中央控制室供電方案設(shè)計(jì)探討

田 龍

(云南云天化紅磷化工有限公司,云南 開遠(yuǎn) 661600)

0 引言

近年來(lái),化工生產(chǎn)安全現(xiàn)狀不容樂觀。隨著自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,中央控制室在化工生產(chǎn)中發(fā)揮的本質(zhì)安全作用逐步被接受。根據(jù)危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)儲(chǔ)存企業(yè)“四區(qū)分離”技術(shù)指導(dǎo)意見要求,危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)、儲(chǔ)存企業(yè)行政辦公區(qū)、后勤保障區(qū)、集中控制區(qū)與生產(chǎn)作業(yè)區(qū)應(yīng)有效分離、分區(qū)設(shè)置。企業(yè)原有設(shè)置在生產(chǎn)作業(yè)區(qū)的生產(chǎn)控制室需搬遷到中央控制室。中央控制室是危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)、存儲(chǔ)企業(yè)提升安全水平、防范系統(tǒng)性安全風(fēng)險(xiǎn)的重要設(shè)施,承擔(dān)全廠生產(chǎn)裝置的監(jiān)視、控制、通信和指揮調(diào)度工作。中央控制室涵蓋分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)、氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)(gas detection system,GDS)、攝像監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、調(diào)度指揮系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)等多個(gè)任務(wù)子系統(tǒng)。中央控制室各系統(tǒng)之間相互聯(lián)系,具有一定的復(fù)雜性。優(yōu)化中央控制室的供電設(shè)計(jì)、確保供電系統(tǒng)的可靠性和安全性非常必要。

本文針對(duì)某企業(yè)“四區(qū)分離”改造項(xiàng)目中的中央控制室供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例,依據(jù)中央控制室主要用電設(shè)備對(duì)電源可靠性、可用性需求進(jìn)行分析,重點(diǎn)對(duì)不間斷電源裝置(uninterruptible power supply,UPS)冗余方式進(jìn)行研究,提出了供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 中央控制室供電需求分析

根據(jù)中央控制室的使用功能分析,其功能房間宜包括操作室、機(jī)柜室、工程師室、空調(diào)機(jī)室、電信設(shè)備室、UPS室、配電室、更衣室、交接班室等[1]。中央控制室主要的用電設(shè)備有DCS網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、DCS操作站、照明機(jī)組、空調(diào)機(jī)組、GDS、攝像監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)及防排煙系統(tǒng)等。在開展供電需求分析時(shí),既要考慮不同類型設(shè)備對(duì)供電可靠性、電源質(zhì)量的不同要求和設(shè)計(jì)負(fù)荷容量要求,又要兼顧今后設(shè)備及業(yè)務(wù)需求的拓展和兼容設(shè)計(jì)[2]。中央控制室作為全廠關(guān)鍵設(shè)施,其低壓供電系統(tǒng)應(yīng)為雙回路供電。DCS操作站、網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等為一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷,除應(yīng)由雙重電源供電外,還應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源[3]。

2 低壓供配電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

低壓供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙重電源供電,滿足一、二級(jí)電力負(fù)荷需求。兩路獨(dú)立的電源可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。每路電源容量應(yīng)能滿足100%設(shè)計(jì)負(fù)荷要求。根據(jù)各類用電設(shè)備對(duì)電源可靠性和供電質(zhì)量的要求,用電設(shè)備可選擇不同的供電方式。通風(fēng)空調(diào)機(jī)組、排煙風(fēng)機(jī)、辦公生活設(shè)施及照明等可中斷電源設(shè)備采用配電柜直接供電。DCS操作站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)及應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)等作為關(guān)鍵設(shè)施,一旦供電中斷可能造成大范圍的影響,故應(yīng)采用UPS供電。不同的UPS冗余方式的供電可靠性和可用性差異較大,只有選擇合適的供電方式才能保障中央控制室核心設(shè)備的安全運(yùn)行。

3 UPS供電方案設(shè)計(jì)

3.1 UPS的冗余方式

UPS的冗余方式可分為設(shè)備冗余和系統(tǒng)性冗余兩種。設(shè)備冗余指為防止重要的系統(tǒng)設(shè)備停止而采取增加一套設(shè)備的技術(shù)措施。常見的設(shè)備冗余有UPS雙機(jī)并聯(lián)和UPS雙機(jī)熱備份。雙機(jī)并聯(lián)和熱備份冗余方式僅僅是UPS主機(jī)和電池冗余配置。雙機(jī)設(shè)備雖然互為備用,但設(shè)備不完全獨(dú)立[4]。其他配套件(如防雷器、雙電源自切開關(guān)、旁路隔離變壓器、輸入/輸出開關(guān)、配電柜和連接電纜線等)均不是冗余配置。系統(tǒng)性冗余是指由兩個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)組成互為備用的冗余系統(tǒng)。除核心設(shè)備冗余外,系統(tǒng)供電母線、雙電源自動(dòng)切換開關(guān)、旁路隔離變壓器、UPS主機(jī)和電池、輸入/輸出開關(guān)及其連接電纜線等所有設(shè)備均冗余。系統(tǒng)之間獨(dú)立工作,任意系統(tǒng)故障時(shí),其冗余系統(tǒng)均可互為備用。

3.2 UPS的冗余方式工作原理

3.2.1 雙機(jī)并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)

雙機(jī)并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)由兩臺(tái)具有并聯(lián)控制器的同品牌、同型號(hào)、同功率的UPS組成。兩臺(tái)UPS的主電源輸入來(lái)自一路市電(市電1)。兩臺(tái)UPS的旁路柜電源來(lái)自另一路市電(市電2)。兩臺(tái)UPS的輸出端連在一起輸出至電源分配柜,用于DCS負(fù)載及其他重要負(fù)載的供電。

雙機(jī)并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1 雙機(jī)并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)接線圖

兩臺(tái)UPS并聯(lián)的條件是UPS必須同頻、同相、等幅。因此,每臺(tái)UPS必須配有并聯(lián)控制器,以完成兩臺(tái)UPS之間的均流、同步和管理。當(dāng)兩路市電和兩臺(tái)UPS均正常時(shí),兩臺(tái)UPS均處在逆變供電狀態(tài)。每臺(tái)UPS提供總用電負(fù)載的50%負(fù)荷。當(dāng)雙機(jī)并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)中有一臺(tái)UPS故障時(shí),有故障的那臺(tái)UPS被關(guān)閉,而另一臺(tái)無(wú)故障的UPS則承擔(dān)100%的負(fù)載供電。當(dāng)UPS1和UPS2同時(shí)故障時(shí),并聯(lián)UPS系統(tǒng)切換到旁路,負(fù)載由市電2供電。當(dāng)兩路市電同時(shí)停電時(shí),兩臺(tái)UPS均處在電池供電狀態(tài)。每臺(tái)UPS供總用電負(fù)載的50%負(fù)荷,直至電池均放電到終止電壓時(shí)停機(jī)。這種冗余方式易于實(shí)現(xiàn),適用于負(fù)載容量大的場(chǎng)所。但并聯(lián)控制器、通信部件自身故障對(duì)供電影響較大。

3.2.2 雙機(jī)熱備份冗余UPS系統(tǒng)

雙機(jī)熱備份冗余UPS系統(tǒng)由兩臺(tái)UPS組成。主UPS的主電源輸入來(lái)自市電1,旁路輸入來(lái)自UPS備用機(jī)的輸出。UPS備用機(jī)的輸入來(lái)自市電1,旁路輸入來(lái)自市電2。主UPS輸出至電源分配柜,用于DCS負(fù)載及其他重要負(fù)載的供電。

當(dāng)兩路市電和兩臺(tái)UPS均正常時(shí),負(fù)載由主UPS1供電,旁路UPS2處于備用狀態(tài)。當(dāng)兩路市電正常而主UPS1故障時(shí),主UPS1自動(dòng)切換到旁路,由UPS2為負(fù)載供電。當(dāng)兩路市電和主UPS1正常,而旁路UPS2故障時(shí),UPS2自動(dòng)切換到旁路。這時(shí),主UPS1的旁路輸入電源為市電2。旁路UPS2故障不影響主UPS1對(duì)負(fù)載的正常供電。當(dāng)主UPS1和旁路UPS2同時(shí)故障時(shí),兩臺(tái)UPS同時(shí)切換到旁路,負(fù)載由市電2供電。當(dāng)市電1停電,市電2、主UPS1和旁路UPS2均正常時(shí),主UPS1切換到電池供電狀態(tài),仍由主UPS1為負(fù)載供電。當(dāng)主UPS1的電池放電到下限時(shí),主UPS1自動(dòng)切換到旁路,由旁路為UPS2負(fù)載供電。雙機(jī)熱備份冗余UPS系統(tǒng)接線如圖2所示。

圖2 雙機(jī)熱備份冗余UPS系統(tǒng)接線圖

圖2所示冗余方式可用于負(fù)載負(fù)荷小的場(chǎng)所,但主UPS、旁路靜態(tài)開關(guān)、輸出饋線故障時(shí),可能會(huì)造成意外停電。

3.2.3 單機(jī)雙母線系統(tǒng)性冗余UPS系統(tǒng)

單機(jī)雙母線系統(tǒng)性冗余UPS系統(tǒng)由兩臺(tái)單機(jī)UPS組成。兩臺(tái)單機(jī)UPS相互獨(dú)立地對(duì)負(fù)載供電。兩臺(tái)UPS的主電源和旁路電源的輸入分別來(lái)自市電1和市電2。每臺(tái)UPS的輸出獨(dú)立對(duì)負(fù)載電源輸入端1、輸入端2供電。若負(fù)載不具備供電輸入冗余配置,則必須增加靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(static transfer switch,STS)設(shè)備,且切換時(shí)間須小于5 ms。本文將UPS1的輸出端與STS的輸入端N相連接、UPS2的輸出端與STS的輸入端R相連接、STS的輸出端out與非冗余電源負(fù)載相連接。

當(dāng)兩臺(tái)UPS均正常時(shí),負(fù)載可選擇由其中一臺(tái)UPS供電。當(dāng)一臺(tái)UPS故障停機(jī)時(shí),STS自動(dòng)且不間斷地切換到另一臺(tái)UPS。UPS1供電系統(tǒng)和UPS2供電系統(tǒng)互為冗余備用。單機(jī)雙母線系統(tǒng)接線如圖3所示。

圖3 單機(jī)雙母線系統(tǒng)接線圖

3.2.4 三種冗余方式的比較

雙機(jī)并聯(lián)冗余和雙機(jī)熱備份冗余具有很高的可靠性,平均故障間隔時(shí)間(mean time between failures,MTBF)不低于5×105h。但這兩種方式并沒有消除UPS供電系統(tǒng)的單點(diǎn)瓶頸故障隱患,如整流器、逆變器和STS故障及公共配電母線故障等[5]。冗余方式性能比較如表1所示。

表1 冗余方式性能比較

傳統(tǒng)雙變換架構(gòu)UPS雖然具有高可靠度和極為快速的瞬時(shí)響應(yīng)性的特點(diǎn),但整流器、逆變器在實(shí)際應(yīng)用中故障率較高,單機(jī)應(yīng)用仍無(wú)法滿足重要負(fù)荷對(duì)可靠性的需求。分析表1可知,三種冗余方式在供電可靠性方面均得到提升。但從可靠性、可用性、可維護(hù)性、過載能力及投資成本等方面比較,單機(jī)雙母線系統(tǒng)性冗余UPS系統(tǒng)綜合性能更優(yōu),是中央控制室最佳的供電方式。

3.3 UPS供電方式

中央控制室UPS負(fù)載主要有DCS操作站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)等。針對(duì)UPS負(fù)載特點(diǎn)和用電負(fù)荷,可選擇的供電方式為集中供電和分組供電。集中供電方式需配置一組滿足100%設(shè)計(jì)總負(fù)荷容量的UPS。其具有供電設(shè)備數(shù)量多、種類多、供電范圍大及供電系統(tǒng)故障后造成的影響范圍廣等特點(diǎn)。分組供電可根據(jù)負(fù)載的重要程度、負(fù)載容量的大小劃分兩個(gè)及以上的區(qū)域組。每個(gè)區(qū)域組配置一組50%設(shè)計(jì)總負(fù)荷容量的UPS(假設(shè)分為兩組區(qū)域供電),以降低集中供電帶來(lái)的大面積停電影響。每個(gè)區(qū)域組UPS的冗余方式采用單機(jī)雙母線系統(tǒng)性冗余結(jié)構(gòu)。分組供電可提高供電的可用性,但并不能提高供電的可靠性。可靠性只能通過供電系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

用電設(shè)備供電方式的選擇多種多樣,對(duì)于具備雙電源輸入的設(shè)備,可由不同的兩組UPS分別供電,如交換機(jī)、DCS或安全儀表系統(tǒng)(safety instrumented system,SIS)控制站、服務(wù)器、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)等。單電源輸入的非冗余電源設(shè)備只能接受一路電源供電,并可選擇任意一組UPS供電。但其需在供電輸入回路設(shè)置雙電源STS,以形成冗余供電回路,提高可靠性。STS雖然能實(shí)現(xiàn)電源冗余,但STS串聯(lián),是供電回路中的薄弱環(huán)節(jié)[6]。一旦STS設(shè)備故障,會(huì)直接影響供電可靠性。DCS操作站雖然屬于非冗余電源設(shè)備,但每套裝置都配置一定數(shù)量的備用操作站。操作站的某個(gè)部件失效不足以導(dǎo)致裝置的意外停車。

3.4 UPS功率容量計(jì)算

UPS視在功率計(jì)算應(yīng)根據(jù)實(shí)際負(fù)載總有功功率、功率因素和設(shè)計(jì)余量綜合考慮。UPS的容量選擇過小,會(huì)造成過載能力降低;容量選擇過大,會(huì)造成設(shè)備運(yùn)行效率低、投資成本偏高。視在功率的計(jì)算式如式(1)所示。

(1)

式中:S為視在功率,kVA;cosφ為功率因數(shù);∑Pi為總負(fù)載有功功率之和,kW。

計(jì)算機(jī)負(fù)載的cosφ通常取值0.8。在確定UPS額定視在功率時(shí),應(yīng)根據(jù)其負(fù)載能力考慮裕量系數(shù)和轉(zhuǎn)換效率。UPS比較合理的裕量系數(shù)為1.2～1.5。轉(zhuǎn)換效率與運(yùn)行模式及負(fù)載大小有關(guān),一般在92%～98%。UPS容量由實(shí)際負(fù)載容量、UPS轉(zhuǎn)換效率和裕量系數(shù)決定[7]。UPS容量的計(jì)算式如式(2)所示。

(2)

式中:W為UPS容量,kVA;K為轉(zhuǎn)換效率;J為裕量系數(shù)。

4 其他用電設(shè)備的供電

中央控制室除了需要連續(xù)供電設(shè)備外,還需要大量可中斷的電源負(fù)載,如通風(fēng)空調(diào)機(jī)組、排煙風(fēng)機(jī)、攝像監(jiān)控大屏、辦公生活設(shè)施及正常照明等。應(yīng)急照明系統(tǒng)需配置應(yīng)急電源(emergency power supply,EPS),以滿足市電中斷后持續(xù)疏散照明的需求。門禁系統(tǒng)對(duì)供電的連續(xù)性也有很高的要求。由于門禁系統(tǒng)用電負(fù)荷小,可選擇與其他UPS供電系統(tǒng)共用供電設(shè)備。如門禁系統(tǒng)自身具備斷電開啟的應(yīng)急功能,可選擇由市電直接供電。自帶電池供電的房間智能鎖無(wú)需考慮外部供電方式。通風(fēng)空調(diào)機(jī)組、排煙風(fēng)機(jī)、攝像監(jiān)控大屏、辦公生活設(shè)施等設(shè)備用電負(fù)荷大、可中斷,可直接由雙路供電的低壓配電系統(tǒng)供電。

5 供電方案設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及UPS共用、冗余、獨(dú)立配置等問題。供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要考慮裝置用電規(guī)模的大小,還要根據(jù)裝置的重要程度進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估。不同的UPS冗余方式均可滿足中央控制室對(duì)供電可靠性和可用性的要求。

SIS系統(tǒng)的遠(yuǎn)程輸入/輸出(input/output,I/O)站用于處理輔助操作臺(tái)的按鈕、開關(guān)、指示燈。遠(yuǎn)程I/O站失電將導(dǎo)致裝置聯(lián)鎖停車,從而造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,SIS的遠(yuǎn)程I/O站必須供電可靠,應(yīng)采用UPS供電及雙路供電[8]。控制站應(yīng)具有兩路電源接口。

電信系統(tǒng)不是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。如攝像監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、辦公網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度通信、消防火災(zāi)報(bào)警控制器等設(shè)備變更及日常維護(hù)頻繁,維護(hù)人員對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)的操作要求、網(wǎng)絡(luò)中斷的后果往往不清楚。如果電信系統(tǒng)與自控系統(tǒng)共用同一供電回路,則會(huì)影響自控系統(tǒng)的可用性,但不影響其安全可靠性。根據(jù)以往事故案例,本文建議在供電方案設(shè)計(jì)中,可中斷電源的用電回路不宜接入重要負(fù)荷的配電回路,而應(yīng)分開獨(dú)立配置供電回路,以避免設(shè)備停電或發(fā)生誤操作而影響其他重要設(shè)備的正常運(yùn)行。

6 結(jié)論

本文通過對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)中央控制室不同類型設(shè)備供電設(shè)計(jì)的探討分析,依據(jù)供電負(fù)載對(duì)電源可靠性、可用性的要求,提出主要用電設(shè)備的供電方案設(shè)計(jì)思路及應(yīng)注意的問題。在DCS網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、DCS操作站等UPS冗余方式選擇上,單機(jī)雙母線系統(tǒng)性冗余UPS結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中易于實(shí)現(xiàn)。其可靠性、可用性、可維護(hù)性等性能指標(biāo)完全滿足企業(yè)對(duì)供電的要求,是中央控制室特別重要負(fù)荷的較好供電方式。本文為危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)、存儲(chǔ)企業(yè)的“四區(qū)分離”項(xiàng)目改造和類似項(xiàng)目建設(shè)提供參考。優(yōu)化供電方案設(shè)計(jì)能避免在供電方案設(shè)計(jì)過程中的失誤,從而更好地發(fā)揮中央控制室安全生產(chǎn)的保障作用。