中央控制室供電方案設計探討

田 龍

(云南云天化紅磷化工有限公司,云南 開遠 661600)

0 引言

近年來,化工生產安全現狀不容樂觀。隨著自動化和網絡技術的發展和應用,中央控制室在化工生產中發揮的本質安全作用逐步被接受。根據危險化學品生產儲存企業“四區分離”技術指導意見要求,危險化學品生產、儲存企業行政辦公區、后勤保障區、集中控制區與生產作業區應有效分離、分區設置。企業原有設置在生產作業區的生產控制室需搬遷到中央控制室。中央控制室是危險化學品生產、存儲企業提升安全水平、防范系統性安全風險的重要設施,承擔全廠生產裝置的監視、控制、通信和指揮調度工作。中央控制室涵蓋分布式控制系統(distributed control system,DCS)、氣體檢測報警系統(gas detection system,GDS)、攝像監控系統、火災自動報警系統、調度指揮系統、網絡通信系統等多個任務子系統。中央控制室各系統之間相互聯系,具有一定的復雜性。優化中央控制室的供電設計、確保供電系統的可靠性和安全性非常必要。

本文針對某企業“四區分離”改造項目中的中央控制室供電系統設計案例,依據中央控制室主要用電設備對電源可靠性、可用性需求進行分析,重點對不間斷電源裝置(uninterruptible power supply,UPS)冗余方式進行研究,提出了供電系統設計方案。

1 中央控制室供電需求分析

根據中央控制室的使用功能分析,其功能房間宜包括操作室、機柜室、工程師室、空調機室、電信設備室、UPS室、配電室、更衣室、交接班室等[1]。中央控制室主要的用電設備有DCS網絡機柜、DCS操作站、照明機組、空調機組、GDS、攝像監控系統、火災報警系統及防排煙系統等。在開展供電需求分析時,既要考慮不同類型設備對供電可靠性、電源質量的不同要求和設計負荷容量要求,又要兼顧今后設備及業務需求的拓展和兼容設計[2]。中央控制室作為全廠關鍵設施,其低壓供電系統應為雙回路供電。DCS操作站、網絡機柜、火災自動報警系統等為一級負荷中的特別重要負荷,除應由雙重電源供電外,還應增設應急電源[3]。

2 低壓供配電系統方案設計

低壓供配電系統設計雙重電源供電,滿足一、二級電力負荷需求。兩路獨立的電源可實現自動切換。每路電源容量應能滿足100%設計負荷要求。根據各類用電設備對電源可靠性和供電質量的要求,用電設備可選擇不同的供電方式。通風空調機組、排煙風機、辦公生活設施及照明等可中斷電源設備采用配電柜直接供電。DCS操作站、網絡交換機、火災自動報警系統及應急照明和疏散指示系統等作為關鍵設施,一旦供電中斷可能造成大范圍的影響,故應采用UPS供電。不同的UPS冗余方式的供電可靠性和可用性差異較大,只有選擇合適的供電方式才能保障中央控制室核心設備的安全運行。

3 UPS供電方案設計

3.1 UPS的冗余方式

UPS的冗余方式可分為設備冗余和系統性冗余兩種。設備冗余指為防止重要的系統設備停止而采取增加一套設備的技術措施。常見的設備冗余有UPS雙機并聯和UPS雙機熱備份。雙機并聯和熱備份冗余方式僅僅是UPS主機和電池冗余配置。雙機設備雖然互為備用,但設備不完全獨立[4]。其他配套件(如防雷器、雙電源自切開關、旁路隔離變壓器、輸入/輸出開關、配電柜和連接電纜線等)均不是冗余配置。系統性冗余是指由兩個完全獨立的系統組成互為備用的冗余系統。除核心設備冗余外,系統供電母線、雙電源自動切換開關、旁路隔離變壓器、UPS主機和電池、輸入/輸出開關及其連接電纜線等所有設備均冗余。系統之間獨立工作,任意系統故障時,其冗余系統均可互為備用。

3.2 UPS的冗余方式工作原理

3.2.1 雙機并聯冗余UPS系統

雙機并聯冗余UPS系統由兩臺具有并聯控制器的同品牌、同型號、同功率的UPS組成。兩臺UPS的主電源輸入來自一路市電(市電1)。兩臺UPS的旁路柜電源來自另一路市電(市電2)。兩臺UPS的輸出端連在一起輸出至電源分配柜,用于DCS負載及其他重要負載的供電。

雙機并聯冗余UPS系統接線如圖1所示。

圖1 雙機并聯冗余UPS系統接線圖

兩臺UPS并聯的條件是UPS必須同頻、同相、等幅。因此,每臺UPS必須配有并聯控制器,以完成兩臺UPS之間的均流、同步和管理。當兩路市電和兩臺UPS均正常時,兩臺UPS均處在逆變供電狀態。每臺UPS提供總用電負載的50%負荷。當雙機并聯冗余UPS系統中有一臺UPS故障時,有故障的那臺UPS被關閉,而另一臺無故障的UPS則承擔100%的負載供電。當UPS1和UPS2同時故障時,并聯UPS系統切換到旁路,負載由市電2供電。當兩路市電同時停電時,兩臺UPS均處在電池供電狀態。每臺UPS供總用電負載的50%負荷,直至電池均放電到終止電壓時停機。這種冗余方式易于實現,適用于負載容量大的場所。但并聯控制器、通信部件自身故障對供電影響較大。

3.2.2 雙機熱備份冗余UPS系統

雙機熱備份冗余UPS系統由兩臺UPS組成。主UPS的主電源輸入來自市電1,旁路輸入來自UPS備用機的輸出。UPS備用機的輸入來自市電1,旁路輸入來自市電2。主UPS輸出至電源分配柜,用于DCS負載及其他重要負載的供電。

當兩路市電和兩臺UPS均正常時,負載由主UPS1供電,旁路UPS2處于備用狀態。當兩路市電正常而主UPS1故障時,主UPS1自動切換到旁路,由UPS2為負載供電。當兩路市電和主UPS1正常,而旁路UPS2故障時,UPS2自動切換到旁路。這時,主UPS1的旁路輸入電源為市電2。旁路UPS2故障不影響主UPS1對負載的正常供電。當主UPS1和旁路UPS2同時故障時,兩臺UPS同時切換到旁路,負載由市電2供電。當市電1停電,市電2、主UPS1和旁路UPS2均正常時,主UPS1切換到電池供電狀態,仍由主UPS1為負載供電。當主UPS1的電池放電到下限時,主UPS1自動切換到旁路,由旁路為UPS2負載供電。雙機熱備份冗余UPS系統接線如圖2所示。

圖2 雙機熱備份冗余UPS系統接線圖

圖2所示冗余方式可用于負載負荷小的場所,但主UPS、旁路靜態開關、輸出饋線故障時,可能會造成意外停電。

3.2.3 單機雙母線系統性冗余UPS系統

單機雙母線系統性冗余UPS系統由兩臺單機UPS組成。兩臺單機UPS相互獨立地對負載供電。兩臺UPS的主電源和旁路電源的輸入分別來自市電1和市電2。每臺UPS的輸出獨立對負載電源輸入端1、輸入端2供電。若負載不具備供電輸入冗余配置,則必須增加靜態轉換開關(static transfer switch,STS)設備,且切換時間須小于5 ms。本文將UPS1的輸出端與STS的輸入端N相連接、UPS2的輸出端與STS的輸入端R相連接、STS的輸出端out與非冗余電源負載相連接。

當兩臺UPS均正常時,負載可選擇由其中一臺UPS供電。當一臺UPS故障停機時,STS自動且不間斷地切換到另一臺UPS。UPS1供電系統和UPS2供電系統互為冗余備用。單機雙母線系統接線如圖3所示。

圖3 單機雙母線系統接線圖

3.2.4 三種冗余方式的比較

雙機并聯冗余和雙機熱備份冗余具有很高的可靠性,平均故障間隔時間(mean time between failures,MTBF)不低于5×105h。但這兩種方式并沒有消除UPS供電系統的單點瓶頸故障隱患,如整流器、逆變器和STS故障及公共配電母線故障等[5]。冗余方式性能比較如表1所示。

表1 冗余方式性能比較

傳統雙變換架構UPS雖然具有高可靠度和極為快速的瞬時響應性的特點,但整流器、逆變器在實際應用中故障率較高,單機應用仍無法滿足重要負荷對可靠性的需求。分析表1可知,三種冗余方式在供電可靠性方面均得到提升。但從可靠性、可用性、可維護性、過載能力及投資成本等方面比較,單機雙母線系統性冗余UPS系統綜合性能更優,是中央控制室最佳的供電方式。

3.3 UPS供電方式

中央控制室UPS負載主要有DCS操作站、網絡交換機、火災自動報警系統、應急照明和疏散指示系統等。針對UPS負載特點和用電負荷,可選擇的供電方式為集中供電和分組供電。集中供電方式需配置一組滿足100%設計總負荷容量的UPS。其具有供電設備數量多、種類多、供電范圍大及供電系統故障后造成的影響范圍廣等特點。分組供電可根據負載的重要程度、負載容量的大小劃分兩個及以上的區域組。每個區域組配置一組50%設計總負荷容量的UPS(假設分為兩組區域供電),以降低集中供電帶來的大面積停電影響。每個區域組UPS的冗余方式采用單機雙母線系統性冗余結構。分組供電可提高供電的可用性,但并不能提高供電的可靠性。可靠性只能通過供電系統的冗余結構實現。

用電設備供電方式的選擇多種多樣,對于具備雙電源輸入的設備,可由不同的兩組UPS分別供電,如交換機、DCS或安全儀表系統(safety instrumented system,SIS)控制站、服務器、火災自動報警系統、應急照明和疏散指示系統等。單電源輸入的非冗余電源設備只能接受一路電源供電,并可選擇任意一組UPS供電。但其需在供電輸入回路設置雙電源STS,以形成冗余供電回路,提高可靠性。STS雖然能實現電源冗余,但STS串聯,是供電回路中的薄弱環節[6]。一旦STS設備故障,會直接影響供電可靠性。DCS操作站雖然屬于非冗余電源設備,但每套裝置都配置一定數量的備用操作站。操作站的某個部件失效不足以導致裝置的意外停車。

3.4 UPS功率容量計算

UPS視在功率計算應根據實際負載總有功功率、功率因素和設計余量綜合考慮。UPS的容量選擇過小,會造成過載能力降低;容量選擇過大,會造成設備運行效率低、投資成本偏高。視在功率的計算式如式(1)所示。

(1)

式中:S為視在功率,kVA;cosφ為功率因數;∑Pi為總負載有功功率之和,kW。

計算機負載的cosφ通常取值0.8。在確定UPS額定視在功率時,應根據其負載能力考慮裕量系數和轉換效率。UPS比較合理的裕量系數為1.2～1.5。轉換效率與運行模式及負載大小有關,一般在92%～98%。UPS容量由實際負載容量、UPS轉換效率和裕量系數決定[7]。UPS容量的計算式如式(2)所示。

(2)

式中:W為UPS容量,kVA;K為轉換效率;J為裕量系數。

4 其他用電設備的供電

中央控制室除了需要連續供電設備外,還需要大量可中斷的電源負載,如通風空調機組、排煙風機、攝像監控大屏、辦公生活設施及正常照明等。應急照明系統需配置應急電源(emergency power supply,EPS),以滿足市電中斷后持續疏散照明的需求。門禁系統對供電的連續性也有很高的要求。由于門禁系統用電負荷小,可選擇與其他UPS供電系統共用供電設備。如門禁系統自身具備斷電開啟的應急功能,可選擇由市電直接供電。自帶電池供電的房間智能鎖無需考慮外部供電方式。通風空調機組、排煙風機、攝像監控大屏、辦公生活設施等設備用電負荷大、可中斷,可直接由雙路供電的低壓配電系統供電。

5 供電方案設計應注意的問題

供電系統設計涉及UPS共用、冗余、獨立配置等問題。供電系統的設計不僅要考慮裝置用電規模的大小,還要根據裝置的重要程度進行設計評估。不同的UPS冗余方式均可滿足中央控制室對供電可靠性和可用性的要求。

SIS系統的遠程輸入/輸出(input/output,I/O)站用于處理輔助操作臺的按鈕、開關、指示燈。遠程I/O站失電將導致裝置聯鎖停車,從而造成很大的經濟損失。因此,SIS的遠程I/O站必須供電可靠,應采用UPS供電及雙路供電[8]。控制站應具有兩路電源接口。

電信系統不是實時控制系統。如攝像監控網絡、辦公網絡、調度通信、消防火災報警控制器等設備變更及日常維護頻繁,維護人員對危險化學品企業的操作要求、網絡中斷的后果往往不清楚。如果電信系統與自控系統共用同一供電回路,則會影響自控系統的可用性,但不影響其安全可靠性。根據以往事故案例,本文建議在供電方案設計中,可中斷電源的用電回路不宜接入重要負荷的配電回路,而應分開獨立配置供電回路,以避免設備停電或發生誤操作而影響其他重要設備的正常運行。

6 結論

本文通過對危險化學品企業中央控制室不同類型設備供電設計的探討分析,依據供電負載對電源可靠性、可用性的要求,提出主要用電設備的供電方案設計思路及應注意的問題。在DCS網絡機柜、DCS操作站等UPS冗余方式選擇上,單機雙母線系統性冗余UPS結構在工程實踐中易于實現。其可靠性、可用性、可維護性等性能指標完全滿足企業對供電的要求,是中央控制室特別重要負荷的較好供電方式。本文為危險化學品生產、存儲企業的“四區分離”項目改造和類似項目建設提供參考。優化供電方案設計能避免在供電方案設計過程中的失誤,從而更好地發揮中央控制室安全生產的保障作用。