30萬t/a合成氨UPS系統(tǒng)設(shè)計及計算分析

蘆劍敏

（江蘇華興化學(xué)工程建設(shè)有限公司南京設(shè)計院，江蘇南京 210003）

1 項目概況及負(fù)荷分類

2016年山東華魯恒升化工集團有限公司新建的30萬t/a合成氨裝置主要包括氨合成系統(tǒng)、合成氣凈化壓縮系統(tǒng)、氨冷凍系統(tǒng)、控制室共四個單元。其中合成氣凈化壓縮系統(tǒng)的CO2壓縮機及合成氣壓縮機系統(tǒng)和氨冷凍系統(tǒng)的氨氣壓縮機系統(tǒng)自帶控制系統(tǒng)。氨合成系統(tǒng)單獨設(shè)置DCS系統(tǒng)，合成氣凈化壓縮及氨冷凍系統(tǒng)所有操作均在DCS系統(tǒng)中實現(xiàn)。整個DCS系統(tǒng)需配置UPS電源系統(tǒng)，備用時間為1h，UPS電源系統(tǒng)的供電負(fù)荷見表1。

表1 供電負(fù)荷

2 UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇及配置

2.1 UPS結(jié)構(gòu)選擇

UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為在線式、互動式和后備式三大類。本項目采用在線式結(jié)構(gòu)，當(dāng)在線式UPS在電網(wǎng)供電正常時，電網(wǎng)輸入的電壓一路經(jīng)過噪聲濾波器去除電網(wǎng)中的高頻干擾，以得到純凈的交流電，進(jìn)入整流器進(jìn)行整流和濾波，并將交流電轉(zhuǎn)換為平滑直流電，然后分為兩路，一路進(jìn)入充電器對蓄電池充電，另一路供給逆變器，而逆變器又將直流電轉(zhuǎn)換成220V，50Hz的交流電供負(fù)載使用。當(dāng)發(fā)生市電中斷時，交流電的輸入已被切斷，整流器不再工作，此時蓄電池放電把能量輸送到逆變器，再由逆變器把直流電變成交流電，供負(fù)載使用。因此，對負(fù)載來說，盡管市電已不復(fù)存在，但此時負(fù)載并未因市電中斷而停運，仍可以正常運行。UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 UPS容量計算及選擇

UPS的額定容量是指逆變器交流輸出的視在功率，在確定UPS額定容量時需考慮動態(tài)穩(wěn)定系數(shù)、直流電壓下降系數(shù)、溫度補償系數(shù)、設(shè)備老化系數(shù)及設(shè)計裕度系數(shù)。本項目中UPS的容量計算見式（1）。

其中，Ki為動態(tài)穩(wěn)定系數(shù)；Kd為直流電下降系數(shù)；Kt為溫度補償系數(shù)；Ka為設(shè)備老化及設(shè)計裕度系數(shù)。可選擇40kVA的UPS。

3 蓄電池組容量選擇及計算

UPS后備蓄電池容量計算方法很多，各行各業(yè)都有相應(yīng)的計算方法選擇的側(cè)重點，主要有恒功率法（查表法）、估算法、電源法、階梯法。

3.1 恒功率法

根據(jù)實際負(fù)載確定單體電池的輸出功率，再根據(jù)放電終止電壓及備用時間查找蓄電池的恒功率表，計算確定電池組數(shù)。如果恒功率表中所給的額定功率小于計算輸出功率，可考慮采用多組電池并聯(lián)方式，但并聯(lián)組數(shù)最多不超過5組。單體電池的輸出功率計算公式為：

其中，N為單體電池的cell數(shù)量；n為UPS配置的電池數(shù)量。

3.2 估算法

根據(jù)放電終止電壓和備用時間（放電時間）計算確定直流電池組的事故放電時間內(nèi)的放電電流，并換算至10h放電率標(biāo)稱容量，一般還考慮0.75的校正系數(shù)。計算公式為：

3.3 電源法

電源法考慮了環(huán)境溫度的影響，首先根據(jù)UPS的額定容量計算放電電流，然后根據(jù)計算放電電流確定蓄電池組總?cè)萘俊Ｓ嬎愎綖椋?/p>

其中，U逆變器輸入為放電時，逆變器的輸入電壓，單體電池電壓取1.85V；α為電池溫度系數(shù)，當(dāng)放電小時率≥10時，α=0.006/℃，當(dāng)放電小時率在[1,10)時，α=0.08/℃，當(dāng)放電小時率＜1時，α=0.1/℃；T為放電小時數(shù)。

3.4 階梯法

階梯法常用于放電時間不同的多種直流負(fù)荷共用一套直流電源系統(tǒng)，事故供電時，不同負(fù)荷在不同的放電階段依次退出直流供電系統(tǒng)。此方法最大的特點是放電電流階梯遞減。一般程序是：

（1）按事故放電時間分別統(tǒng)計定事故放電電流，確定負(fù)荷曲線。

（2）根據(jù)蓄電池型式、放電終止電壓和放電時間，確定相應(yīng)的容量換算系數(shù)。

（3）根據(jù)事故放電電流，按事故放電階段逐段進(jìn)行容量計算，一般還應(yīng)考慮隨機負(fù)荷，將隨機負(fù)荷疊加至初期沖擊負(fù)荷以外的計算容量最大的階段。

（4）選擇與最大計算容量接近的蓄電池標(biāo)稱容量C10或C5作為蓄電池的選擇容量。

第n階段的放電電流計算為

選擇放電電流最大的階段作為確定蓄電池組容量的依據(jù)。

本項目采用恒功率法計算蓄電池的容量，系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為220V，備用時間1h，采用山特城堡C12V系列閥控式密封鉛酸電池，浮充總電壓為230V，單體電池浮充電壓為13.5V，單體單格電池放電終止電壓為1.8V

查表2，選擇2組C12-200蓄電池并聯(lián)，共需要34個C12-200蓄電池，采用2個電池柜。

表2 蓄電池規(guī)格

4 充電裝置、電源整流模塊、主回路母線及設(shè)備的選擇計算

4.1 充電裝置的選擇計算

充電裝置的選擇計算主要包括充電裝置的額定電流、輸出電壓。充電裝置的額定電流需滿足浮充電要求、蓄電池充電要求、蓄電池均衡充電要求。

蓄電池組脫開直流母線時輸出電流：

均衡充電時輸出電流：

充電裝置的額定電壓應(yīng)根據(jù)充電末期單體蓄電池電壓計算確定。

選擇額定電流為50A的充電裝置，充電裝置回路的直流斷路器額定電流取63A

4.2 高頻開關(guān)電源整流裝置的選擇計算

本UPS的蓄電池組采用一組高頻開關(guān)電源，選用單個模塊額定電流為7A的產(chǎn)品。

4.3 蓄電池回路主母線及設(shè)備的選擇計算

根據(jù)DL/T5044—2014《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》附錄A中表格A.5-5及附錄F中表格F.1有蓄電池出口選擇額定電流為250A，短時耐受電流為5.5kA的斷路器，蓄電池組母線選擇60×6的銅母線。

5 配電系統(tǒng)

整個系統(tǒng)采用三路市電，UPS的主電源及手動維修旁路電源分別取自1#變壓器的低壓柜AC-104和2#變壓器的低壓柜AC-204。另有一路市電取自2#變壓器的低壓柜AC-208，經(jīng)隔離變壓穩(wěn)壓后直接給各控制站供電。各控制站均設(shè)有兩塊相互熱備份的電源模塊及電源接口，一路接經(jīng)UPS來的電源，一路接2#變壓器低壓柜AC-208來的電源。整個系統(tǒng)的供電系統(tǒng)圖見圖2。

圖2 供電系統(tǒng)圖

6 結(jié)論

華魯恒升化工集團有限公司2016年的30萬t/a合成氨項目DCS控制系統(tǒng)采用單回路在線式UPS，UPS的主電源回路和手動維修旁路取自不同的變壓器低壓柜出線，并從其中1臺變壓器的不同于UPS進(jìn)線的低壓柜中取一路市電直接給DCS系統(tǒng)供電。這種供電方式不僅保證了系統(tǒng)供電安全性、可靠性和穩(wěn)定性，同時也節(jié)約了電源系統(tǒng)的投資。

在選擇計算蓄電池組容量時有多種方法，不同廠家計算方法有所不同。山特城堡C12V城堡閥控式鉛酸電池常采用恒功率法，這種算法在成本控制及性能滿足上能夠得到很好的配置。