FPSO的UPS系統及其蓄電池的設計

慈宏波，魏加旺，李宏偉

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

FPSO主要用于接收來自海底油田生產的油氣，并配備工廠設施來處理這些油氣流體，穩定它們，并將產出的水和天然氣分離。加工過的液體被計量，儲存在船舶貨物儲罐中，并卸載到穿梭油輪中。

產生出的氣體經過CO和HS移除、壓縮、脫水后，用作FPSO的燃料氣和海底生產井的提升氣。多余的天然氣通過天然氣管道出口輸送到石油公司的天然氣管道系統中，或重新注入儲罐。氣體處理過程中流出的CO應被壓縮，以便將其排入儲罐中。采出的水將按照CONAMA的要求進行舷外處理。

這些生產處理流程和消防系統等的所有數據和信息都由中控系統和消防系統來控制、處理、分析、儲存；為確保供電的穩定性，避免失控或重大事故，UPS系統可以為負載提供不間斷電源。此外，UPS系統還能避免一些大的感性及容性負載、開關電源等負載在失電情況下可能反向作用于電網，造成電網電壓的波形畸變以及頻率漂移等情況。UPS系統可以避免并保持清潔的供電系統。

1 UPS系統的結構形式

UPS不間斷電源（uninterruptible power supply）主要由整流器、逆變器、靜態開關、變壓器和蓄電池組成。

1）隔離變壓器

旁通回路隔離變壓器的作用：

（1）將440 V交流三相電源轉換成230 V單相交流電源；

（2）消除和隔離交流輸入電源的多次諧波，降低交流輸入電壓的波形畸變度。

2）旁路開關

旁路開關是UPS系統的重要組成部分，在以下2種情況下UPS處于旁路狀態：

（1）當負載超載、短路（實際上可以認為是一種嚴重的超載）或者逆變器故障時，為了保證不中斷對負載的供電，旁路開關動作，由主電源通過隔離變壓器和穩壓電源向負載供電。

（2）維修或測試時，為了安全操作，將維修旁路開關閉合，由主電源通過隔離變壓器和穩壓電源向負載供電，將UPS隔離。這種切換可保證在UPS檢修或測試時對負載供電。

3）靜態開關

靜態開關為無觸點開關，由晶閘管開關器件構成。所謂電子式靜態轉換開關，是將一對反向關聯的快速晶閘管連接起來，由于快速晶閘管的接通時間為微秒級，因此可以對負載實現轉換時間為零的不間斷供電。

4）蓄電池

當主電源正常時，UPS的整流充電器為蓄電池充電，將電能轉換為化學能。主電源中斷后，蓄電池將化學能再轉換為電能，為逆變器和重要負載提供必要的能量。蓄電池是UPS系統中的一個重要儲能元件。

典型圖1的UPS系統主要由2個獨立的UPS（2套獨立的整流充電器和逆變器回路）和1個旁通回路、蓄電池組、靜態轉換開關及配電盤組成。如果一個整流/逆變回路發生故障或維修的話，另一個整流/逆變回路仍然能在電源不中斷的情況下，向負載提供連續電源。如果2個整流/逆變回路都發生故障或維修的話，仍然能通過帶有隔離變壓器和電壓調節器的旁通回路向負載供電。

圖1 UPS典型示意圖1

典型圖2的UPS系統主要由2路獨立的UPS供電：一路整流充電器和逆變器回路、蓄電池組，另一路通過旁通變壓器向負載供電。靜態開關是UPS系統內幾路電源相互轉換的開關裝置。如整流/逆變回路發生故障或維修的話，另一路應急電源經過變壓器直接向負載供電。如果都發生故障或維修的話，仍然能通過手動旁通轉換開關，通過帶有隔離變壓器的一路向負載供電。

圖2 UPS典型示意圖2

UPS的2個輸入端的交流電源通常一個連接到應急配電系統，另一個輸入電源可以連接到正常440 V配電系統，規范和標準對UPS輸入電源沒有明確的規定。UPS旁通回路的輸入電源連接到應急配電盤。正常情況下，UPS將來自主電源的交流電源經整流充電器轉換為直流電，再由逆變器逆變為工頻交流電供給負載。整流充電器的輸出與蓄電池并聯連接。UPS正常工作時，蓄電池處于浮沖狀態，UPS系統的負載由UPS的主回路供電。交流電源中斷后，UPS系統的蓄電池組經逆變器向負載提供必要的電能。

2 UPS系統的設計

UPS系統設計主要包括UPS總單線圖、編制UPS系統的負荷計算書、UPS系統的系統圖等，此外還包括蓄電池計算、氫氣釋放量計算等。

2.1 UPS容量的確定

UPS容量確定，主要是依照UPS的負載清單，將需要UPS系統供電的設備額定功率，一一統計到負載清單中并累加，從而選擇合適容量的UPS。

UPS負載清單用于整理UPS配電板上的負載數量和分布情況，以利于UPS廠家進行UPS設計，內容包括負載的編號、名稱、功率、斷路器框架值、應急切斷、電纜類型等信息。對于UPS系統的設計，負載清單是基礎，UPS廠家也是依照該負載清單選取UPS的各原器件。船廠需對UPS系統的負載清單進行實時維護，以及查看UPS的負載使用率。

如圖3所示FPSO項目其中一個220 kVA UPS負載清單，依照實際負荷統計，最終選用UPS容量為220 kVA。

圖3 UPS系統負載清單

下面對UPS系統的蓄電池容量進行計算。

蓄電池容量計算方法參考IEEE 485—1997，以下是FPSO項目中一個220 kVA UPS蓄電池計算實例。

基本參數如表1所示。計算參數如表2所示。

表1 UPS基本參數

蓄電池單體數量

N

按式（1）計算，得蓄電池單體數量為174塊。

表2 UPS基本參數

式中：

V

為最小設計DC電壓，V；

V

為終止放電電壓，V。蓄電池最大放電電流

I

按式（2）計算，得538.03 A。

式中：

C

為蓄電池容量，Ah；

V

為選用的標稱DC電壓，V；

P

為功率因數；

F

為逆變器效率。

蓄電池尺寸/容量計算方式，按照IEEE 485進行選取，所需要的Ah容量見表3。

表3 蓄電池容量計算方式

蓄電池選取容量

C

按式（3）計算，

C

為1×100%，即588 Ah。

式中：

C

為蓄電池計算容量，

C

=430 Ah；

K

為設計裕度系數，取1.10；

K

為溫度修正系數，45℃時

K

取1.08；

K

為老化因子，取1.15。

蓄電池的選擇參考鉛酸蓄電池，AGM 型目錄終端電壓在 1.75 伏/塊，選擇品牌：LEADLINE；蓄電池型號：EVF 150；額定容量（C10）：150 Ah；總容量（C10）：600 Ah；蓄電池單體數量：174塊；4組并聯。

UPS選擇型號：NP4033-220；主AC電源：440（1±6%或?10%）V AC，60 Hz，3相，3線；旁通AC 電源：440（1±6%或?10%）V AC，60 Hz，3相，3線；交流輸出電源：220（1±1%）V AC，60 Hz，3相，3線；DC電壓：348 V。

2.2 UPS系統的蓄電池氫氣釋放量計算

規范對于蓄電池儲存的要求如表4所示。

表4 蓄電池儲存空間及場所要求

如果電池在相同的充電條件下釋放的 H比標準鉛酸蓄電池更少，則被認為是低氫排放蓄電池LHE。

如LHE蓄電池連接到大于2 kW功率的充電機，提供H計算書，說明在該充電功率下H的釋放量不超過標準鉛酸蓄電池在2 kW以內充電機的H釋放量，則該LHE蓄電池可以依照≤2 kW方案進行布置。

同理，LHE蓄電池連接到0.2 kW≤P≤2 kW充電機，提供H計算書，說明在該充電功率下H釋放量不超過標準鉛酸蓄電池在≤0.2 kW 以內充電機的H釋放量，則該LHE蓄電池可以依照≤0.2 kW的方案進行布置。

對于LHE蓄電池的此類布置，應布置銘牌，告知維護人員，任何替換的電池均應為LHE類型。

目前 UPS系統采用的蓄電池大多采用閥控鉛酸式免維護蓄電池，屬于LHE蓄電池，所以有必要要求廠家根據UPS系統采用的蓄電池塊數、充電功率提供在各種充電狀態下氫氣釋放量計算書。

3 結論

通過對FPSO的UPS系統進行分析和實船驗算，詳細剖析了UPS系統的作用、配置要求及設計。同時還需要考慮船東規格書和船級社對各個系統UPS電源的要求，如供電時間、冗余度等因素。由于應用UPS的系統較多，在實際的設計過程中，需要隨時更新完善負載清單，并檢測UPS的使用容量。