冗余的柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急電源系統(tǒng)切換方案探討

中石化上海工程公司 何 勖

柴油發(fā)電機(jī)組具有熱效率高、啟動(dòng)迅速、結(jié)構(gòu)緊湊、燃料存儲(chǔ)方便、占地面積小、工程量小、維護(hù)操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，一般在海外石化項(xiàng)目中作為備用電源或應(yīng)急電源的首選。通常國(guó)內(nèi)采用的單套柴油發(fā)電機(jī)組與正常電源間的切換與控制是非常成熟的，其邏輯和方法也較為簡(jiǎn)單；但在海外項(xiàng)目中由于涉及當(dāng)?shù)仄髽I(yè)執(zhí)行自己的公司規(guī)定，也會(huì)要求使用冗余的柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)作為備用電源來(lái)為應(yīng)急負(fù)荷供電，這就對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的啟停和應(yīng)急系統(tǒng)內(nèi)斷路器組的控制提出了更高的要求。

1 簡(jiǎn)介

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目主體為工藝連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的海外石油化工裝置，一旦中斷供電需長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)生產(chǎn)，且會(huì)帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)供電的連續(xù)性和可靠性要求高，類比國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)（《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB 50052-2009、《石油化工企業(yè)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T 3060-2013），其主要工藝生產(chǎn)裝置用電負(fù)荷可被定義為一級(jí)負(fù)荷，由兩路互相獨(dú)立的常規(guī)電源供電；而裝置內(nèi)的重要儀表、火災(zāi)報(bào)警等關(guān)鍵工藝流程控制設(shè)備則被定義為一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，由帶蓄電池的不間斷電源系統(tǒng)供電；應(yīng)急照明、特別重要的工藝設(shè)備及消防設(shè)備等也被定義為一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，除由常規(guī)電源供電外，另由柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源供電。

依據(jù)本項(xiàng)目技術(shù)要求規(guī)定，其應(yīng)急母線段為額定電壓480V、額定頻率60Hz的低壓電源，所配備的柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)應(yīng)為冗余系統(tǒng)，單套柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)能滿足母線上所有應(yīng)急負(fù)荷的用電需要。

1.2 應(yīng)急電源系統(tǒng)

本項(xiàng)目的480V應(yīng)急電源系統(tǒng)如圖1所示，來(lái)自480V非應(yīng)急母線段上的常規(guī)電源與柴油發(fā)電機(jī)組組成應(yīng)急電源系統(tǒng)，共同為應(yīng)急母線段40-ESG-902上的用電設(shè)備供電，常規(guī)電源負(fù)責(zé)正常情況下為該母線段供電，當(dāng)出現(xiàn)電源的各種故障而引起全部電源斷電時(shí)，需投入柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源供電。

圖1 應(yīng)急電源系統(tǒng)單線圖

應(yīng)急電源由冗余的柴油發(fā)電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)母線40-ESG-901等組成，最終由40-ESG-901母線引出一路饋出線到應(yīng)急母線段40-ESG-902。根據(jù)對(duì)本項(xiàng)目需由應(yīng)急電源供電的設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷及尖峰負(fù)荷容量計(jì)算，選擇作為冗余系統(tǒng)的2套柴油發(fā)電機(jī)組單套容量為1600kW，選擇40-ESG-901和40-ESG-902進(jìn)線開(kāi)關(guān)容量都為3200A，其母線短路容量則分別為65kA和85kA。

1.3 柴油發(fā)電機(jī)組

柴油發(fā)電機(jī)組通常由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)和控制屏三部分組成。本項(xiàng)目采用冗余的柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，且選用了G2級(jí)以上的自動(dòng)化柴油發(fā)電機(jī)組，該等級(jí)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)化程度要求很高，包括：自動(dòng)維持準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)，包括維持機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、冷卻水溫度；接到就地或遠(yuǎn)程指令后，機(jī)組能自動(dòng)啟動(dòng)并供電；接到就地或遠(yuǎn)程指令后，機(jī)組能自動(dòng)停機(jī)；機(jī)組的燃油、機(jī)油、冷卻水能夠自動(dòng)補(bǔ)充，機(jī)組啟動(dòng)所用的蓄電池能自動(dòng)充電；有過(guò)載、短路、過(guò)速度（或過(guò)頻率）、冷卻水溫度過(guò)高、機(jī)油壓力過(guò)低以及其他必要的保護(hù)裝置；有標(biāo)明正常運(yùn)行或非正常運(yùn)行的聲光信號(hào)系統(tǒng)等。

2 應(yīng)急電源系統(tǒng)控制邏輯的設(shè)計(jì)

2.1 面臨的問(wèn)題

和傳統(tǒng)的單套柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源的應(yīng)急母線段相比，冗余的柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急電源在由常規(guī)電源供電切換為柴油發(fā)電機(jī)組供電的過(guò)程中，存在兩套柴油發(fā)電機(jī)組之間的配合問(wèn)題，即對(duì)于冗余的柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)存在著兩種不同的設(shè)計(jì)方案：第一種方案將一套柴油發(fā)電機(jī)組作為主機(jī)，另一套柴油發(fā)電機(jī)組作為備機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)切換為柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)先啟動(dòng)主機(jī)，只有當(dāng)主機(jī)啟動(dòng)不成功時(shí)才啟動(dòng)備機(jī)；第二種方案兩套柴油發(fā)電機(jī)組互為主/備關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)切換為柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)，兩套柴油發(fā)電機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)，先啟動(dòng)成功的作為主機(jī)為系統(tǒng)提供電源。

對(duì)比這兩種不同方案，可看出當(dāng)采用第一種時(shí)，如出現(xiàn)主機(jī)故障、啟動(dòng)備機(jī)的情況，按照一套柴油發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間30秒考慮，應(yīng)急母線段需至少60秒才能獲得來(lái)自柴油發(fā)電機(jī)組的應(yīng)急電源，且將造成大量用電設(shè)備電壓的劇烈波動(dòng)甚至掉電，這樣應(yīng)急的柴油發(fā)電機(jī)組也就失去了配備的意義，所以一般在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)考慮采用兩套柴油發(fā)電機(jī)組互為主/備的方案。

但在采用兩套柴油發(fā)電機(jī)組互為主/備的情況下，還需考慮如下的問(wèn)題：兩套柴油發(fā)電機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)的情況下，如何判定哪套柴油發(fā)電機(jī)組會(huì)更早完成啟動(dòng)；如何避免兩套柴油發(fā)電機(jī)組同時(shí)為應(yīng)急母線段供電；當(dāng)運(yùn)行中的柴油發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，如何切換到另一柴油發(fā)電機(jī)組為應(yīng)急母線段供電。

2.2 解決問(wèn)題的設(shè)計(jì)思路

2.2.1 柴油發(fā)電機(jī)組的配合

當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組采用自動(dòng)方式啟動(dòng)時(shí)，在收到外部輸入的啟動(dòng)信號(hào)后，打開(kāi)柴油機(jī)起動(dòng)閥門(mén)，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)（他力運(yùn)轉(zhuǎn)）。此后隨著轉(zhuǎn)速的升高，送往氣缸的燃料油溫度也會(huì)升高。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定轉(zhuǎn)速后在氣缸高溫下燃料油自燃，柴油機(jī)由他力運(yùn)轉(zhuǎn)變?yōu)樽粤\(yùn)轉(zhuǎn)。在此過(guò)程中柴油機(jī)轉(zhuǎn)速逐步提高，并通過(guò)調(diào)速器控制達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速。與柴油機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行的還有發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁過(guò)程，其有多種形式，在此以復(fù)勵(lì)方式為例做簡(jiǎn)單說(shuō)明。復(fù)勵(lì)分為他勵(lì)和自勵(lì)，在啟動(dòng)過(guò)程中采用他勵(lì)方式，一般通過(guò)蓄電池給供電，為發(fā)電機(jī)提供恒定勵(lì)磁；當(dāng)發(fā)電機(jī)能輸出額定電壓和頻率后系統(tǒng)切換為自勵(lì)方式，進(jìn)入正常運(yùn)行。

根據(jù)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程的描述，可發(fā)現(xiàn)其啟動(dòng)的成功將通過(guò)系統(tǒng)檢測(cè)柴油發(fā)電機(jī)組輸出電源的電氣參數(shù)，即電壓和頻率的確認(rèn)來(lái)達(dá)到的。對(duì)于本項(xiàng)目?jī)商撞裼桶l(fā)電機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)的情況，將通過(guò)同時(shí)監(jiān)控兩套柴油發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)情況，來(lái)判定哪套柴油發(fā)電機(jī)組率先完成啟動(dòng)動(dòng)作。

2.2.2 柴油發(fā)電機(jī)母線進(jìn)線開(kāi)關(guān)的配合

當(dāng)一套柴油發(fā)電機(jī)組完成啟動(dòng)動(dòng)作時(shí)，其對(duì)應(yīng)斷路器合閘（依據(jù)本套柴油發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)及供電特性曲線加入適當(dāng)延時(shí)），同時(shí)發(fā)出一個(gè)停機(jī)命令給另一套柴油發(fā)電機(jī)組，并通過(guò)兩臺(tái)斷路器間的ATS（自動(dòng)電源切換系統(tǒng)，即Automatic Transfer Switching）邏輯實(shí)現(xiàn)兩套柴油發(fā)電機(jī)組的各自進(jìn)線斷路器互鎖，以確保其中一臺(tái)進(jìn)線斷路器不會(huì)合閘。

2.2.3 故障狀態(tài)時(shí)的柴油發(fā)電機(jī)組切換動(dòng)作

當(dāng)運(yùn)行中的柴油發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)通過(guò)自身的控制系統(tǒng)發(fā)出故障信號(hào)；另一套柴油發(fā)電機(jī)組在收到該信號(hào)后，將立刻啟動(dòng)并盡可能早地輸出合格電源給應(yīng)急母線段，以縮短應(yīng)急母線段的失電時(shí)間。與此同時(shí)，斷開(kāi)故障柴油發(fā)電機(jī)組側(cè)的柴油發(fā)電機(jī)母線進(jìn)線開(kāi)關(guān)，并通過(guò)ATS功能解除另一側(cè)斷路器的鎖定狀態(tài)，這樣在另一側(cè)柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)完成后，斷路器能正常合閘。

2.3 ATS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

上述ATS即自動(dòng)電源切換系統(tǒng)，是近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外石化企業(yè)乃至工業(yè)企業(yè)中常用的一種實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)甚至多臺(tái)斷路器之間切換功能的智能控制器。通過(guò)對(duì)控制器的編程，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的斷路器控制邏輯。ATS可采用帶母線殘壓閉鎖或延時(shí)切換方式，也可采用帶同期檢定的快速切換方式（以下簡(jiǎn)稱為“檢同期”）。

所謂的檢同期是指在合斷路器之前，先檢測(cè)斷路器兩端（線路側(cè)和母線側(cè)）是否滿足同期條件（即電壓、頻率、角度都在允許范圍內(nèi)，可在定值中整定），再合斷路器。在本項(xiàng)目中，利用帶檢同期功能的斷路器可對(duì)常規(guī)電源、柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急電源等進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)完成、常規(guī)電源正常以及常規(guī)電源失電等情況進(jìn)行判斷。

3 應(yīng)急電源系統(tǒng)控制邏輯及對(duì)電氣設(shè)備的要求

3.1 應(yīng)急電源系統(tǒng)控制邏輯

本項(xiàng)目應(yīng)急電源系統(tǒng)的啟動(dòng)、故障切換和停止等控制，將由柴油發(fā)電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)母線、應(yīng)急母線段進(jìn)線斷路器等應(yīng)急電源系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備共同參與完成，現(xiàn)對(duì)整個(gè)啟停控制流程闡述如下：

應(yīng)急電源系統(tǒng)的啟動(dòng)流程：40-ESG-902段常規(guī)電源進(jìn)線通過(guò)檢同期功能，檢測(cè)到本身低電壓后，將其“低電壓”信號(hào)作為柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)，送往兩套柴油發(fā)電機(jī)組的控制盤(pán)；兩套柴油發(fā)電機(jī)組收到啟動(dòng)信號(hào)后同時(shí)啟動(dòng)；40-ESG-901段應(yīng)急電源進(jìn)線同時(shí)檢測(cè)本段柴油發(fā)電機(jī)組是否啟動(dòng)完成（通過(guò)檢同期功能監(jiān)測(cè)輸入的電壓和頻率），如果某套啟動(dòng)完成，則合對(duì)應(yīng)其斷路器，同時(shí)送出一個(gè)“啟動(dòng)完成”信號(hào)到另一套柴油發(fā)電機(jī)組控制盤(pán)作為其停止信號(hào)，同時(shí)40-ESG-901兩臺(tái)斷路器用ATS邏輯實(shí)現(xiàn)互鎖，保證其不能同時(shí)合閘；40-ESG-902段進(jìn)線也利用ATS邏輯互鎖，在失去常規(guī)電源同時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組完成啟動(dòng)動(dòng)作（電壓和頻率正常）后，完成互切。

應(yīng)急電源系統(tǒng)的故障切換流程：如果在運(yùn)行過(guò)程中柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障，則發(fā)送“跳閘”信號(hào)到其對(duì)應(yīng)斷路器，命令該斷路器分閘；同時(shí)將“跳閘”信號(hào)送到另一側(cè)的柴油發(fā)電機(jī)組作為其啟動(dòng)信號(hào)；收到該啟動(dòng)信號(hào)后，另一側(cè)柴油發(fā)電機(jī)重新執(zhí)行本文所描述的啟動(dòng)動(dòng)作流程。在此過(guò)程中故障的柴油發(fā)電機(jī)組不參與重新啟動(dòng)過(guò)程。

應(yīng)急電源系統(tǒng)的停止流程：40-ESG-902段檢同期邏輯檢測(cè)到常規(guī)電源電壓正常后，發(fā)命令至對(duì)應(yīng)斷路器合閘，同時(shí)將本段“電壓正常”信號(hào)作為柴油發(fā)電機(jī)組的“停止”信號(hào)送至其控制盤(pán)，同時(shí)通過(guò)ATS互鎖功能斷開(kāi)40-SG-902段對(duì)應(yīng)斷路器。在40-SG-901段各斷路器檢測(cè)到本段失壓后，其ATS功能將發(fā)出命令讓其分閘。

3.2 應(yīng)急電源系統(tǒng)對(duì)電氣設(shè)備的要求

根據(jù)上述邏輯表述，可拆分出如下對(duì)于應(yīng)急電源系統(tǒng)包含的各組設(shè)備的信號(hào)交接清單及其控制要求。需說(shuō)明的是，下述所有進(jìn)線斷路器的分合閘要求只考慮了應(yīng)急電源系統(tǒng)啟停控制中出現(xiàn)的情況，此外還需考慮國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中要求的各類故障跳閘以及手動(dòng)分/合閘等功能，由于這些功能與本文討論的內(nèi)容無(wú)關(guān)，故不再贅述。

柴油發(fā)電機(jī)組控制邏輯。柴油發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)條件：收到來(lái)自40-ESG-901段其對(duì)側(cè)進(jìn)線“跳閘”信號(hào)，收到來(lái)自40-ESG-902段常規(guī)電源進(jìn)線“低電壓”信號(hào)；柴油發(fā)電機(jī)組的停止條件：收到來(lái)自40-ESG-901段其對(duì)側(cè)進(jìn)線柜“啟動(dòng)完成”信號(hào)，收到來(lái)自40-ESG-902段常規(guī)電源進(jìn)線“電壓正常”信號(hào)；柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的信號(hào)：至本側(cè)40-ESG-901進(jìn)線柜分閘回路的“跳閘”信號(hào)，用于進(jìn)線柜斷路器分閘。

柴油發(fā)電機(jī)母線40-ESG-901段控制邏輯。進(jìn)線斷路器合閘條件：通過(guò)檢同期功能判定本段“啟動(dòng)完成”后合閘；進(jìn)線斷路器分閘條件：對(duì)應(yīng)的柴油發(fā)電機(jī)組“跳閘”信號(hào)。

應(yīng)急母線40-ESG-902控制邏輯。通過(guò)檢同期功能，判定本段的“電壓正常”和“失壓”狀態(tài)，完成斷路器分/合閘控制；40-ESG-902段發(fā)出的信號(hào)：至柴油發(fā)電機(jī)組40-G-901A/B控制盤(pán)的“電壓正常”信號(hào)用于停止柴油發(fā)電機(jī)組，至柴油發(fā)電機(jī)組40-G-901A/B控制盤(pán)的“失壓”信號(hào)用于啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組。

綜上，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組采用冗余系統(tǒng)時(shí)，其控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度及兩套柴油發(fā)電機(jī)組對(duì)應(yīng)斷路器的配合問(wèn)題，相比單套柴油發(fā)電機(jī)組的情況復(fù)雜得多，對(duì)于設(shè)計(jì)人員須有足夠的心理準(zhǔn)備。可以肯定的是，相比于預(yù)先定義柴油發(fā)電機(jī)組為主機(jī)和備機(jī)的方式，本文所描述的柴油發(fā)電機(jī)組及對(duì)應(yīng)斷路器的控制方式將有利于提高應(yīng)急電源系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于斷路器之間的配合，ATS的使用可以減少控制邏輯的復(fù)雜程度，但需要注意的是，ATS產(chǎn)品由于廠家的不同，在控制邏輯和邏輯編程上也存在不同，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)項(xiàng)目的具體情況來(lái)確定。