炼化企业UPS安全运行与蓄电池的配置优化

0 前言

UPS( Uninterruptible Power System )，即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。如图1所示。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或仪表DCS、SIS、CCS等其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断( 事故停电 )时, UPS 立即将机内电池的电能,通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。

图1 UPS的组成部分

随着炼油、化工系统智能电气设备的更新换代和工艺控制流程的不断完善，尤其是自动化生产要求不断提高，迫切需要完善、优化UPS运行框架，实现对仪表DCS过程控制系统、SIS安全仪表系统、CCS压缩机控制系统等控制设备的供电可靠性，保证炼化生产的平稳运行从而保证炼化企业免受经济损失，因此 炼化企业UPS最合理的运行构架配置具有非常重要的现实意义。

1 UPS工作原理及工程概况

1.1 UPS工作原理

不间断电源装置，简称UPS，就是当交流电网输入发生异常或中断时，它可以继续向负载或用户供电，并能够保证供电质量，使负载供电不受影响。这种供电装置称为不间断电源装置，或者称为不间断供电系统，简称UPS( Uninterruptible Power System )。依据其向负载提供的是交流还是直流可分为两大类型，即直流不间断供电系统和交流不间断供电系统，人们习惯将交流不间断供电系统简称为UPS.如图2所示。

图2 不间断供电系统

UPS工作原理如图3所示，UPS在正常工作时，市电经过整流变成直流，直流经过逆变，变成交流电输出，在逆变器故障或影响逆变的内部故障时，逆变器的输出和旁路各有一组静态开关，在同步的情况下实现逆变器输出与旁路的不间断切换。而在旁路正常的情况下，逆变器输出始终跟踪旁路，但在旁路异常时，逆变器不跟踪旁路，自振工作。另外，电池直接接到直流母线，主路正常运行时，直流电给电池充电，当主路停电或整流器故障时，电池向逆变器提供直流电，实现不间断向负载输出质量稳定的交流电。

图3 UPS工作原理

1.2 UPS工程概况

目前，市场上销售的UPS种类繁多，按功率分为小功率、中功率、大功率。虽然对UPS需求量越来越大，但是对其要求却越来越高，要满足成本低、可靠性高、小型轻量、高效率、低噪音，抗电网波动能力强，维护简单，结构合理，容量系列宽泛以及电路结构合理等。UPS通常被置于市电电网和负载用户之间，其主要目的是改善对负载的供电质量，并且在市电故障或中断时能保证继续对负载供电，保证用电负载不断电，尤其炼化企业生产的连续性、平稳性决定了仪表DCS、SIS、CCS等其它电力电子设备提供不间断的电力供应必须连续、平稳，因此，选择UPS既经济有安全的运行构架，是当务之急，迫在眉睫。

2 UPS的供电范围和负荷等级

UPS的运行构架的探讨，需要从其供电范围和负荷等级进行研讨，UPS对仪表及控制系统的供电范围：a）过程控制系统（DCS、PLC、FCS等）；b）安全仪表系统（SIS）；c）压缩机控制系统（CCS）；e）机组检测系统（MMS）；f)可燃气体和有毒气体检测报警系统（GDS）；g）在线分析仪系统（PAS）；h）机柜室和控制室安装的各类电子类仪表；i）火灾报警系统；j）现场检测报警仪表及执行元件。

电网用电负荷等级：根据用电负荷在生产过程中的重要性和供电电源的可靠性、连续性要求，生产装置的用电负荷应分为以下几种：a）一级负荷：电源突然中断后，将打乱关键性的连续生产工艺过程，造成重大经济损失，供电恢复需要很长时间才能恢复生产的生产装置以及为其服务的公用工程的用电负荷；b）一级负荷中特别重要的负荷：电源突然中断后，为确保安全停车，避免引起爆炸、火灾、中毒、人身伤亡和关键设备损坏，而不允许中断供电的一级用电负荷；c）二级负荷：电源突然中断后，将造成较大经济损失，供电恢复后，需要较长时间恢复正常生产的生产装置以及其服务的公用工程的用电负荷；e）三级负荷：所有不属于一级、二级的用电负荷。而仪表及仪控制系统DCS、SIS、CCS等供电属于一级负荷中特别重要的负荷，应采用UPS供电，并且仪表及仪表控制系统供电电源的质量指标，包括：交流电源电压、交流频率及波形失真率、直流电源纹波电压、电源瞬断时间、电源瞬断时电压降等，所以UPS供电应高于仪表及仪表控制系统供电的一般要求，因此，UPS供电运行构架的合理配置就尤为重要。

3 UPS运行构架的优化方向

3.1电源输入、输出系统的优化测试

1）方法一：市电电池转换

输出接 50%额定阻性负载，关闭市电输入开关，UPS 自动转蓄电池供电；合上市电输入开关，UPS

自动恢复市电供电；检查 UPS 输出电压波形有无劣化、跳变，记录转换时间。

2）方法二：旁路逆变转换

输出接 50%额定阻性负载，关闭逆变器开关或者用指令方式使 UPS 转静态旁路带载；开启逆变器，

UPS 自动转回市电整流逆变方式带载；检查 UPS 输出电压波形有无明显变化，记录转换时间。

3）方法三：旁路工作

UPS 处于静态旁路状态，然后人工转换到维修旁路，再倒回静态旁路；检查 UPS 输出电压波形有无明显变化？

4）方法四：市电旁路

UPS 处于静态旁路状态，然后人工转换到市电旁路，再倒回静态旁路；检查 UPS 输出电压波形有无明显变化？

通过以上四种供电回路切换测试可知，UPS只有在静态旁路转检修旁路过程中会出现跳变或中断，如表1所示。因此，UPS在这种配置状态下，无论从经济性，还是安全性方面已没有继续优化的必要。

表1 UPS电源输入、输出供电回路切换测试

方法	UPS输入	蓄电池	逆变器	旁路	输出波形
1	关闭	自动转蓄电池供电	继续工作	备用	无劣化、无跳变
	开启	蓄电池自动转市电供电	继续工作	备用	无劣化、无跳变
2	市电供电	正常状态	关闭	UPS 转静态旁路带载	无劣化、无跳变
	市电供电	正常状态	开启	自动转回整流逆变方式带载	无劣化、无跳变
3	关闭	正常状态	关闭	UPS 由静态旁路转检修旁路	有跳变
4	关闭	正常状态	关闭	UPS 由静态旁路人工转市电旁路，再倒回静态旁路	无劣化、无跳变

3.2 UPS蓄电池框架优化   

关于UPS蓄电池最合理的配置构架:

从经济性方面：UPS免维护蓄电池以何贝克为12V-51Ah与12V-100Ah为例：单节12V-51Ah蓄电池市场价为1068元，单节12V-100Ah的蓄电池市场价为1984元，若UPS配置32节100Ah的蓄电池与配置64节50Ah蓄电池,UPS后备输出时间是1个小时，都是一样的,如采用32节100Ah蓄电池的成本是63488元 ，而采用64节50Ah蓄电池成本是68352元 ，一套算下来贵了4864元。

如果使用艾诺斯或其它品牌电池， 蓄电池总容量不变，电池使用2组容量减少一半再并列运行的情况下，价格基本相同，如表2所示可知，经济投入差不多的情况下，两组32节50Ah蓄电池并列运行，与另一组32节100Ah的蓄电池相比，安全性、可靠性大大提高，还可以规避单套蓄电池检修时，市电波动造成UPS输出中断，造成炼油、化工装置停工波动风险。

表2 蓄电池优化配置前后经济性对比

方法	UPS输入		蓄电池1组/2组	蓄电池检修或更换	UPS输出	输出波形
模拟 测试	关闭或掉电		1组	蓄电池检修退出运行	切换旁路	有跳变
	关闭或掉电		2组	1组蓄电池检修退出运行，另1组蓄电池运行	由蓄电池供电	无劣化、无跳变
项目          分组	单组蓄电池容量		蓄电池总容量	电池数量	经济性	安全性
1组100Ah	100Ah		100Ah	32	63488	有风险
2组50Ah并列	50Ah		100Ah	64	68352	可以规避风险
结果		经济投入差不多的情况下，两组50Ah蓄电池并列运行可以规避风险

4 UPS电源系统配置方案

一般规定，UPS输出及控制系统的交流供电一般采用以下四种：

1）单UPS+单套蓄电池单输出回路供电方案，存在输出供电跳跃、间断风险，经济性尚可；

   2）单UPS+双套蓄电池单输出回路供电方案，规避输出供电跳跃、间断风险，经济性尚可；

   3）双UPS+双套蓄电池双输出回路供电方案，规避输出供电跳跃、间断风险，经济支出翻倍；

   4）多UPS+多套蓄电池多输出回路供电方案，规避输出供电跳跃、间断风险，经济支出翻数倍；

   从UPS交流电源供电系统的配置原则，结合电源输入、输出系统的优化框架可知，单UPS+双套蓄电池单输出回路供电方案，规避输出供电跳跃、间断风险，经济性尚可，是UPS优化运行构架最合理的供电配置方案。

5 结束语

通过对UPS电源输入、输出系统的优化测试和蓄电池框架的优化研究，发现为了实现非并联单台UPS 输出系统的供电安全性，在UPS运行期间，无论是市电故障断电波动，还是旁路故障欠压、失压，都能保证UPS输出电压平稳不波动。因此，采用两套UPS并联来实现UPS输出不间断已没有必要，从经济原则方面考虑，这种冗余配置经济支出增加了一倍之多。但是，在蓄电池框架优化配置方面，在经济支出差不多的情况下，以100Ah蓄电池为例，两组50Ah蓄电池并列运行，可以规避单节或蓄电池组检修期间输出断电的风险。

总之，优化UPS运行框架研究，实现对仪表、DCS等控制设备的供电可靠性，保证炼化生产的平稳运行，也为炼化同行或金融、电信等企事业单位提供帮助和借鉴，其应用前景十分广阔。