郭庆奎

（中国石油化工股份有限公司天津分公司）

0 引言

随着中国制造的崛起，中国基建力量的强大，“一带一路”项目的实施，中国石化系统到国外自建项目与承揽项目的增多，石化系统生产装置UPS电源应用越来越广泛，不间断电源显得特别重要。石化系统生产装置DCS系统及其他控制系统是比较特殊的，基本上是传感器过来的4～20mA电流信号，对应的生产装置主要为：高温高压以及流量等参数。并对压力容器及管线内的参数进行监控与操作，这些参数是看不见摸不着的，只能通过计算机DCS（分散控制系统）来显示、控制及操作。为保证装置DCS系统的正确运行，给DCS系统提供长期稳定可靠的电源是关键。一旦电源发生故障，管道内和压力容器内所有参数都不能显示，就无法进行操作，很容易发生爆炸和管道堵塞等事故，少则损失几百万，多则达几千万甚至上亿元。除了UPS的本身性能外，可靠的长周期连续稳定的运行方案也是非常重要的。结合在国外实施项目及运行经验，本文提供两个方案：

1）主电源输入增加稳压电源解决UPS输入电压波动及电池频繁启动问题。

2）增加STS静态开关切换装置解决单电源输入的重要设备电源的可靠性问题。

1 工业级UPS与机房UPS的概念

我国目前还没有专门针对工业级UPS的规范，其实应该找专业人士形成应用于工业现场的工业级UPS的国家规范。无论各UPS厂家如何解释，应用于工业现场与机房恒温恒湿现场的UPS基本配置还是差别很大的。一线专业人士针对工业现场的UPS应用环境、技术要求及经验，得出工业级UPS与机房UPS比较大的区别，具体如下：

1）工业型UPS特点。带自动独立静态旁路输入，要求二路独立电源输入。整流器采用12脉冲或6脉冲整流，整流波型谐波大，整机效率较低（93%～94%）。高频商业机房UPS采用IGBT整流（效率高，整流波形失真小，同容量UPS主机体积小，重量轻）。

2）工业型主机内置有输入输出隔离变压器，可以起到电气隔离，消除谐波，杂波，抗干扰、抗雷击及抗短路电流的作用。旁路输入可配置旁路隔离变压器，起到隔离消除高次谐波及提供旁路零线作用。商业高频机没有内置输入输出隔离变压器（个别品牌为应付用户要求只能外置隔离变压器）。

3）工业级UPS所有电气元件设计耐压值、电流值均符合大电流过压及短路要求，过载能力大，有防短路能力强抗雷击的特点，而高频机不具备这些特点，高频机一般适合在环境好，温湿度适合的机房。

4）工业级UPS符合在复杂恶劣的工业环境运行的条件，标准生产或能按用户要求定制。设备可在温度-10℃～+50℃、湿度可达90%以下环境下运行，允许有少量灰尘和导电尘埃环境、防水、防尘IP等级高等特点。高频商业机一般在温度湿度可控的机房内运行，比较脆弱，如在工业现场环境下运行1年多，一般容易出故障。

5）工业型UPS专业设计器件组装有足够的绝缘距离和爬电距离。体积大，重量很重。商业高频机尺寸重量小，其整机效率高达97%～99%。工业级UPS单机原理单线图如图1所示。

图1 工业级UPS单机原理单线图

2 “一带一路”沿线国家项目UPS电源使用问题

“一带一路”沿线国家电网质量普遍不是很好，停电比较频繁，电力供应质量比较差，电压幅值波动比较大。我国石化企业参与建设的尼日利亚丹格特石化公司，苏丹国家石油，埃及石化项目等，DCS及其控制电源选用的UPS主机质量很好，都是国际大品牌，有施耐德、固特、北宁、艾默生、AEG等品牌，但是UPS设备在用户现场运行1年半左右时间，发现UPS主机报警，显示电池故障，无法切换到电池逆变运行，电池寿命也已到期。用户的技术水平达不到维护设备的高度，我们的集成单位只能安排原厂家技术人员到现场测试查找故障原因。结果发现，电池故障，寿命到期或放电时间短是由以下原因造成：非洲国家市电不稳，供电质量较差，电压幅值波动较大，引起UPS主机频繁通过电池逆变带负荷，因为工业级UPS主电源输入电压范围正常为+15%～-15%，超过此范围，改为电池逆变。但是电池的循环放电的次数是有限的，一般为500～600次，如果每天电压波动一次，UPS主机改为电池逆变带载，则1年半内电池的循环使用寿命到期，造成电池损坏，无法充电及供电，UPS主机报警。当真正输入电源消失或大的波动时，UPS无法提供稳定干净纯洁的电源，将导致负载断电，造成极大损失。找到了具体的原因，根据我们以往的UPS运行经验，只要在UPS前段增加1台同容量的稳压电源，而且稳压的范围大于电网的波动值即可。这样UPS的主电源输入端接受到的电源始终是稳定的电源，除非是主电源消失或波动范围大于稳压电源的±40%后，才能真正的让电池逆变供电带负荷。

实例：我国石化企业承担的尼日尼亚丹格特石化项目，UPS设备运行1年半，主机报警，发现电池全部损坏，用户要求解释原因，按照技术协议规定正常情况下电池是3年质保，我方技术人员到现场检测发现，尼日尼亚电网波动大于±20%，白天电压低，晚上电压高，但是施耐德品牌UPS主电源输入电源范围：±15%。当电网波动高于15%或低于15%时都会引起UPS切换到电池逆变供电，导致电池频繁逆变供电，因此在1年半的时间内，将电池的循环使用寿命耗尽。集成商针对此问题给出解决方案，征得用户同意，在此项目UPS上，输入端增加稳压电源，取得了圆满效果，运行稳定了3年，UPS没有任何与电池有关的故障报警。具体配置原理图如图2所示。

图2 主电源输入端加稳压电源单线图

UPS电源主输入端加稳压电源（国内知名品牌），具体参数如下：

1）设备功率：60kVA；

2）额定电流：230A；

3）输入电压：三相380V±40%；

4）输出精度：1%～5%可调，出厂设定±2%；

5）效率：≥98%；

6）反应时间：≤100ms；

7）功率因数：0.88、噪音：＜50DB（1M距离）；

9）频率：50Hz；

10）波形畸变：不产生附加波形畸变（静态）；

11）绝缘电阻：≥2MΩ；

12）工作耐压：2500V电压1min无击穿、无飞弧；

13）稳压时间：输入电压在10%以内波动，稳压时间小于1.2s。

3 针对石化现场单电源负载，加STS静态切换装置

石化装置中的DCS控制电源，可接受2路电源输入，本身带电源切换。采用的是2台UPS双母线分别对DCS供电，基本不采用UPS并联方式给DCS控制系统供电。其他可接受2路电源的设备也采用的是双母线供电方式。其具体供电原理图如图3所示。

图3 供电原理图

在石化运行装置中，有部分特别重要的设备，仅接受1路输入电源，如参与程序控制的PLC，特别重要且必不可少，其供电可靠性也是最高级别。为保证PLC的供电可靠性，采用UPS+STS冗余方案，UPS作为主电源输入，当UPS故障时，STS会在4～5ms内自动切换到市电供电，当然此路市电也可以是另1台UPS输出电源。这样就可以放心地对故障UPS进行维修了，STS本身是UPS内部的一个静态装换开关（单元），但现在国内有厂家如国内某科技公司将此单元单独拿出来作为一个切换装置，生产TOP-II型静态电源切换装置，增加了很多检测和保护功能，其电源切换的可靠性非常高。单电源负载用UPS+STS供电原理图如图4所示。

4 结束语

经过近几年“一带一路”沿线石化项目的建设，我国参建单位及电源厂商也积累了一些UPS运行及电池保护的方案与经验，对单电源负载为增加供电可靠性提供实用简单可靠的方案。方案的实施也确实解决了现场存在的实际问题，也给当地企业带来经济效益，至少挽回了因电源故障带来的损失。

图4 单电源负载用UPS+STS供电原理图