝置，在面板控制器突失效的情況下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)旁人工手動(dòng)啟動(dòng)柴油機(jī)快速投入運(yùn)行，提高熱處理爐保安電源的操作便捷性和可靠性。

3.4 電氣系統(tǒng)備件設(shè)備材料表

見表3。

表3 主要備件材料表

4 實(shí)際改造效果

熱處理保安電源改造完成后，能夠及時(shí)掌握UPS 系統(tǒng)每節(jié)電池的關(guān)鍵參數(shù)，提前發(fā)現(xiàn)存在的隱患，避免因電池性能老化、劣化造成的安全和生產(chǎn)事故，全面提升UPS 電池安全管理模式與效率，提高了設(shè)備智能化運(yùn)營(yíng)維護(hù)水平。

參考UPS 設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用熱處理爐停機(jī)時(shí)間進(jìn)行UPS電池組供電測(cè)試［3］。模擬外部供電故障失電，不同負(fù)載條件下的UPS 供電情況，蓄電池組持續(xù)供電20 min，負(fù)載率50%左右，UPS設(shè)備控制面板顯示可供電時(shí)間110 min，完全滿足短時(shí)停的供電需求（見表4）。隨后操作臺(tái)遠(yuǎn)程啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了5 min 內(nèi)將UPS 供電切換至柴油發(fā)電機(jī)供電。本次保安電源持續(xù)供電測(cè)試結(jié)果表明，改造后的UPS 電池組供電穩(wěn)定，溫度正常，持續(xù)供電能力可靠，柴油發(fā)電機(jī)供電切換的操作及時(shí)便捷性也大幅提升。

表4 UPS電池組放電測(cè)試記錄表