UPS石化行業應用方案
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石化行業生產具有高溫、高壓、易燃、易爆等特點，如果重要裝置的控制儀表突然停電，就可能會造成人員傷害、重大環境污染和較大經濟損失。SH/T3082-2003《石油化工儀表供電設計規范》明確規定：“儀表及控制系統的用電負荷按SH3038‘石油化工企業生產裝置電力設計規范’規定屬于一級負荷中特別重要負荷。這類負荷當供電中斷時，為確保安全停工及處理事故，不致造成設備損壞和人身傷害事故，不致造成重大經濟損失，需要設置UPS。”
一級負荷包括：
安全儀表(聯鎖)系統(SIS);
⑵ 分散型控制系統(DCS)和相關的現場儀表和控制系統;
⑶ 設備包廠商提供的關鍵可編程程序邏輯控制器(PLC)和相關儀表;
⑷ 石油化工生產裝置、重要的共用工程系統及輔助生產裝置的儀表及自動控制系統;
⑸ 綜合壓縮機/透平控制系統(ITCC)以及關鍵的壓縮機組和泵類機組設備包提供的安全儀表;
⑹ 火災及可燃氣體和有毒氣體檢測系統(FGS);
⑺ 與裝置操作和安全相關的重要在線分析儀表。
2 中石化集團公司對UPS系統的要求
由于沒有統一的配置規范規定，各地企業、不同項目采用了多種UPS配置方案，多數方案并不規范，導致由于UPS系統故障導致儀表供電中斷造成生產停工事故頻發。因此集團公司2005年發布了《生產裝置過程控制儀表電源配電系統技術管理規定(暫行)》，并于2006年發布IN212-2006《儀表供電設計規定》。對UPS配電系統提出了如下幾點要求：
電源配置方案選用一般為：兩電源、三電源、逆變電源，其中逆變電源方案僅適用于熱電站及變電站;
系統在負載正常運行后，可以進行UPS離線檢修、蓄電池定期維護工作;
電源系統切換裝置應能實現無擾動切換;
低壓母線的直流饋出回路，需配置隔離及穩壓器;
具備兩路供電的控制儀表，應具備兩路非同期工頻交流電源同時工作的條件。
對UPS的要求：
選用在線式UPS，電源質量符合UPS輸出標準時，其逆變器在熱備用狀態運行，其接線簡單可靠;
UPS容量≤40kVA時，宜采用單相輸出;>40kVA時采用三相輸出。采用三相輸出時，UPS必需具備在短期內各相100%不平衡情況下正常工作的能力;
采用單機運行方式;
采用密封閥控式鉛酸蓄電池，備用時間一般為(15~30)min;
UPS容量按新建系統的1.5倍配置。
3 UPS系統方案設計
3.1 系統構架
如圖1所示，這是石化行業典型的兩電源UPS構架，由兩路電源，一個隔離變壓器、一臺UPS組成。UPS采用雙電源回路輸入，UPS主電源由電源1提供，UPS旁路電源有電源2提供，同時UPS設置一個脫機維修旁路，允許UPS在故障維修或者更換時，系統仍然能夠正常工作。同時DCS系統中的負載分為兩個級別，即一般負載和重要負載，重要負載(一級負荷)由UPS系統直接供電，一般負載(三級負荷)由電源2經隔離變壓器后供電。
⑴ UPS工作原理
UPS由整流器、逆變器、靜態旁路、手動維護旁路、電池組構成。市電正常時，UPS將主回路的交流電整流成直流電，對電池充電，同時由逆變器將直流電重新逆變為與備用電源同頻率同相位的高精度交流電，為負載供電。市電異常或中斷時，電池對逆變器供電，輸出高精度交流電為提供負載工作需求。UPS原理構架如圖2所示。
⑵ 隔離變壓器原理
方案在市電電源2的后端設置隔離變壓器，輸入端采用△型接法，不引入中線，輸出端采用Y型接法。實現輸入與輸出的中性線隔離，減少干擾。
4 UPS的選擇
4.1基本參數選擇
有了合適的系統架構之后，必需根據系統架構選擇一臺合適的UPS。根據集團公司的文件要求，UPS至少滿足下列條件：
輸入電源質量指標：
輸入電壓：三相380V±15%或單相220V±15%;
輸入頻率：50Hz±2.5Hz。
輸出電源質量指標：
輸出電壓：220V±5%;
輸出頻率:50Hz±0.5Hz;
輸出波形失真率:小于5%。
輸出電源瞬間斷電時間應小于等于20ms。
輸出瞬時電壓降小于10%。
輸出諧波失真率：THD3%。
MTBF≥150,000小時.
上述參數對于目前的UPS技術而言，非常容易實現，以臺達NT系列UPS為例。目前該系列UPS能夠達到以下技術規格:
輸入電源質量指標：
輸入電壓：三相380V±25%。
輸入頻率：50Hz±5Hz。
輸出電源質量指標：
輸出電壓：220V±1%。
輸出頻率:50Hz±0.1Hz。
輸出波形失真率:小于3%。
輸出電源瞬間斷電時間應0ms。
輸出瞬時電壓降小于5%。
輸出諧波失真率：THD3%。
MTBF≥300,000小時.
UPS在選擇時，輸入范圍越大越好，寬輸入電壓范圍的UPS能夠更好的適應企業復雜的電網環境，降低UPS的電池放電次數。輸出范圍選擇精度越高越好，同時必需考慮輸出電壓瞬斷時間，越精密的儀器，短暫的瞬斷可能造成設備的誤動作或者數據誤碼，是一種致命的危險。因此UPS宜選擇輸出精度高、0瞬斷的機型。
4.2其它特性選擇
目前節能減排，綠色環保的概念在國內各行業越來越重視，石化行業作為能耗大戶，肩負節能減排的任務尤為重要。由于行業特點，決定了石化行業在選擇UPS時，目前更多的是側重于工頻機，但是工頻工作時整流、逆變器的結構，決定了UPS整機效率偏低，功率因數較低，同時工作時會產生大量諧波。因此，在UPS選擇時，宜考慮選擇效率高、支持ECO模式的UPS主機，同時應該考慮諧波抑制措施。
4.2.1 UPS ECO運行模式介紹
在石化集團公司的《生產裝置過程控制儀表電源配電系統技術管理規定(暫行)》中，明確提到：“電網電源質量符合UPS輸出標準時，其逆變器在熱備用狀態運行”。這里指的熱備用狀態就是指UPS的經濟運行模式(ECO)。即市電正常或者符合設定條件時，用市電直接供電，此時逆變器工作，但是逆變靜態開關不導通，處于熱備份狀態;當市電異常或超出預設范圍時，UPS逆變靜態開關導通，逆變器為負載供電。采用ECO模式時，整流器和逆變器幾乎不消耗能量，整機基本上只有風機的功耗。因此整機效率能從原有的93%左右，提升至97.5%以上。按照一臺100kVA UPS計算，一年可節省近25000度電，按年壽命計算，即可節省數十萬電費，相當于數臺UPS的直接購置金額。
需要注意的是，傳統的ECO模式控制采用不同步切換方式，當旁路電壓與逆變器輸出電壓之間的相位差或瞬態電壓差過大時，在執行切換操作瞬間可能因環流過大引發事故，如燒毀靜態旁路的SCR或逆變器中的IGBT及驅動模組等;或在切換過程中造成切換時間過長。臺達NT系列UPS采用專利的控制方法，提高逆變器鎖相速率。可根據實際負載特性并搭配SCR強制換相控制，設計最佳轉換方法。當UPS鎖相產生相位差時，立即轉換至逆變器供電，避免不鎖相現象發生。
4.2.2 功率因數及諧波改善措施
UPS工作時，必需對輸入進行整流。石化行業一般采用6脈沖或12脈沖整流型UPS。其工作時，會使輸入功率因數降低并產生較大的電流諧波。同時石化工廠電網環境負載，UPS周邊設備一般為精密儀器，對電流諧波干擾較為敏感，諧波大，直接影響了設備采樣量精度，造成設備控制精度不良，影響產品品質及生產安全。另外諧波的存在還會加大企業在變壓器、配電容量、布線線徑方面的負擔。因此，在選擇UPS的同時，必需考慮相應的功率因數及諧波改善措施。目前的主流UPS的改善主要包括移相、無源濾波器、有源濾波器、混合式濾波幾種方案。其中移相是指在6脈沖整流器基礎上，增加一個移相變壓器后再增加一個6脈沖整流器，可以抑制諧波。幾種諧波改善情況如表1所示。
5 結語
憑借多年在石化行業的耕耘以及對石化行業UPS應用需求的了解，目前臺達UPS已經廣泛應用于中國石油、石化等領域，并以其優秀的解決方案、卓越的品質贏得了客戶的贊譽。
參考文獻：
中石化生[2005]531號,關于印發《生產裝置過程控制儀表電源供電系統技術管理規定(暫行)》的通知。
中國石化工程建設標準IN2012-2006《儀表供電設計規定》。
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