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)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
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。
見表3。
表3 主要備件材料表
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