1．背景情況

    近年來，隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)增長，化學(xué)工業(yè)也得到快速發(fā)展，化工產(chǎn)業(yè)一方面給我們的社會經(jīng)濟和人民生活水平起到了巨大的提高和促進作用，另一方面也給人民群眾的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了極大的威脅。特別是近年來，許多化工企業(yè)的裝置朝向大型化、連續(xù)化、自動化的方向發(fā)展，易燃、易爆、高溫、高壓、劇毒、腐蝕等特點相當(dāng)突出，生產(chǎn)過程中稍有失誤將會釀成災(zāi)難性事故，造成生產(chǎn)、設(shè)備、人員等多方面不可挽回的重大損失。

    實際上，大型化工企業(yè)工藝流程復(fù)雜、生產(chǎn)聯(lián)系緊密、供電量大且集中，這類企業(yè)往往在企業(yè)內(nèi)部形成相對獨立的6-35KV企業(yè)配電網(wǎng)，其供配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、電力負荷密度大、供電可靠性要求高、設(shè)備絕緣水平參差不齊、使用環(huán)境由于污染腐蝕而較為惡劣。由于這些特點的存在，化工企業(yè)的配電系統(tǒng)較易遭受雷擊、絕緣破壞、操作事故、大容量負荷合閘沖擊的影響，發(fā)生電網(wǎng)電源的波動、脈沖干擾和瞬時中斷等現(xiàn)象，致使生產(chǎn)過程紊亂、產(chǎn)品質(zhì)量波動甚至生產(chǎn)裝置停車，由此造成設(shè)備損壞、環(huán)境污染甚至人身傷亡事故的發(fā)生，對企業(yè)的生產(chǎn)和安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

    UPS作為電網(wǎng)與用電設(shè)備的接口，能有效徹底地消除以上各種電源擾動和短時停電，逐漸成為化工生產(chǎn)裝置中過程控制、現(xiàn)場儀表、消防、通訊設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)電源，作為不可或缺的電力保障和電源凈化設(shè)備正發(fā)揮越來越重要的作用。

    以下是用于液氯化工企業(yè)的電源保護解決方案。

圖表 1液氯生產(chǎn)企業(yè)

圖表 2 液氯泄漏處理現(xiàn)場

2．系統(tǒng)設(shè)備的需求分析

2.1 液氯生產(chǎn)裝置供電需求

    液氯企業(yè)的氯氣泄露，產(chǎn)生的原因主要有三種：

A 、操作人員違章操作；B、生產(chǎn)設(shè)備本身的故障；C、由于斷電斷水造成的化學(xué)反應(yīng)失控。

    其中斷電是最常發(fā)生的一種情況。為了防止斷電造成損失，就需要配置UPS并構(gòu)建可靠的不間斷電源系統(tǒng)。
    根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范（GB50052-95）》，電力負荷應(yīng)根據(jù)對供電可靠性的要求及中斷供電在政治、經(jīng)濟上所造成損失或影響的程度進行分級。符合下列情況之一時，應(yīng)為一級負荷。
(1)中斷供電將造成人身傷亡時；
(2)中斷供電將在政治、經(jīng)濟上造成重大損失時。如重大設(shè)備損壞、重大產(chǎn)品報廢、用重要原料生產(chǎn)的產(chǎn)品大量報廢，國民經(jīng)濟中重點企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)過程被打亂需要長時間才能恢復(fù)等；
(3)中斷供電將影響有重大政治、經(jīng)濟意義的用電單位的正常工作。如重要交通樞紐、重要通信樞紐、重要賓館、大型體育場館、經(jīng)常用于國際活動的大量人員集中的公共場所等用電單位中的重要電力負荷。

    在一級負荷中，當(dāng)中斷供電將發(fā)生中毒、爆炸和火災(zāi)等情況的負荷，以及特別重要場所的不允許中斷供電的負荷，應(yīng)視為特別重要的負荷。

    很明顯，液氯生產(chǎn)裝置的用電負荷應(yīng)視為一級負荷中特別重要的負荷。

2.2 提高電源系統(tǒng)可靠性的四種基本思路

    要提高電源系統(tǒng)的可靠性，通常需要考慮如下四種思路：

A、故障預(yù)防：讓電源系統(tǒng)各單元組件盡可能少出現(xiàn)故障。

B、故障弱化：當(dāng)組件發(fā)生故障時，應(yīng)盡可能減少故障所造成的影響。

C、故障容錯：當(dāng)組件發(fā)生故障時，要能讓負載設(shè)備繼續(xù)運行。

D、在線維修：組件發(fā)生故障后，可以在不停止負載設(shè)備的情況下進行維修。

2.3 UPS電源風(fēng)險分析

    普通UPS供電方案，存在如下潛在風(fēng)險，需要予以解決。

A、UPS本身發(fā)生故障，特別是逆變器故障造成不能帶載。

B、市電停電時間太長，電池沒有足夠的后備延時。

C、電池故障，導(dǎo)致停電時UPS不能應(yīng)急供電。

D、電池容量不足，導(dǎo)致電池實際可供電時間比預(yù)期的時間大大縮短。

E、UPS和電池發(fā)生故障，設(shè)備管理員不能及時知情以采取應(yīng)急措施。

F、在UPS維護過程中，由市電對設(shè)備供電，如果市電斷電，將造成危害。

G、UPS本身沒問題，但由UPS傳輸?shù)皆O(shè)備的過程中，由于電纜線、空開等故障造成中斷。

H、化工環(huán)境帶有一定的腐蝕性，不利于UPS內(nèi)部的器件、材料長時間穩(wěn)定工作。

2.4 UPS電源的選擇

a)選用工藝成熟、性能穩(wěn)定的機型，且應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)的元器件，逆變功率器件應(yīng)采用IGBT。

b)UPS應(yīng)具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力；

1）UPS應(yīng)有較寬的輸入電壓和頻率范圍。范圍小的UPS會頻繁轉(zhuǎn)由電池供電，減少電池的后備時間，而且長期放電對電池壽命明顯不利。

2）UPS應(yīng)有帶油機功能，即UPS在市電長期停電時應(yīng)能由油機供電。油機供電的顯著特點是電壓頻率和波動較厲害，如UPS不能適應(yīng)則可能導(dǎo)致整流器工作不正常甚至損壞。

3）UPS的EMC電磁兼容性要好，免受市電或負載的干擾。

4）由于使用環(huán)境的溫度、濕度和潔凈度可能比較差，要求UPS具備較強的環(huán)境適應(yīng)能力。

c)選用過載能力強，保護功能完善的UPS；

    UPS應(yīng)能帶各種負載，過載能力強，而且保護功能完善。常用的保護功能有：輸出短路保護、過載保護、過溫保護、電池欠壓保護、輸入過壓保護和輸出過壓保護等。

d)選用帶輸出隔離變壓器的UPS；

    UPS帶輸出隔離變壓器大大提高抗負載沖擊能力，而且可以消除來自電網(wǎng)的干擾和尖峰危害。輸出隔離的結(jié)構(gòu)，使得UPS輸出保持較低零地電壓，避免高頻化結(jié)構(gòu)零線高頻電流產(chǎn)生的零地電壓問題，這對于PLC等設(shè)備尤為重要。

e)UPS應(yīng)配用優(yōu)質(zhì)電池

    在市電停電后，UPS靠電池提供后備能量。如果這時電池故障，則供電中斷，系統(tǒng)宕機。大功率UPS一般是數(shù)十只電池串聯(lián)使用，單只電池損壞即有可能造成整組電池不可用。

    電池有一定的使用壽命，壽命終止的電池，不管性能是否還保持良好，都建議全部更換。

f)UPS的雙機或多機熱備份系統(tǒng)

   UPS作為電子設(shè)備，畢竟存在失效的可能，如果UPS發(fā)生故障，將轉(zhuǎn)由旁路供電，其負載將失去保護。對于關(guān)鍵的系統(tǒng)或部門，依靠單臺UPS保護還不夠，一般會采用二臺（或多臺）UPS構(gòu)成冗余備份系統(tǒng)，提高系統(tǒng)供電可靠性。

   對于重要的負載，還可以考慮在負載側(cè)采用一主一從冗余備份供電的方式，解決單一路徑下電纜和空開的單點故障問題，進一完提高可靠性。

g)UPS應(yīng)具備較強的充電能力和電池管理能力

    大功率UPS為了保證后備時間，使用的電池容量較高，因此UPS 應(yīng)根據(jù)電池的物理化學(xué)特性和環(huán)境條件配置適宜的充電回路，并具有足夠的電池再充電能力，保證在較短的時間內(nèi)對電池回充。當(dāng)然UPS的充電器同樣需要較強的電網(wǎng)適應(yīng)能力。

   充電器的充電方式直接影響電池的使用壽命。UPS應(yīng)能提供均充和浮充等自動轉(zhuǎn)換模式。另外，大功率的UPS，還應(yīng)能提供定期的電池測試和放電功能，方便用戶的維護和管理。

h)UPS應(yīng)具備智能化和網(wǎng)絡(luò)化管理功能

    大功率UPS一般和機房計算機設(shè)備分開放置，而且無人值守，因此如何讓設(shè)備管理員及時了解其運行狀態(tài)特別重要。常見的UPS監(jiān)控有四種：

1）通過RS232和電源管理軟件監(jiān)控。在管理員的計算機上運行軟件，對UPS監(jiān)控，但因為RS232的有效距離只有12米，應(yīng)用受到一定限制；

2）通過RS485和遠程監(jiān)控面板。遠程監(jiān)控面板的作用相當(dāng)于把UPS的顯示面板搬到設(shè)備管理員面前，由于操作便捷，實用性強。

3）SNMP管理。這種方式一般是UPS配套SNMP適配器，管理員通過網(wǎng)絡(luò)管理軟件對UPS監(jiān)控管理。

4）WAP管理。這種方式是UPS配套短信息告警器。當(dāng)UPS出現(xiàn)異常狀態(tài)時，可將相關(guān)信息按短信息的形式，發(fā)給預(yù)設(shè)定的手機號碼，提醒相關(guān)人員。

3．液氯工廠主生產(chǎn)設(shè)備的電源保護方案

3.1 主生產(chǎn)設(shè)備的電源需求

    化工廠需要電源保護的主生產(chǎn)設(shè)備，包括有水泵、汽泵、電控閥門、風(fēng)機和鼓風(fēng)機等，它們的負載功率在10～45KW。如下是現(xiàn)場的一些負載設(shè)備：

這些負載設(shè)備，主要有如下特點：

A、呈電感性。設(shè)備內(nèi)部主要有電動機。

B、對電壓的精度要求不是很高，保持在380±10%范圍即可

C、電源中斷的危害很大。

3.2 現(xiàn)場實施的方案

    根據(jù)現(xiàn)場情況，可以考慮科華公司的IPS工業(yè)電源提供電源保護。IPS6000工業(yè)電力電源是科華公司針對工業(yè)應(yīng)用負載及環(huán)境，采用先進技術(shù)制造的新型綠色工業(yè)級交流保護電源，由逆變系統(tǒng)、電池充電系統(tǒng)、維護旁路、控制系統(tǒng)、電池組等組成，具有高效、安全、可靠、綠色環(huán)保等優(yōu)點。

   考慮到工業(yè)環(huán)境對供電可靠性的要求，我們采用1+1的冗余供電系統(tǒng)。

圖表 3 IPS 1+1冗余供電系統(tǒng)

方案說明：

A、在系統(tǒng)的輸入端，采用二路市電和一臺ATS自動轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置，提高前級供電可靠性。當(dāng)市電1正常時，由市電1對負載供電。如果市電1斷電，則ATS在數(shù)秒內(nèi)自動轉(zhuǎn)到市電2供電。只有在市電1和市電2二路電源都斷電、或者中間的切換過程，才由IPS的蓄電池系統(tǒng)供電。

B、采用二臺300KVA的IPS電源和二臺STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，提高后級負載供電可靠性。對于STS1所帶負載，IPS1作為主電源，IPS2作為備用電源；當(dāng)IPS1正常時，由IPS1對后級負載供電。如果IPS1發(fā)生供電故障，則STS1自動切換到IPS2供電，切換時間小于4ms。而對于STS2，IPS2作為主電源，IPS1作為備用電源，同樣由STS2提供切換功能。為了讓每臺IPS可靠工作，IPS均配置TVSS防雷器，免除雷擊和開關(guān)操作產(chǎn)生的瞬間過電壓的侵襲。

C、IPS的電池采用知名品牌蓄電池，后備時間20分鐘。同時采用MMBM2對電池組中的每只電池進行監(jiān)控，如果某個電池出現(xiàn)電壓、溫度異常，MMBM2將自動報警提醒用戶。

D、對IPS的監(jiān)控管理，采用GSM短信息告警的形式。一旦IPS發(fā)生電源斷電、故障等情況，將自動發(fā)短信到預(yù)定的手機號碼，通知管理人員。管理人員也可以隨時發(fā)短信息給GSM告警器，了解IPS的工作狀態(tài)。

3.3 方案優(yōu)點

A、可靠性

   本方案充分體現(xiàn)提高可靠性要求的故障預(yù)防、故障弱化、故障容錯、在線維修四個基本思想。

   IPS專門為電機類負載設(shè)計，采用最新一代DSP控制技術(shù)，關(guān)鍵電路冗余式設(shè)計，較之普通UPS其MTBF值高出12萬小時。

    負載設(shè)備占單機額定功率的70%，而實際每臺IPS所帶負載只有額定容量的30～40%，并作為另外一臺IPS的備用電源，相對于滿載使用，系統(tǒng)的可靠性更高。

    電池作為后備能源，其性能好壞與否直接影響系統(tǒng)可靠性。采用MMBM2對每個電池進行監(jiān)控，及時了解每個電池的運行狀態(tài)，如有問題可預(yù)先處理。

    由于采用冗余供電，市電1、市電2、IPS1和IPS2中，相互之間是獨立工作的，某一項出現(xiàn)問題不會影響供電。

    只要上述四者中有一項功能正常，都可以對負載提供電源。這給出現(xiàn)問題的設(shè)備爭取了寶貴的處理時間。

    采用STS的好處在于，IPS1和IPS2可以隨意地退出系統(tǒng)進行維護，維護過程中可以通電測試，不會對負載設(shè)備產(chǎn)生不良影響。

B、經(jīng)濟性

    IPS的效率高于98%，較之普通的UPS節(jié)省能耗70%以上，這對工廠用電明顯節(jié)省許多開支。

    由于系統(tǒng)具有較強的故障預(yù)防能力，可最大程度地減少由于設(shè)備故障造成的經(jīng)濟損失。

    IPS更高的平均無故障時間（MTBF），可以減少設(shè)備的運行維護成本。

     科華公司遍布全國的服務(wù)網(wǎng)點，為客戶提供快捷、經(jīng)濟的本地化服務(wù)。

C、可擴展性

     由于IPS留有一定的功率余量，如果負載設(shè)備小容量增加，利用現(xiàn)有設(shè)備，可以滿足供電需求。

     IPS具有較強的電池回充能力，可以根據(jù)需求，擴展電池后備延時，由現(xiàn)有的20分鐘擴展成30分鐘甚至更長。

     IPS支持多種選配件，可以擴展多項功能，包括聲光告警裝置、能量反灌處理裝置、穩(wěn)壓器、變頻器、SNMP網(wǎng)絡(luò)適配器等。

D、可管理性

    IPS支持RS232、RS485、干接點、IP網(wǎng)絡(luò)、GSM短信息告警器等多種管理方式，具備很強的管理功能。

    通過MMBM2，可對電池組中的每個電池進行監(jiān)控管理。

4．液氯工廠工業(yè)控制系統(tǒng)的電源保護方案

    隨著化工廠的不斷技術(shù)改進，自動化控制水平有了很大提高。在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常采用DCS控制系統(tǒng)。

    DCS是distributed control system的簡稱，意為集散控制系統(tǒng)，也稱為分布式控制系統(tǒng)，它利用計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、圖形顯示技術(shù)實現(xiàn)過程控制和過程管理。實際應(yīng)用中，常以多臺計算機分布應(yīng)用于生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)，通過通信總線、顯示器、鍵盤等設(shè)備進行操作顯示和報警。

    對于化工企業(yè)而言，DCS控制系統(tǒng)能否連續(xù)穩(wěn)定運行，既關(guān)系到企業(yè)生產(chǎn)的安全可靠運行，也關(guān)系到企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量、企業(yè)社會責(zé)任問題。

    不同的DCS控制系統(tǒng)，其工作的軟硬件不盡相同，但基本都需要一個安全穩(wěn)定的工作電源。由于DCS是24小時連續(xù)工作，依靠單臺UPS提供保護明顯不足，一旦發(fā)生UPS故障，或者UPS往DCS供電的電纜或空開故障，將導(dǎo)致DCS出錯、斷電等情況發(fā)生，迫使生產(chǎn)過程強制停車。

    由于化工廠DCS可靠性的要求，我們推薦采用UPS的雙回路冗余供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高度容錯的能力，可以杜絕單點故障隱患。

圖表 4 UPS雙回路冗余供電系統(tǒng)

    UPS雙回路冗余供電系統(tǒng)，采用2臺三進三出大功率UPS組成“1+1并聯(lián)系統(tǒng)”，作為負載設(shè)備的主電源輸入，1路市電（也可以是另一路UPS）作為負載設(shè)備的備用電源輸入。如方案圖示，對于具備雙交流電源的DCS設(shè)備，可以直接接入二路輸入，分別來自UPS并機系統(tǒng)和市電回路，提高供電保障；對于單電源的DCS設(shè)備，則可其前端配置KTS冗余開關(guān)，利用冗余開關(guān)的冗余配電功能提高供電可靠性。

    KTS冗余開關(guān)屬于小功率的轉(zhuǎn)換開關(guān)，功率有1～6KVA。與STS的三相大功率靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)相比，KTS提供的是單相電源，內(nèi)部采用快速檢測技術(shù)，具備電子開關(guān)和機械開關(guān)，具有切換時間快，低損耗等特征。它具有二個輸入端子，一個輸出端子，只要保證有一路輸入，輸出就不會中斷。

    采用本方案，當(dāng)主回路供電系統(tǒng)供電中斷時，負載設(shè)備切換至由備用電源回路供電；大大提高了DCS的供電可靠性，全面保護整個生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)。