事故應(yīng)急電源系統(tǒng)在某化工企業(yè)的優(yōu)化配置及應(yīng)用

劉爽(中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

1 事故應(yīng)急電源的重要性

1.1 應(yīng)急電源的分類[1]

(1)獨立于正常電源的發(fā)電機組：包括應(yīng)急燃氣輪機發(fā)電機組、應(yīng)急柴油發(fā)電機組。快速自起動的發(fā)電機組適用于允許中斷供電時間為15 s以上的供電。(2) UPS不間斷電源。適用于允許中斷供電時間為毫秒級的負荷。(3) EPS應(yīng)急電源。適用于允許中斷供電時間為0.25 s以上的負荷。(4)有自動投入裝置的有效地獨立于正常電源的專用饋電線路。適用于允許中斷供電時間1.58或0.6 s以上的負荷。(5)蓄電池。適用于容量不大的特別重要負荷，有可能采用直流電源者。

1.2 選用事故應(yīng)急柴油發(fā)電機的必要性

1.2.1 EPS作為事故應(yīng)急供電電源的現(xiàn)狀

化工裝置事故負荷有動力型負荷及應(yīng)急照明型負荷，原先選用EPS作為事故應(yīng)急電源，存在以下問題：(1)可靠性低：全系統(tǒng)失電的事故情況下，因動力負荷采用蓄電池逆變供電，啟動過程中會發(fā)生電壓跌落過大致使接觸器無法保持吸合狀態(tài)或逆變器因過載關(guān)斷，造成動力負荷啟動失敗。(2)維護工作量大、維護成本高：蓄電池每3～6個月要維護檢查一次，且為保持蓄電池良好的放電特性，每3年需對幾百節(jié)電池進行更換，費用高達幾十萬。EPS內(nèi)部主要為電力電子元器件，一般可靠壽命為8～10年，后期的設(shè)備更新費用也相當可觀。(3)設(shè)備故障率高，EPS經(jīng)常出現(xiàn)采樣盒故障、通訊中斷或程序錯誤等軟硬件問題。上述原因嚴重威脅著裝置大機組輔機在事故情況下的正常運行。

1.2.2 事故應(yīng)急柴油發(fā)電機的優(yōu)勢

(1)容量大。單臺應(yīng)急柴油發(fā)電機容量可達上千千瓦，相較與單臺EPS容量要大的多，可用一臺機組代替零星分布的幾十臺EPS。(2)設(shè)備可靠性高，壽命長。柴油發(fā)電機組與EPS相比較，除了控制器外，幾乎沒有電力電子元器件，因此更為可靠。且事故應(yīng)急系統(tǒng)中柴油發(fā)電機組作為后備式電源，其壽命至少可達20 年。

2 事故應(yīng)急電源系統(tǒng)在本企業(yè)的設(shè)計優(yōu)化配置

2.1 事故應(yīng)急電源系統(tǒng)的一次架構(gòu)

本項目涉及17個裝置共21臺EPS整合，為保障事故應(yīng)急電源系統(tǒng)可靠性，設(shè)置由三路電源供電的獨立事故母線，常用市電電源、備用市電電源分別取自兩個不同變電所，變電所上級選自35 kV不同母線段，盡可能降低事故母線雙路失電可能性。事故母線第三路供電電源采用柴油發(fā)電機供電。

2.2 事故應(yīng)急柴油發(fā)電機容量選擇

本項目中發(fā)電機所載總負荷為348.82 kW，系統(tǒng)中最大單臺電機功率為37 kW。

(1)按穩(wěn)定負荷計算發(fā)電機容量：

式中：SG1為按穩(wěn)定負荷計算的發(fā)電機視在功率(kVA)；P∑為發(fā)電機總負荷計算功率(kW)；η∑為所帶負荷的綜合效率，一般取η∑=0.82～0.88，這里取0.82；cosφ為發(fā)電機額定功率因數(shù)，一般取cosφ=0.8。

(2)按尖峰負荷計算發(fā)電機容量：

式中：SG2為按尖峰負荷計算的發(fā)電機視在功率(kVA)；Kj為因尖峰負荷造成電壓、頻率降低而導致電動機功率下降的系數(shù)，一般取Kj=0.9～0.95，這里取0.95；KG為發(fā)電機允許短時過載系數(shù)，一般取KG=1.4～1.6，這里取1.4；Sm為最大的單臺電動機或成組電動機的啟動容量。

(3)按發(fā)電機母線允許壓降計算發(fā)電機容量：

式中：SG3為按母線運行壓降計算的發(fā)電機視在功率(kVA)；ΔU為發(fā)電機母線允許壓降，一般取ΔU=0.2；Xd′為發(fā)電機瞬態(tài)電抗，一般取Xd′=0.2；Xd′SstΔ為導致發(fā)電機最大電壓降的電動機的最大起動容量(kVA)。

因此，所選柴油發(fā)電機的視在功率不得530.9 kVA。

2.3 雙電源自動切換裝置的分類與選擇

雙電源自動切換裝置可以分為PC級與CB級，兩種有三方面的區(qū)別：(1)設(shè)計理念不同：PC 級采用隔離開關(guān)作為執(zhí)行機構(gòu)，能夠接通和承載但不能分斷短路電流[2]；CB級采用斷路器作為執(zhí)行機構(gòu)，配備過電流脫扣器，它能接通、承載和分斷短路電流。(2)觸頭耐受電流不同：PC級ATSE能承受20及以上的過載電流，觸頭壓力大，不易被熔焊[2]；CB級觸頭壓力小，當負載出現(xiàn)過載或短路時會斷開負載。(3)可靠性不同：PC級安全性高于CB級，爬電距離、電氣間隙也優(yōu)于CB級。

因此特別重要的帶有事故動力型負荷的變電所需選用PC級雙電源切換裝置，其余裝置選用CB級雙電源切換裝置。其次，為防止是事故狀態(tài)下動力型負荷由備用電源供電時，常用電源突然來電，雙電源切換裝置控制器需選用帶有自投不自復功能，事故照明負荷可選用帶自投自復功能的控制器。

3 事故應(yīng)急電源系統(tǒng)的切換邏輯

柴油發(fā)電機在收到啟動信號后到輸出額定功率至少需要10～15 s，為保證各種事故狀態(tài)下母線盡早恢復供電，因此在邏輯上設(shè)置只要檢測到母線失壓，則柴油發(fā)電機立即啟動做好隨時投用的準備。此外，當系統(tǒng)在事故柴油發(fā)電機供電的情況下，即使此時市電恢復供電，ACB1、ACB2、ACB3、ACB4開關(guān)狀態(tài)維持不變，且雙電源切換裝置不動作，待事故動力電源工況允許后人為手動切換，減少頻繁操作對系統(tǒng)的影響。常用市電電源與備用市電電源互為備用，任一電源失電在邏輯控制上相同，下圖1為常用市電電源失電的切換邏輯。

圖1 事故應(yīng)急電源系統(tǒng)常用市電電源失電切換邏輯

負荷設(shè)置分批啟動，優(yōu)先保證事故動力負荷。PC級雙電源切換時間設(shè)置為0 s，CB級雙電源切換時間設(shè)置為30 s。

4 切換試驗及波形

4.1 兩路市電失電，柴發(fā)遠控啟動，事故母線電壓波形

事故應(yīng)急電源系統(tǒng)由常用市電電源供電，備用市電電源在退出狀態(tài)，人為拉開市電電源出線側(cè)電源開關(guān)ACB01，模擬系統(tǒng)失電狀態(tài)，則柴發(fā)控制柜接收到事故母線無壓信號后立即啟動，當出口電壓達到95%額定電壓后，分別延時2 s，合出口斷路器ACB4、ACB3，事故母線上電壓波形如圖2所示。母線電壓從跌落至恢復穩(wěn)定，歷時11.7 s(其中程序內(nèi)部各延時總計6 s)。

圖2 兩路市電失電，柴發(fā)遠控啟動，事故母線電壓波形

4.2 兩路市電失電，柴發(fā)帶最遠端電機啟動，事故母線電壓波形

電源系統(tǒng)由常用市電電源供電，備用市電電源在退出狀態(tài)，人為拉開市電電源出線側(cè)電源開關(guān)ACB01，模擬系統(tǒng)失電狀態(tài)，此時在系統(tǒng)最遠端接一臺37 kW電機空載啟動。母線電壓從跌落至恢復穩(wěn)定，歷時11.8 s，電機啟動過程電壓跌落A相195 V、B相185 V、C相184 V，電機啟動電流A相152 A、B相162 A、C相167 A。兩路市電失電，柴發(fā)帶最遠端電機啟動，事故母線電壓波形如圖3所示。

圖3 兩路市電失電，柴發(fā)帶最遠端電機啟動，事故母線電壓波形

5 結(jié)語

改進后的事故應(yīng)急電源系統(tǒng)，經(jīng)過4年多的考驗，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。柴油發(fā)電機帶事故負荷運行，啟動成功率及可靠性較以往的動力EPS有大幅提升。集中供電的模式，相較分布式的EPS供電方式，在日常維護中節(jié)省了定期測試、更換蓄電池、更換電力電子器件的大量人工成本與設(shè)備成本。通過對應(yīng)急電源系統(tǒng)的改進與完善，提升了整個應(yīng)急系統(tǒng)的備用可靠性。