分布式計算機(jī)過程控制系統(tǒng)不間斷電源改造設(shè)計方案淺析

朱世薇， 尹萬聰

(謙比希銅冶煉有限公司 動力分廠， 贊比亞 卡魯魯西)

0 背景

位于非洲贊比亞某中國粗銅冶煉企業(yè)，始建于2006年，在2009年2月投產(chǎn)。生產(chǎn)流程采用富氧頂吹艾薩熔煉爐- 沉降電爐- P、S轉(zhuǎn)爐吹煉- 鑄錠- 粗銅錠流程。鈷合金還原電爐生產(chǎn)鈷銅合金，用于鈷回收。一期設(shè)計生產(chǎn)能力為15萬t，隨著產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，到2017年設(shè)計生產(chǎn)能力達(dá)25萬t。為尋求企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，提高企業(yè)全員勞動生產(chǎn)率，公司工藝流程的主要車間——配料、熔煉車間、余熱鍋爐、制酸車間、氣體車間、渣浮選、水處理，采用分布式計算機(jī)過程控制系統(tǒng)(以下簡稱DCS)檢測和監(jiān)控，同時把生產(chǎn)過程的信息傳輸至生產(chǎn)管理及調(diào)度中心，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享。DCS由不間斷電源(以下簡稱UPS)供電。

1 UPS使用現(xiàn)狀

1.1 在用UPS數(shù)量多、型號雜

該公司的熔煉車間、余熱鍋爐、制酸車間、氧氣站、渣浮選、水處理設(shè)置有控制室及附屬機(jī)柜室站點，每個站點均配置獨立UPS，UPS進(jìn)線電源取自附近低壓配電室。在用UPS容量及數(shù)量如表1所示。

表1 在用UPS容量、數(shù)量及品牌統(tǒng)計表

由表1可知，公司在用UPS數(shù)量眾多，品牌繁雜，配置電池數(shù)量和型號也各不相同，給日常備件管理和采購帶來較大困難。每個站點的UPS均考慮裕量，裝機(jī)容量為159 kVA，目前實際使用功率約為50 kW，能耗高、效率低。

1.2 單一UPS配置，安全隱患大

所有DCS站點UPS均為單一配置，一旦出現(xiàn)故障，將造成控制系統(tǒng)失電，特別是艾薩噴槍、轉(zhuǎn)爐及附屬鍋爐的現(xiàn)場設(shè)備(如過程閥門、卷揚(yáng)裝置等)失去控制，會引起艾薩爐噴槍燒損、轉(zhuǎn)爐噴爐等重大生產(chǎn)工藝安全事故。如果更換UPS，相關(guān)的生產(chǎn)系統(tǒng)必須全部停止運行，影響2～3小時，造成公司產(chǎn)品產(chǎn)量和利潤損失。

1.3 UPS工作環(huán)境差，故障率高

所有UPS均放置在生產(chǎn)現(xiàn)場距離較近的機(jī)柜室，雖然做了一定的保溫及防塵措施，但高溫、粉塵、腐蝕性氣體無法完全隔絕。UPS內(nèi)部電路板、電子元件、冷卻風(fēng)扇等部件長期工作在該環(huán)境里，故障頻發(fā)。表2為2016—2019年UPS故障次數(shù)統(tǒng)計。

表2 2016—2019年UPS故障次數(shù)統(tǒng)計表

1.4 電池?zé)o法保養(yǎng)，壽命縮短

圖1 UPS供電系統(tǒng)設(shè)備配置圖

公司所有UPS根據(jù)不同型號，均配置相應(yīng)數(shù)量的鉛酸蓄電池。查詢鉛酸蓄電池的容量與溫度為正相關(guān)的關(guān)系，溫度每上升1度，相對容量下降約0.8%。鉛酸蓄電池在環(huán)境溫度大于40度的基礎(chǔ)上，每升高10度，電池的壽命降低一倍。此外，鉛酸蓄電池在使用一定時間后需要做充放電保養(yǎng)維護(hù)。由于無法在正常生產(chǎn)過程中斷電維護(hù)，長時間運行導(dǎo)致電池性能下降、壽命縮短。

2 改造方案

2.1 UPS供電系統(tǒng)功能概述

針對目前UPS存在的弊端，取消各個車間分散的供電方式，根據(jù)用電負(fù)荷所處位置整體考慮，分別選取東區(qū)和西區(qū)兩個匯聚點。每個匯聚點內(nèi)，設(shè)置兩臺完全獨立的UPS，兩臺UPS采用在線并行運行方式，為外部負(fù)荷供電。UPS設(shè)備具體配置如圖1所示。

2.2 改善輸入電源質(zhì)量

UPS輸入端配置隔離變壓器(隔離變壓器1、2和旁路隔離變壓器)和有源電力濾波器(APF1、APF2)，用以改善UPS進(jìn)線電源質(zhì)量，保護(hù)UPS內(nèi)部電子元件，延長UPS使用壽命。隔離變壓器輸出端與輸入端完全隔離，對交流輸入電源電壓起到了良好的過濾作用。有源電力濾波器采用并聯(lián)方式，實時檢測交流輸入電源電流中大小和頻率不同的各次諧波，并將幅值相等、相位相反的補(bǔ)償電流注入到輸入母線上，實現(xiàn)實時動態(tài)濾除諧波功能，確保輸入母線的電流為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。

2.3 UPS和電池冗余配置

本方案供電模式采用兩臺UPS在線并行運行模式。正常時，兩臺完全獨立的UPS分別為不同負(fù)載提供電源，一旦其中一臺UPS出現(xiàn)故障，另一臺UPS滿足全部負(fù)載用電需求，并能長期穩(wěn)定運行。每臺UPS配置單獨的靜態(tài)開關(guān)和旁路，內(nèi)置隔離變壓器和D級防雷器。旁路的額定容量與整流逆變回路一致，其電源接于與主電源不同母線。

兩套后備電池組(電池組1、2)為UPS1、2提供直流逆變電源，通過5個斷路器(QF11- 15)不同開關(guān)動作組合，可靈活實現(xiàn)任意一套電池組為任意一臺UPS提供直流電源組合模式，以便于UPS和電池組的其中一套任何時候都可進(jìn)行UPS維護(hù)保養(yǎng)、電池充放電和維修操作，不影響另一臺UPS正常運行。

2.4 各站點STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)配置

為確保供電可靠性，UPS1和UPS2分別為每個現(xiàn)場各站點提供兩路220 VAC電源，接入各站點配電柜的STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(如圖2所示)。STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)用于在兩路電源之間轉(zhuǎn)換供電，第一路出現(xiàn)故障后STS自動切換到第二路給負(fù)載供電，第二路故障則STS自動切換到第一路給負(fù)載供電。靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)提供快速電源轉(zhuǎn)換(≤5 ms)，滿足DCS供電電源瞬斷時間要求，保證DCS各站點電子設(shè)備不間斷工作。

圖2 現(xiàn)場站點STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)連接示意圖

2.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能

該設(shè)計方案實現(xiàn)智能化的計算機(jī)監(jiān)控功能，故障自動診斷以及先進(jìn)的維護(hù)管理功能。遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備能夠以結(jié)構(gòu)框圖顯示UPS系統(tǒng)、以圖形方式顯示工作狀態(tài)、電壓、電流、頻率等；UPS的啟動、停止、供電切換均可以在線顯示；能對蓄電池組、有源濾波器、輸入輸出一體柜等設(shè)備進(jìn)行工作狀態(tài)、負(fù)載情況監(jiān)控，同步刷新；各設(shè)備操作和事故進(jìn)行記錄；具有報表生成、圖形化顯示、打印等功能。

如圖3所示，有源濾波器(APF)、UPS主機(jī)、電池組和輸入輸出一體柜，通過外接串行接口卡或內(nèi)置串口模塊提供的RS485接口，采用MODBUS通訊協(xié)議，將數(shù)據(jù)上傳至串口服務(wù)器，計算機(jī)通過監(jiān)控軟件可以訪問串口服務(wù)器里的各設(shè)備運行參數(shù)。

圖3 UPS供電系統(tǒng)各設(shè)備通訊示意圖

3 設(shè)備選型計算

3.1 UPS容量計算

各站點耗電量統(tǒng)計如表3所示。

由表3可知，兩個區(qū)域設(shè)計功率需求(按目前實際功率2倍計算)分別為23.9 kW和26.1 kW，UPS功率因數(shù)為0.8，計算UPS容量分別為：

23.9/0.8=29.9 kVA
26.1/0.8=32.6 kVA

考慮兩個匯聚點使用設(shè)備型號統(tǒng)一，根據(jù)廠家提供的選型手冊，最終確定UPS容量為40 kVA。

3.2 電池容量計算

本方案考慮UPS最大負(fù)載延時1小時，按照恒功率法計算電池后備時間。計算公式如下：

W=PL/(V×η) (watts/cell)=
(40×1 000×0.8)/(29×12×0.9)=
102.2(watts/cell)

(1)

式中W—所需電池的每單格功率，watts/cell，其中1 h以下備電，W為放電至終止電壓1.65 V/cell的恒功率數(shù)據(jù)；

表3 公司各DCS站點耗電量統(tǒng)計表

PL—負(fù)載功率，瓦(watts)，按UPS容量為40 kVA，功率因數(shù)為0.8，計算最大負(fù)載；

V—電池組額定電壓(29只電池，每只電池12 V)；

η—電池逆變效率(由廠家提供，按0.9計算)。

查看廠家提供的鉛酸蓄電池定功率放電參數(shù)可知：12 V/120 AH電池在終止電壓為1.65 V/cell時的功率為141.33(watts/cell)，大于計算所需電池每單格功率102.2(watts/cell)，滿足使用要求。

3.3 各站點供電電纜選擇計算

由于部分站點距離UPS較遠(yuǎn)，供電電纜規(guī)格的選擇需考慮電纜類型、載流量和線路電壓損失。

《石油化工儀表供電設(shè)計規(guī)范》(SH/T 3082—2019)中規(guī)定：“UPS輸出電壓：220 V±11 V，單相”。根據(jù)各站點與UPS匯聚點的距離、設(shè)計電流以及查手冊得到的各種規(guī)格電纜的電阻和感抗數(shù)據(jù)如表4所示，計算電壓損失公式如下：

ΔU=(R×cosφ+X×sinφ)×I×l

(2)

式中 ΔU—線路電壓損失，V；

R—電纜單位長度的電阻值，Ω/km；

X—電纜單位長度的感抗值，Ω/km；

cosφ—功率因數(shù)；

I—負(fù)荷計算電流，A；

l—電纜長度，km。

根據(jù)計算公式(2)，對各站點選用的供電電纜規(guī)格的載流量、線路電壓損失進(jìn)行核算，均滿足使用要求，如表5所示。

表4 1 kV交聯(lián)聚乙烯電力電纜用于380系統(tǒng)時的 電阻值和感抗值表[1]

表5 各站點設(shè)計選用電纜電氣性能參數(shù)表

注：電纜載流量為1 kV交聯(lián)聚乙烯護(hù)套電力電纜空氣敷設(shè)長期允許載流量。電纜芯數(shù)：3芯，護(hù)套工作溫度：70 ℃、環(huán)境溫度：30 ℃。

4 結(jié)論

改造后的UPS系統(tǒng)投入運行后，供電穩(wěn)定性和可靠性顯著提高，極大降低維護(hù)人員日常點檢工作量和維護(hù)難度，有助于提高火法煉銅企業(yè)作業(yè)率和生產(chǎn)過程本質(zhì)安全。為其他火法煉銅企業(yè)分布式計算機(jī)過程控制系統(tǒng)UPS設(shè)計方案提供一些借鑒經(jīng)驗。