事故氯裝置用EPS電源的選型及應用

張春嚴

(河南神馬氯堿化工股份有限公司，河南 平頂山 467200)

河南神馬氯堿化工股份有限公司(以下簡稱“河南神馬氯堿股份”)2014年6月實施異地搬遷建設，2016年6月在葉縣新廠區(qū)實現(xiàn)一次開車成功，達到了22萬t/a離子膜法燒堿、7 000萬m3/a氫氣的生產規(guī)模。

河南神馬氯堿股份的電源為雙回路110 kV進線，來自葉縣220 kV變電站不同間隔。線路接至110 kV GIS后，送至110 kV主變壓器，經(jīng)降壓后轉換為35 kV電壓等級和10 kV電壓等級，分別送至35 kV供電系統(tǒng)和10 kV供電系統(tǒng)。來自鄰近企業(yè)發(fā)電機組的10 kV保安電源，引入河南神馬氯堿股份待用。當河南神馬氯堿股份市電供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，10 kV保安電源反送至公司10 kV供電網(wǎng)絡，為其主要生產裝置提供動力和照明設備用電。

河南神馬氯堿股份事故氯裝置是用配制好的質量分數(shù)為12%～15%的燒堿溶液在兩級事故氯吸收塔內循環(huán)，吸收電解、氯氫處理、鹽酸、液氯等生產裝置在事故狀態(tài)下輸送過來的氯氣及開停車過程中產生的不合格氯氣，是防止氯氣泄漏的重要的安全環(huán)保配套裝置。在項目設計時，為保障該裝置的安全穩(wěn)定運行，特別是在生產裝置事故狀態(tài)下的可靠運行，根據(jù)GB/T 31856—2015《廢氯氣處理處置規(guī)范》[1]和GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》[2]，需要在供電系統(tǒng)設置具有自投、自復功能的應急電源系統(tǒng)—EPS電源系統(tǒng)。

1 EPS主機的選型及計算

1.1 EPS電源的分類、組成及工作原理

EPS電源有很多分類方法。

(1)按配帶負載類型分為3類：照明型EPS電源、照明/動力混合型EPS電源和動力型EPS電源。

(2)按應急輸出的電源性質分為兩類：直流型EPS應急電源和逆變型EPS應急電源。

(3)按輸出相數(shù)分為3類：單相型EPS電源(一般為小功率型)、三相型EPS電源(包括三相照明型、照明/動力混合型、動力型)和照明用途的三相/單相型EPS電源，也俗稱假三相型(市電狀態(tài)下輸出為三相，逆變狀態(tài)下輸出為單相的3N路)。

EPS應急電源采用單體逆變技術,集充電器、蓄電池、逆變器及控制器于一體。系統(tǒng)內部設計了電池檢測、分路檢測回路,其他主要部件的工作原理如圖1所示。

圖1 EPS工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of EPS work

由圖1可見：當市電(主電)正常時，市電通過KM1給負載供電，同時充電器為蓄電池充電。當市電掉電或市電相電壓過低時，蓄電池組的直流電能通過逆變器和KM2給負載供電。當市電恢復時，蓄電池組即停止應急供電，重新由市電為負載供電。

1.2 事故氯裝置須接入EPS應急電源系統(tǒng)的設備

事故氯裝置接入EPS應急電源系統(tǒng)的設備清單如表1所示。

表1 事故氯裝置接入EPS應急電源系統(tǒng)的設備清單Table 1 Equipment needing to connect with EPS in accident chlorine plant

1.3 EPS 應急電源主機選型功率常用計算方法[3]

1.3.1 負載容量選型原則

因電動機的啟動沖擊， 與其配用的集中應急電源容量按以下容量選配。

(1)電動機變頻啟動時， 應急電源容量可按電動機容量的1.2倍選配。

(2)電動機軟啟動時， 應急電源容量應不小于電動機容量的2.5倍。

(3)電動機 Y-△啟動時， 應急電源應不小于電動機容量的3倍。

(4)電動機直接啟動時，應急電源容量應不小于電動機容量的5倍。

(5)混合負載中，最大電動機的容量應小于總負載容量的 1/7。

1.3.2 選型容量計算方法

帶混合負載時，EPS容量計算方法有如下兩種。

(1)當EPS帶多臺電動機且同時啟動時，EPS 容量計算應遵循如下原則：

EPS容量=變頻啟動電動機功率之和+軟啟動電動機功率之和×2.5+Y-△啟動機功率之和×3+直接啟動電動機之和×5。

(2)當EPS帶多臺電動機且分別單臺啟動時(不是同時啟動)，EPS容量計算應遵循如下原則：

EPS容量=各個電動機功率之和。

1.3.3 EPS容量=各電動機功率之和的條件

(1)上述電動機中直接啟動的最大單臺電動機功率是EPS容量的1/7。

(2)Y-△啟動的最大單臺電動機功率是EPS容量的1/4。

(3)軟啟動的最大單臺電動機功率是EPS容量的1/3。

(4)變頻啟動的最大單臺電動功率不大于EPS的容量。

(5)如果不滿足上述條件，則應按上述條件中的最大數(shù)調整EPS的容量。電動機啟動時的順序為直接啟動在先，其次是Y-△的啟動，有軟啟動的再啟動，最后是變頻啟動的再啟動。同時，啟動的所有負載的功率之和=同時啟動的非電動機總功率×功率因數(shù)+電動機當量總功率。

1.3.4 河南神馬氯堿股份選用的電源系統(tǒng)

結合上述選型原則及計算要求，河南神馬氯堿股份事故氯裝置所帶負載既有變頻動力設備，又有直接啟動動力設備，屬于混合負載。

則：EPS容量=變頻電動機啟動功率之和+

直接啟動電動機之和×5=

7.5×1.2+(7.5+7.5+7.5)×5=

121.5(kW)。

考慮容量適當備用，主機容量選為132 kW，所以河南神馬氯堿股份最終選用了YJS-132 kW動力型EPS電源系統(tǒng)。

2 EPS應急電源系統(tǒng)蓄電池組的計算

蓄電池容量的概念：YD/T799-2002標準定義，蓄電池容量(Q)是在標準環(huán)境溫度下(25 ℃)，電池在給定時間指定終止電壓時，可提供的恒定電流(0.1C/10 A)與持續(xù)放電時間(10 h)的乘積(I·t)。

根據(jù)電功率的定義：

Ia=P/U。

其中：Ia為蓄電池的最大放電電流，A；P為EPS電源的標稱功率， kW；U為EPS電源的標稱電壓(EPS電池的電壓以單節(jié)12 V計)，V。

2.1 電流的計算

蓄電池的最大放電電流：

Ia=P·cosφ/(η·E臨界·N)。

其中：

Ia為蓄電池的最大放電電流；

P為EPS電源的標稱功率， kW；

cosφ為EPS電源的輸出功率因數(shù)(EPS電源一般為1)；

η為EPS電源逆變器的效率，一般為88%～94%(實際計算中可以取90%)；

E臨界為蓄電池組的臨界放電電壓，V(12 V電池的臨界放電電壓約為10.5 V,2 V電池的臨界放電電壓約為1.7 V)；

N為每組蓄電池的數(shù)量(供電電壓為380 V，所以用了3組電池，每組電池33塊，共用了99塊)。

則：Ia=P·cosφ/(η·E臨界·N)

Ia=132 000×1÷(90%×10.5×33×3)

=142(A)。

2.2 電池容量的計算

筆者根據(jù)事故氯裝置的設計要求，按下式計算蓄電池的容量：

Q=Ia·t。

其中：

Q為蓄電池的容量，A·h；

t為持續(xù)放電時間，h。

當市電故障時，EPS應急電源蓄電池組投入供電，蓄電池電量儲備時間不小于30 min，所以計算量按45 min即0.75 h計。

Q=Ia·t

Q=142×0.75=107(A·h)。

選擇蓄電池的容量應不小于107 A·h。

最后，河南神馬氯堿股份選擇蓄電池的容量為113 A·h，99節(jié)。

3 事故氯供電系統(tǒng)[4]

河南神馬氯堿股份事故氯裝置供電系統(tǒng)見圖2。

圖2 河南神馬氯堿股份事故氯裝置供電系統(tǒng)Fig.2 Power supply system for accident chlorine plant used in Henan Shenma Chlor-Alkali

河南神馬氯堿股份事故氯裝置主要設備由2個一級吸收塔、1個二級吸收塔、6個堿液循環(huán)槽、6臺堿液循環(huán)泵和2臺事故氯風機組成。

2個一級吸收塔并聯(lián)運行，一級吸收塔與二級吸收塔串聯(lián)運行。來自電解、氯氫處理、鹽酸、液氯等生產裝置的廢氣進入串聯(lián)的兩級吸收塔，使用質量分數(shù)為12%～15%的燒堿溶液循環(huán)吸收，吸收后的達標廢氣經(jīng)事故氯風機引出排空。

事故氯裝置的泵及風機均采用EPS電源作為應急電源，應急電源采用密封的鉛酸蓄電池儲存能量，滿負荷帶載可供電45 min，按設計帶載可提供長達3 h的電能。供電順序及工程如下。

(1)作為常用電的1#動力變壓器輸入正常時，由市電通過雙電源切換開關為事故氯裝置動力設備供電，同時備用電源為免維護蓄電池充電。

(2)當作為常用電的1#動力變壓器掉電或輸出電壓過低(低于175 V)時，控制器通過KM1 將作為備用電源的2#動力變壓器輸出到雙電源切換開關，為事故氯裝置動力設備供電，備用電源同時為免維護蓄電池充電。

(3)當作為常用電源1#動力變壓器和作為備用電源的2#動力變壓器同時掉電或電壓均過低(低于175 V)時，控制器通過 KM2將蓄電池的直流電通過逆變器逆變成交流電，為事故氯動力設備供電。當市電恢復時，蓄電池組即停止應急供電，重新由市電為負載供電。

4 應急電源的日常管理及維護

(1)EPS電源作為供電系統(tǒng)故障時事故氯裝置的應急備用電源：

①要優(yōu)先保障，重點巡檢；

②專機專用，一般負荷不得接入；

③新接入的負荷須經(jīng)評估和審批方可接入；

④接入設備總功率不得大于120 kW。

(2)事故氯電源以市電為常用電源，以EPS電源為備用電源，安裝于交流饋電柜上的雙電源切換開關的工作模式為“自投自復”，即市電故障情況下EPS電源自動投入，市電恢復時，EPS電源自動退出。

(3)雙電源切換開關應設置運行報警指示，切換為EPS電源供電時應能發(fā)出聲光報警。

(4)維修人員平時巡檢時，應注意檢查雙電源切換開關是否處于市電工作狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)正用EPS電源供電，應及時上報并查清原因。

(5)應配合使用和管理部門對供電系統(tǒng)定期進行切換演練。

斷開常用電源進線開關，查看EPS側電源是否能夠自動切入工作；斷開EPS電源備用電源進線開關，查看EPS電池是否供電，事故氯工序各運行設備是否自動啟動。

EPS電源帶負荷工作5 min左右，先合EPS備用電源開關，再合EPS電源常用電源進線開關，查看EPS是否退出并處于備用、事故氯工序各運行設備是否自動退出運行。

演練過程中如出現(xiàn)異常，要查明原因，及時處理，并做好記錄。

(6)每隔6個月，EPS電源電池要在監(jiān)護狀態(tài)下充放電1次。

5 結語

該系統(tǒng)具有模塊化設計，便于安裝、維護；采用密封式免維護電池，對環(huán)境無公害；能自動瞬間切換，可無人值守；具有強制應急啟動按鈕和自動/手動切換開關，高度智能化，便于操作控制。同時，河南神馬氯堿股份還為該EPS應急電源系統(tǒng)配置了電池管理器，可對電池充/放電的運行狀態(tài)自動進行在線實時檢測，提醒維護人員及時對電池進行預防性的維護，更換劣質電池，從而消除電池可能發(fā)生的潛在故障，以確保EPS應急電源穩(wěn)定、可靠地運行。

該系統(tǒng)投入使用后，通過模擬演練和實戰(zhàn)考驗，能夠滿足事故氯裝置應急供電的要求，為河南神馬氯堿股份生產裝置安穩(wěn)長滿優(yōu)運行提供了一個可靠安全的動力保障，同時為危化企業(yè)選擇應急電源提供了參考。