分布式計算機過程控制系統不間斷電源改造設計方案淺析

朱世薇， 尹萬聰

(謙比希銅冶煉有限公司 動力分廠， 贊比亞 卡魯魯西)

0 背景

位于非洲贊比亞某中國粗銅冶煉企業，始建于2006年，在2009年2月投產。生產流程采用富氧頂吹艾薩熔煉爐- 沉降電爐- P、S轉爐吹煉- 鑄錠- 粗銅錠流程。鈷合金還原電爐生產鈷銅合金，用于鈷回收。一期設計生產能力為15萬t，隨著產能不斷擴大，到2017年設計生產能力達25萬t。為尋求企業經濟效益的最大化，提高企業全員勞動生產率，公司工藝流程的主要車間——配料、熔煉車間、余熱鍋爐、制酸車間、氣體車間、渣浮選、水處理，采用分布式計算機過程控制系統(以下簡稱DCS)檢測和監控，同時把生產過程的信息傳輸至生產管理及調度中心，實現生產數據共享。DCS由不間斷電源(以下簡稱UPS)供電。

1 UPS使用現狀

1.1 在用UPS數量多、型號雜

該公司的熔煉車間、余熱鍋爐、制酸車間、氧氣站、渣浮選、水處理設置有控制室及附屬機柜室站點，每個站點均配置獨立UPS，UPS進線電源取自附近低壓配電室。在用UPS容量及數量如表1所示。

表1 在用UPS容量、數量及品牌統計表

由表1可知，公司在用UPS數量眾多，品牌繁雜，配置電池數量和型號也各不相同，給日常備件管理和采購帶來較大困難。每個站點的UPS均考慮裕量，裝機容量為159 kVA，目前實際使用功率約為50 kW，能耗高、效率低。

1.2 單一UPS配置，安全隱患大

所有DCS站點UPS均為單一配置，一旦出現故障，將造成控制系統失電，特別是艾薩噴槍、轉爐及附屬鍋爐的現場設備(如過程閥門、卷揚裝置等)失去控制，會引起艾薩爐噴槍燒損、轉爐噴爐等重大生產工藝安全事故。如果更換UPS，相關的生產系統必須全部停止運行，影響2～3小時，造成公司產品產量和利潤損失。

1.3 UPS工作環境差，故障率高

所有UPS均放置在生產現場距離較近的機柜室，雖然做了一定的保溫及防塵措施，但高溫、粉塵、腐蝕性氣體無法完全隔絕。UPS內部電路板、電子元件、冷卻風扇等部件長期工作在該環境里，故障頻發。表2為2016—2019年UPS故障次數統計。

表2 2016—2019年UPS故障次數統計表

1.4 電池無法保養，壽命縮短

圖1 UPS供電系統設備配置圖

公司所有UPS根據不同型號，均配置相應數量的鉛酸蓄電池。查詢鉛酸蓄電池的容量與溫度為正相關的關系，溫度每上升1度，相對容量下降約0.8%。鉛酸蓄電池在環境溫度大于40度的基礎上，每升高10度，電池的壽命降低一倍。此外，鉛酸蓄電池在使用一定時間后需要做充放電保養維護。由于無法在正常生產過程中斷電維護，長時間運行導致電池性能下降、壽命縮短。

2 改造方案

2.1 UPS供電系統功能概述

針對目前UPS存在的弊端，取消各個車間分散的供電方式，根據用電負荷所處位置整體考慮，分別選取東區和西區兩個匯聚點。每個匯聚點內，設置兩臺完全獨立的UPS，兩臺UPS采用在線并行運行方式，為外部負荷供電。UPS設備具體配置如圖1所示。

2.2 改善輸入電源質量

UPS輸入端配置隔離變壓器(隔離變壓器1、2和旁路隔離變壓器)和有源電力濾波器(APF1、APF2)，用以改善UPS進線電源質量，保護UPS內部電子元件，延長UPS使用壽命。隔離變壓器輸出端與輸入端完全隔離，對交流輸入電源電壓起到了良好的過濾作用。有源電力濾波器采用并聯方式，實時檢測交流輸入電源電流中大小和頻率不同的各次諧波，并將幅值相等、相位相反的補償電流注入到輸入母線上，實現實時動態濾除諧波功能，確保輸入母線的電流為標準的正弦波。

2.3 UPS和電池冗余配置

本方案供電模式采用兩臺UPS在線并行運行模式。正常時，兩臺完全獨立的UPS分別為不同負載提供電源，一旦其中一臺UPS出現故障，另一臺UPS滿足全部負載用電需求，并能長期穩定運行。每臺UPS配置單獨的靜態開關和旁路，內置隔離變壓器和D級防雷器。旁路的額定容量與整流逆變回路一致，其電源接于與主電源不同母線。

兩套后備電池組(電池組1、2)為UPS1、2提供直流逆變電源，通過5個斷路器(QF11- 15)不同開關動作組合，可靈活實現任意一套電池組為任意一臺UPS提供直流電源組合模式，以便于UPS和電池組的其中一套任何時候都可進行UPS維護保養、電池充放電和維修操作，不影響另一臺UPS正常運行。

2.4 各站點STS靜態轉換開關配置

為確保供電可靠性，UPS1和UPS2分別為每個現場各站點提供兩路220 VAC電源，接入各站點配電柜的STS靜態轉換開關(如圖2所示)。STS靜態轉換開關用于在兩路電源之間轉換供電，第一路出現故障后STS自動切換到第二路給負載供電，第二路故障則STS自動切換到第一路給負載供電。靜態轉換開關提供快速電源轉換(≤5 ms)，滿足DCS供電電源瞬斷時間要求，保證DCS各站點電子設備不間斷工作。

圖2 現場站點STS靜態轉換開關連接示意圖

2.5 遠程監控功能

該設計方案實現智能化的計算機監控功能，故障自動診斷以及先進的維護管理功能。遠程監控設備能夠以結構框圖顯示UPS系統、以圖形方式顯示工作狀態、電壓、電流、頻率等；UPS的啟動、停止、供電切換均可以在線顯示；能對蓄電池組、有源濾波器、輸入輸出一體柜等設備進行工作狀態、負載情況監控，同步刷新；各設備操作和事故進行記錄；具有報表生成、圖形化顯示、打印等功能。

如圖3所示，有源濾波器(APF)、UPS主機、電池組和輸入輸出一體柜，通過外接串行接口卡或內置串口模塊提供的RS485接口，采用MODBUS通訊協議，將數據上傳至串口服務器，計算機通過監控軟件可以訪問串口服務器里的各設備運行參數。

圖3 UPS供電系統各設備通訊示意圖

3 設備選型計算

3.1 UPS容量計算

各站點耗電量統計如表3所示。

由表3可知，兩個區域設計功率需求(按目前實際功率2倍計算)分別為23.9 kW和26.1 kW，UPS功率因數為0.8，計算UPS容量分別為：

23.9/0.8=29.9 kVA
26.1/0.8=32.6 kVA

考慮兩個匯聚點使用設備型號統一，根據廠家提供的選型手冊，最終確定UPS容量為40 kVA。

3.2 電池容量計算

本方案考慮UPS最大負載延時1小時，按照恒功率法計算電池后備時間。計算公式如下：

W=PL/(V×η) (watts/cell)=
(40×1 000×0.8)/(29×12×0.9)=
102.2(watts/cell)

(1)

式中W—所需電池的每單格功率，watts/cell，其中1 h以下備電，W為放電至終止電壓1.65 V/cell的恒功率數據；

表3 公司各DCS站點耗電量統計表

PL—負載功率，瓦(watts)，按UPS容量為40 kVA，功率因數為0.8，計算最大負載；

V—電池組額定電壓(29只電池，每只電池12 V)；

η—電池逆變效率(由廠家提供，按0.9計算)。

查看廠家提供的鉛酸蓄電池定功率放電參數可知：12 V/120 AH電池在終止電壓為1.65 V/cell時的功率為141.33(watts/cell)，大于計算所需電池每單格功率102.2(watts/cell)，滿足使用要求。

3.3 各站點供電電纜選擇計算

由于部分站點距離UPS較遠，供電電纜規格的選擇需考慮電纜類型、載流量和線路電壓損失。

《石油化工儀表供電設計規范》(SH/T 3082—2019)中規定：“UPS輸出電壓：220 V±11 V，單相”。根據各站點與UPS匯聚點的距離、設計電流以及查手冊得到的各種規格電纜的電阻和感抗數據如表4所示，計算電壓損失公式如下：

ΔU=(R×cosφ+X×sinφ)×I×l

(2)

式中 ΔU—線路電壓損失，V；

R—電纜單位長度的電阻值，Ω/km；

X—電纜單位長度的感抗值，Ω/km；

cosφ—功率因數；

I—負荷計算電流，A；

l—電纜長度，km。

根據計算公式(2)，對各站點選用的供電電纜規格的載流量、線路電壓損失進行核算，均滿足使用要求，如表5所示。

表4 1 kV交聯聚乙烯電力電纜用于380系統時的 電阻值和感抗值表[1]

表5 各站點設計選用電纜電氣性能參數表

注：電纜載流量為1 kV交聯聚乙烯護套電力電纜空氣敷設長期允許載流量。電纜芯數：3芯，護套工作溫度：70 ℃、環境溫度：30 ℃。

4 結論

改造后的UPS系統投入運行后，供電穩定性和可靠性顯著提高，極大降低維護人員日常點檢工作量和維護難度，有助于提高火法煉銅企業作業率和生產過程本質安全。為其他火法煉銅企業分布式計算機過程控制系統UPS設計方案提供一些借鑒經驗。