某銅冶煉廠應急電源系統的集成設計

劉立峰

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

1 現狀

1.1 應急電源系統的構成

有色冶金化工企業中由于中斷供電造成人員傷亡或重大設備損壞或發生中毒、爆炸和火災等安全事故的負荷,稱為一級負荷中特別重要的負荷[2]。按照國家相關規范要求,對一級負荷中特別重要負荷的供電應按要求配置雙重電源供電,并應增設應急電源,并嚴禁將其他負荷接入應急供電系統。應急電源的配置應依據一級負荷中特別重要負荷的負荷類型、設備功率、允許停電時間、停電影響等,綜合考慮可靠、合理、經濟性進行設計。

根據項目所在地供電電源情況,能夠正常連續穩定地為項目所有用電負荷提供電能的電源稱為主電源。正常供電電源發生斷電時,能夠滿足項目一級負荷中特別重要負荷供電的獨立電源稱為應急電源[4]。同時,通常還需要結合工藝需求及現場實際情況,設置非電保安措施。

應急電源:主要包括柴油發電機組、EPS 電源、UPS 電源、直流蓄電池等。

非電保安措施:不以電能為媒介,為保證系統安全,采取的非電性質的應急手段和方法。冶煉廠常見非電保安措施包括為工業爐窯水套冷卻提供應急供水的高位水箱,為爐體循環水系統冷、熱水泵設置的應急柴油泵等。

1.2 常見應急電源及比較

柴油發電機組是目前工程中最常見的應急電源,適用于允許中斷供電時間大于15 s,負荷功率較大、應急供電時間較長的負載[1]。由于柴油發電機組容量選擇范圍大,可并機運行,連續供電時間長,因此應用廣泛。

應急電源EPS(Emergency Power Supply),主要由整流充電裝置、蓄電池組、逆變裝置、ATS 互投裝置等構成。正常時通過整流充電裝置將交流電整流成直流電給蓄電池組充電,應急工作時采用SPWM(交流脈帶調制)技術,通過逆變器將蓄電池直流電轉換成交流電,為應急負載提供持續穩定的交流電源。一般適用于允許中斷供電時間為毫秒級(不大于100 ms)電機等電感性負載或應急照明負載[5]。

直流電源(DC Power)采用蓄電池儲能,通過直流母線為直流設備供電,常用于直流電機、中高壓系統控制和操作電源等。

不斷電電源UPS(Uninterrupted Power Supply),當市電停電時能夠無擾切換,持續為負載提供電源的設備。主要用于為生產控制系統、信息管理系統、數據中心等提供電源。

EPS、UPS、直流電源稱為靜態儲能型電源。

1.3 目前應急電源系統運行存在的問題

目前,有色冶煉廠規模越來越大,重要一級用電設備多,布局分散,應急電源系統較復雜。各應急電源設備基本采用單體控制,設備的關鍵狀態參數沒有得到有效監視與控制、主要依靠人工巡檢和記錄,日常維護工作量大。歸納起來主要表現為:

表1 常見應急電源的技術經濟比較

(1)柴油發電機組啟動信號單一,啟動的可靠性和靈活性不足。柴油發電機組應實現供電范圍內承擔的所有重要一級負荷的可靠、靈活應急供電。但目前冶煉廠柴油發電機組的控制未納入生產控制系統,自動化水平較低。普遍采用10kV 配電站系統失壓或應急負荷所在變電所進線柜失壓信號,或全廠失壓信號,通過硬接點控制柴油發電機組的啟停,導致柴油發電機組易出現啟動響應不及時、不可靠現象。

(2)應急電源系統沒有集成統一的控制平臺。柴油發電機組、EPS 電源、直流電源、UPS 電源及其他非電保安設備的狀態信息彼此獨立,不便于系統間的協同和管理。

(3)應急電源裝置的缺乏健康監視管理:柴油發電機、柴油泵、EPS 電源、直流電源蓄電池等關鍵設備重要狀態信號未實現系統監控,未形成統一、有效的狀態監測,需要依賴人員日常巡檢,增加了現場維護人員的工作量。一旦需應急使用時,可能出現因設備維護不到位而無法可靠啟動。

2 應急電源系統的系統集成設計

某年產15 萬噸陽極銅冶煉項目采用艾薩熔煉、轉爐吹煉、陽極爐精煉,含硫煙氣制酸工藝,項目重要一級負荷包括[3]:(1)鍋爐汽包供水、爐壁冷卻供水設備;(2)PS 轉爐直流應急傳動設備;(3)熔煉、吹煉爐水套冷卻供水設備;(4)中壓系統控制及操作電源;(5)生產控制系統。

應急負荷清單及應急電源的配置如表2 所示。

為滿足重要一級負荷的供電要求,在鼓風機房內設置1 臺400 V、1 200 kW 柴油發電機組,為表2中主要負荷提供應急電源。

表2 應急負荷清單及應急電源配置

在陽極精煉工段設置一套EPS 電源裝置,為陽極爐事故電機提供應急電源。

在吹煉工段設置三套直流電源和三套EPS 電源裝置,分別為PS 轉爐事故電機、轉爐密封煙罩提供應急電源。

給排水專業為爐體冷/熱水泵設置柴油水泵及高位水箱(儲存約5～15 min 冷卻用水量)。

10 kV 配電站各設置一套交直流一體化電源。

生產過程控制系統設置在線式UPS 電源。

在這些應急電源中柴油發電機為主要應急電源,供電范圍涉及4 個變電所和MCC 站,圖1 為柴油發電機組應急供電單線圖。

圖1 柴油發電機組應急供電單線圖

為實現對重要一級負荷供電的快速可靠響應,對各應急電源裝置實現有效監控,本項目采用了以PLC 為核心的分布式控制系統來實現對用電設備、應急電源裝置統一監控和管理。

3 系統架構

通過基于PLC 的分布式網絡架構,通過生產控制系統采集全廠10 kV 配電站、相關車間變電所(MCC 站)母線電壓信號、柴油發電機組、直流電源裝置、EPS 電源、UPS 電源及高位水箱、各應急用電設備的狀態信號,構筑PLC 應急電源系統實現對整個應急系統的監控管理。

圖2 應急系統框架圖

本系統采用三層網絡結構,即現場設備層、通訊層、監控層。

3.1 現場設備層

主要負責設備狀態信號的采集和儲存。對10 kV 配電站、車間變電所、MCC 站、柴油發電機組、EPS 電源、UPS 電源、直流蓄電池、柴油泵、高位水箱、各應急負荷設備的狀態信號就近接入生產控制系統,進行數據采集存儲。

主要檢測信號:(1)柴油發電機組:油箱油位,運行時間,柴油機狀態;蓄電池組的電壓、內阻、溫度信號,應急段各饋線柜開關狀態信號等。(2)EPS電源:工作狀態、高頻充電模塊、逆變器狀態、直流電源絕緣檢測,蓄電池的電壓、內阻、溫度監測。(3)直流電源:直流電源絕緣檢測,蓄電池的電壓、內阻、溫度監測。(4)柴油泵:柴油泵狀態信息,蓄電池電壓、內阻及溫度監測。(5)高位水箱:高位水箱液位,進/出口閥狀態。(6)各10 kV 配電站母線電壓信號。(7)車間變電所、MCC 站進線電壓信號。

3.2 通信層

采用星型網絡結構,通過工業以太網接口實現應急電源PLC 系統與生產控制系統的數據交互。

3.3 監控層

為應急電源系統控制核心。通過應急電源PLC系統實現對柴油發電機的啟停控制,實現對應急負荷設備、EPS 電源、直流電源、UPS 電源等狀態信號和運行數據的分析、健康狀態展示和異常報警。

主要控制點:柴油發電機啟停控制:重要負荷事故停電時,綜合判斷事故類型,停電范圍,根據柴油發電機啟動控制策略,控制柴油發電機的啟停及相應饋出開關分合,實現對全廠重要供電負荷的靈活、可靠供電。

以熔煉爐收塵變電所為例,該變電所設兩臺1 600 kVA 10/0.4 kV 變壓器,熔煉余熱鍋爐兩臺132 kW 熱水循環泵分別接在Ⅰ、Ⅱ段低壓母線上,采用ATS 末端投切方式,一路電源取自正常市電,一路電源取自柴油發電機房應急母線段。當1#熱水循環泵因市電斷電停機時,應急控制程序自動啟動2#熱水循環泵,如判斷II 段市電也斷電或設備異常,應急系統將立即啟動柴油發電機組,并關合相應饋出開關,通過末端投切裝置(ATS)給1#、2#熱水循環泵送電,并自動啟動1#熱水循環泵給余熱鍋爐供水。

此外,系統可根據各應急電源系統的狀態監視,對各應急電源系統健康異常報警,及時提醒運維人員進行檢修維護,減少因維護不到位導致的啟動失敗情況發生,同時減輕運維人員勞動強度。

4 結語

采用基于PLC 的應急電源集成控制系統,可對全廠應急電源系統進行統一管理、信息融合。不僅實現了對應急電源系統及非電保安設備的一體化監控,還提高了應急供電系統的可靠性、靈活性,提升了生產供電的安全性,在實際應用中取得了良好的應用效果。