台达UPS石化行业应用方案

      摘要：本文参考中石化集团相关规范及规定，就石化行业生产装置仪表供电系统中的UPS选型配置进行探讨，提出一套符合石化行业总一级负荷供电要求的UPS配置方案。

     石化行业生产具有高温、高压、易燃、易爆等特点，如果重要装置的控制仪表突然停电，就可能会造成人员伤害、重大环境污染和较大经济损失。SH/T3082 -2003《石油化工仪表供电设计规范》明确规定：“仪表及控制系统的用电负荷按SH3038‘石油化工企业生产装置电力设计规范’规定属于一级负荷中特别重要负荷。这类负荷当供电中断时，为确保安全停工及处理事故，不致造成设备损坏和人身伤害事故，不致造成重大经济损失，需要设置UPS。”

一级负荷包括：

Ø     安全仪表（联锁）系统（SIS）。

Ø     分散型控制系统（DCS）和相关的现场仪表和控制系统。

Ø     设备包厂商提供的关键的可编程程序逻辑控制器(PLC)和相关仪表。

Ø     石油化工生产装置、重要的共用工程系统及辅助生产装置的仪表及自动控制系统。

Ø     综合压缩机/透平控制系统（ITCC），以及关键的压缩机组和泵类机组设备包提供的安全仪表。

Ø     火灾及可燃气体和有毒气体检测系统(FGS)。

Ø     与装置操作和安全相关的重要在线分析仪表。

       由于没有统一的配置规范规定，各地企业、不同项目采用了多种UPS配置方案，多数方案并不规范，导致由于UPS系统故障导致仪表供电中断造成生产停工事故频发。因此集团公司2005年发布了《生产装置过程控制仪表电源配电系统技术管理规定（暂行）》，并于2006年发布IN212-2006《仪表供电设计规定》。对UPS配电系统提出了如下几点要求：

           i.              电源配置方案选用一般为：两电源、三电源、逆变电源。其中逆变电源方案仅适用于热电站及变电站。

          ii.              系统在负载正常运行后，可以进行UPS离线检修、蓄电池定期维护工作。

        iii.              电源系统切换装置应能实现无扰动切换。

      iv.              低压母线的直流馈出回路，需配置隔离及稳压器。

        v.              具备两路供电的控制仪表，应具备两路非同期工频交流电源同时工作的条件。

对UPS的要求：

I.     选用在线式UPS，电源质量符合UPS输出标准时，其逆变器在热备用状态运行，其接线简单可靠。

II.   UPS容量≤40KVA时，宜采用单相输出；＞40KA时采用三相输出。采用三相输出时，UPS必需具备在短期内各相100%不平衡情况下正常工作的能力。

III.              采用单机运行方式。

IV.              采用密封阀控式铅酸蓄电池，备用时间一般为15~30MIN。

V.  UPS容量按新建系统的1.5倍配置。

3.1 系统构架

图一 两电源的系统构架

         如图一所示，这个是石化行业典型的两电源的UPS构架，由两路电源，一个隔离变压器、一台UPS组成。UPS采用双电源回路输入，UPS主电源由电源1提供，UPS旁路电源有电源2提供，同时UPS设置一个脱机维修旁路，允许UPS在故障维修或者更换时，系统仍然能够正常工作。同时DCS系统中的负载分为两个级别，即一般负载和重要负载，重要负载（一级负荷）由UPS系统直接供电，一般负载（三级负荷）由电源2经隔离变压器后供电。

3.1.1 UPS工作原理

         UPS由整流器、逆变器、静态旁路、手动维护旁路、电池组构成。市电正常时，UPS将主回路的交流电整流成直流电，对电池充电，同时由逆变器将直流电重新逆变为与备用电源同频率同相位的高精度交流电，为负载供电。市电异常或中断是，电池对逆变器供电，输出高精度交流电为提供负载工作需求。UPS原理构架如图二所示。

图二 UPS工作原理图

3.1.2 隔离变压器原理

     方案在市电电源2的后端设置隔离变压器，输入端采△型接法，不引入中线，输出端采用Y型接法。实现输入与输出的中性线隔离，减少干扰。

       有了合适的系统架构之后，必需根据系统架构选择一台合适的UPS。根据集团公司的文件要求，UPS至少满足下列条件：

a)      输入电源质量指标：

输入电压：三相380V±15%或单相220V±15%。

输入频率：50HZ±2.5HZ。

b)      输出电源质量指标：

输出电压：220V±5%。

输出频率: 50HZ±0.5HZ。

输出波形失真率: 小于5%。

c)      输出电源瞬间断电时间应小于等于20mS。

d)      输出瞬时电压降小于10%。

e)      输出谐波失真率：THD<3%。

f)      MTBF≥150,000小时

       上述参数对于目前的UPS技术而言，非常容易实现，以台达NT系列UPS为例。目前该系列UPS能够达到以下技术规格。

a)      输入电源质量指标：

输入电压：三相380V±25%。

输入频率：50HZ±5HZ。

b)      输出电源质量指标：

输出电压：220V±1%。

输出频率: 50HZ±0.1HZ。

输出波形失真率: 小于3%。

c)      输出电源瞬间断电时间应0mS。

d)      输出瞬时电压降小于5%。

e)      输出谐波失真率：THD<3%。

f)      MTBF≥300,000小时

    UPS在选择时，输入范围越大越好，宽输入电压范围的UPS,能够更好的适应企业复杂的电网环境，降低UPS的电池放电次数。输出范围选择精度越高越好，同时必需考虑输出电压瞬断时间，越精密的仪器，短暂的瞬段可能造成设备的误动作或者数据误码，是一种致命的危险。因此UPS宜选择输出精度高、0瞬断的机型。

       目前节能减排，绿色环保的概念在国内各行业越来越重视，石化行业作为能耗大户，肩负节能减排的任务尤为重要。由于行业特点，决定了石化行业在选择UPS时，目前更多的是侧重于工频机，但是工频工作时整流、逆变器的结构，决定了UPS整机效率偏低，功率因数较低，同时工作时会产生大量谐波。因此，在UPS选择时，宜考虑选择效率高、支持ECO模式的UPS主机，同时应该考虑谐波抑制措施。

       在石化集团公司的《生产装置过程控制仪表电源配电系统技术管理规定（暂行）》中，明确提到：“电网电源质量符合UPS输出标准时，其逆变器在热备用状态运行”。这里指的热备用状态就是指UPS的经济运行模式（ECO）。即市电正常或者符合设定条件时，用市电直接供电，此时逆变器工作，但是逆变静态开关不导通，处于热备份状态；当市电异常或超出预设范围时，UPS逆变静态开关导通，逆变器为负载供电。采用ECO模式时，整流器和逆变器几乎不消耗能量，整机基本上只有风机的功耗。因此整机功率能从原有的93%左右，提升至97.5%以上。按照一台100KVA UPS计算，一年可节省近25000度电，按照十年寿命计算，即可节省数十万电费，相当于数台UPS的直接购置金额。

    需要注意的是，传统的ECO模式控制采用不同步切换方式，当旁路电压与逆变器输出电压之间的相位差或瞬态电压差过大时，在执行切换操作瞬间可能因环流过大引发事故，如烧毁静态旁路的SCR或逆变器中的IGBT及驱动模组等；或在切换过程中造成切换时间过长。台达NT系列UPS采用专利的控制方法，提高逆变器锁相速率。可根据实际负载特性并搭配SCR强制换向控制，设计最佳转换方法。当UPS锁相产生相位差时，立即转换至逆变器供电，避免不锁相现象发生。

       UPS工作时，必需对输入进行整流。石化行业一般采用6脉冲或12脉冲整流型UPS，其工作时，会使输入功率因数降低并产生较大的电流谐波。同时石化工厂电网环境负载，UPS周边设备一般为精密仪器，对电流谐波干扰较为敏感，谐波大，直接影响了设备采样量测精度，造成设备控制精度不良，影响产品品质及生产安全。另外谐波的存在还会加大企业在变压器、配电容量、布线线径方面的负担。因此，在选择UPS的同时，必需考虑相应的功率因数及谐波改善措施。目前的主流的UPS的改善主要包括移相、无源滤波器、有源滤波器、混合式滤波几种方案。其中移相是指在6脉冲整流器基础上，增加一个移相变压器后再增加一个6脉冲整流器，可以抑制谐波。机种谐波改善情况如下表所示：

序号	UPS 整流器构架	改善前		改善方案	改善后
		功率因数	电流谐波		功率因数	电流谐波
1	6脉冲	0.75	≤30%	无源滤波器	≥0.9	＜10%
				有源滤波器	≥0.95	＜5%
2	12脉冲	0.8	≤10%	无源滤波器	≥0.95	＜5%
				有源滤波器	≥0.95	＜3%
3	6脉冲/12脉冲	N/A		混合滤波器	≥0.99	＜3%

       台达NT系列UPS是一款是专为大型用户所设计的高可靠工业型UPS。主要面向通信、制造业、铁道、石化、政府、金融等领域。

Ø        UPS采用双变换在线式结构设计，输入端可做双回路供电，支持冗余联和串联热备份并机方式。

Ø        整流器采用宽输入电压范围设计，提高UPS对电网适应能力，减少电池放电频率。

Ø        逆变器采用先进的IGBT高频正弦波脉宽调制设计，使UPS供电质量好、效率高、热损耗小、噪音低、体积小及寿命长。

Ø        支持ECO经济输出模式，提高整机运行效率

Ø        整机采用模组化构架，大幅度降低平均修护时间（MTTR），使维护工作更简便。

Ø        借由微处理器的数字化设计，简化复杂的模拟线路及大量减少零件数目，使系统更为安全可靠。

Ø        优化散热结构，采用智能风扇控制技术，降低UPS噪音，缩小UPS安装空间需求。

Ø        可选SNMP/RS232/RS485智能通信方式，同时提供20选6的干接点输出。

Ø        可提供多种功率因数及谐波改善方案。

      凭借多年在石化行业的耕耘，以及对石化行业UPS应用需求的了解，目前台达UPS已经广泛应用于中国石油、石化等领域，并以其优秀的解决方案、卓越的品质赢得了客户的赞誉。

       参考文献：

【1】    中石化生[2005]531号，关于印发《生产装置过程控制仪表电源供电系统技术管理规定（暂行）》的通知。

【2】    中国石化工程建设标准 IN2012-2006 《仪表供电设计规定》。