1 石化行業(yè)生產(chǎn)裝置儀表配置UPS的必要性

石化行業(yè)生產(chǎn)具有高溫、高壓、易燃、易爆等特點，如果重要裝置的控制儀表突然停電，就可能會造成人員傷害、重大環(huán)境污染和較大經(jīng)濟損失。SH/T3082-2003《石油化工儀表供電設(shè)計規(guī)范》明確規(guī)定：“儀表及控制系統(tǒng)的用電負荷按SH3038‘石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設(shè)計規(guī)范’規(guī)定屬于一級負荷中特別重要負荷。這類負荷當供電中斷時，為確保安全停工及處理事故，不致造成設(shè)備損壞和人身傷害事故，不致造成重大經(jīng)濟損失，需要設(shè)置UPS。”

一級負荷包括：

安全儀表(聯(lián)鎖)系統(tǒng)(SIS);

⑵ 分散型控制系統(tǒng)(DCS)和相關(guān)的現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng);

⑶ 設(shè)備包廠商提供的關(guān)鍵可編程程序邏輯控制器(PLC)和相關(guān)儀表;

⑷ 石油化工生產(chǎn)裝置、重要的共用工程系統(tǒng)及輔助生產(chǎn)裝置的儀表及自動控制系統(tǒng);

⑸ 綜合壓縮機/透平控制系統(tǒng)(ITCC)以及關(guān)鍵的壓縮機組和泵類機組設(shè)備包提供的安全儀表;

⑹ 火災及可燃氣體和有毒氣體檢測系統(tǒng)(FGS);

⑺ 與裝置操作和安全相關(guān)的重要在線分析儀表。

2 中石化集團公司對UPS系統(tǒng)的要求

由于沒有統(tǒng)一的配置規(guī)范規(guī)定，各地企業(yè)、不同項目采用了多種UPS配置方案，多數(shù)方案并不規(guī)范，導致由于UPS系統(tǒng)故障導致儀表供電中斷造成生產(chǎn)停工事故頻發(fā)。因此集團公司2005年發(fā)布了《生產(chǎn)裝置過程控制儀表電源配電系統(tǒng)技術(shù)管理規(guī)定(暫行)》，并于2006年發(fā)布IN212-2006《儀表供電設(shè)計規(guī)定》。對UPS配電系統(tǒng)提出了如下幾點要求：

電源配置方案選用一般為：兩電源、三電源、逆變電源，其中逆變電源方案僅適用于熱電站及變電站;

系統(tǒng)在負載正常運行后，可以進行UPS離線檢修、蓄電池定期維護工作;

電源系統(tǒng)切換裝置應能實現(xiàn)無擾動切換;

低壓母線的直流饋出回路，需配置隔離及穩(wěn)壓器;

具備兩路供電的控制儀表，應具備兩路非同期工頻交流電源同時工作的條件。

對UPS的要求：

選用在線式UPS，電源質(zhì)量符合UPS輸出標準時，其逆變器在熱備用狀態(tài)運行，其接線簡單可靠;

UPS容量≤40kVA時，宜采用單相輸出;>40kVA時采用三相輸出。采用三相輸出時，UPS必需具備在短期內(nèi)各相100%不平衡情況下正常工作的能力;

采用單機運行方式;

采用密封閥控式鉛酸蓄電池，備用時間一般為(15~30)min;

UPS容量按新建系統(tǒng)的1.5倍配置。

3 UPS系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)構(gòu)架

如圖1所示，這是石化行業(yè)典型的兩電源UPS構(gòu)架，由兩路電源，一個隔離變壓器、一臺UPS組成。UPS采用雙電源回路輸入，UPS主電源由電源1提供，UPS旁路電源有電源2提供，同時UPS設(shè)置一個脫機維修旁路，允許UPS在故障維修或者更換時，系統(tǒng)仍然能夠正常工作。同時DCS系統(tǒng)中的負載分為兩個級別，即一般負載和重要負載，重要負載(一級負荷)由UPS系統(tǒng)直接供電，一般負載(三級負荷)由電源2經(jīng)隔離變壓器后供電。

⑴ UPS工作原理

UPS由整流器、逆變器、靜態(tài)旁路、手動維護旁路、電池組構(gòu)成。市電正常時，UPS將主回路的交流電整流成直流電，對電池充電，同時由逆變器將直流電重新逆變?yōu)榕c備用電源同頻率同相位的高精度交流電，為負載供電。市電異?；蛑袛鄷r，電池對逆變器供電，輸出高精度交流電為提供負載工作需求。UPS原理構(gòu)架如圖2所示。

⑵ 隔離變壓器原理

方案在市電電源2的后端設(shè)置隔離變壓器，輸入端采用△型接法，不引入中線，輸出端采用Y型接法。實現(xiàn)輸入與輸出的中性線隔離，減少干擾。

4 UPS的選擇

4.1基本參數(shù)選擇

有了合適的系統(tǒng)架構(gòu)之后，必需根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)選擇一臺合適的UPS。根據(jù)集團公司的文件要求，UPS至少滿足下列條件：

輸入電源質(zhì)量指標：

輸入電壓：三相380V±15%或單相220V±15%;

輸入頻率：50Hz±2.5Hz。

輸出電源質(zhì)量指標：

輸出電壓：220V±5%;

輸出頻率:50Hz±0.5Hz;

輸出波形失真率:小于5%。

輸出電源瞬間斷電時間應小于等于20ms。

輸出瞬時電壓降小于10%。

輸出諧波失真率：THD3%。

MTBF≥150,000小時.

上述參數(shù)對于目前的UPS技術(shù)而言，非常容易實現(xiàn)，以臺達NT系列UPS為例。目前該系列UPS能夠達到以下技術(shù)規(guī)格:

輸入電源質(zhì)量指標：

輸入電壓：三相380V±25%。

輸入頻率：50Hz±5Hz。

輸出電源質(zhì)量指標：

輸出電壓：220V±1%。

輸出頻率:50Hz±0.1Hz。

輸出波形失真率:小于3%。

輸出電源瞬間斷電時間應0ms。

輸出瞬時電壓降小于5%。

輸出諧波失真率：THD3%。

MTBF≥300,000小時.

UPS在選擇時，輸入范圍越大越好，寬輸入電壓范圍的UPS能夠更好的適應企業(yè)復雜的電網(wǎng)環(huán)境，降低UPS的電池放電次數(shù)。輸出范圍選擇精度越高越好，同時必需考慮輸出電壓瞬斷時間，越精密的儀器，短暫的瞬斷可能造成設(shè)備的誤動作或者數(shù)據(jù)誤碼，是一種致命的危險。因此UPS宜選擇輸出精度高、0瞬斷的機型。

4.2其它特性選擇

目前節(jié)能減排，綠色環(huán)保的概念在國內(nèi)各行業(yè)越來越重視，石化行業(yè)作為能耗大戶，肩負節(jié)能減排的任務尤為重要。由于行業(yè)特點，決定了石化行業(yè)在選擇UPS時，目前更多的是側(cè)重于工頻機，但是工頻工作時整流、逆變器的結(jié)構(gòu)，決定了UPS整機效率偏低，功率因數(shù)較低，同時工作時會產(chǎn)生大量諧波。因此，在UPS選擇時，宜考慮選擇效率高、支持ECO模式的UPS主機，同時應該考慮諧波抑制措施。

4.2.1 UPS ECO運行模式介紹

在石化集團公司的《生產(chǎn)裝置過程控制儀表電源配電系統(tǒng)技術(shù)管理規(guī)定(暫行)》中，明確提到：“電網(wǎng)電源質(zhì)量符合UPS輸出標準時，其逆變器在熱備用狀態(tài)運行”。這里指的熱備用狀態(tài)就是指UPS的經(jīng)濟運行模式(ECO)。即市電正?；蛘叻显O(shè)定條件時，用市電直接供電，此時逆變器工作，但是逆變靜態(tài)開關(guān)不導通，處于熱備份狀態(tài);當市電異常或超出預設(shè)范圍時，UPS逆變靜態(tài)開關(guān)導通，逆變器為負載供電。采用ECO模式時，整流器和逆變器幾乎不消耗能量，整機基本上只有風機的功耗。因此整機效率能從原有的93%左右，提升至97.5%以上。按照一臺100kVA UPS計算，一年可節(jié)省近25000度電，按年壽命計算，即可節(jié)省數(shù)十萬電費，相當于數(shù)臺UPS的直接購置金額。

需要注意的是，傳統(tǒng)的ECO模式控制采用不同步切換方式，當旁路電壓與逆變器輸出電壓之間的相位差或瞬態(tài)電壓差過大時，在執(zhí)行切換操作瞬間可能因環(huán)流過大引發(fā)事故，如燒毀靜態(tài)旁路的SCR或逆變器中的IGBT及驅(qū)動模組等;或在切換過程中造成切換時間過長。臺達NT系列UPS采用專利的控制方法，提高逆變器鎖相速率。可根據(jù)實際負載特性并搭配SCR強制換相控制，設(shè)計最佳轉(zhuǎn)換方法。當UPS鎖相產(chǎn)生相位差時，立即轉(zhuǎn)換至逆變器供電，避免不鎖相現(xiàn)象發(fā)生。

4.2.2 功率因數(shù)及諧波改善措施

UPS工作時，必需對輸入進行整流。石化行業(yè)一般采用6脈沖或12脈沖整流型UPS。其工作時，會使輸入功率因數(shù)降低并產(chǎn)生較大的電流諧波。同時石化工廠電網(wǎng)環(huán)境負載，UPS周邊設(shè)備一般為精密儀器，對電流諧波干擾較為敏感，諧波大，直接影響了設(shè)備采樣量精度，造成設(shè)備控制精度不良，影響產(chǎn)品品質(zhì)及生產(chǎn)安全。另外諧波的存在還會加大企業(yè)在變壓器、配電容量、布線線徑方面的負擔。因此，在選擇UPS的同時，必需考慮相應的功率因數(shù)及諧波改善措施。目前的主流UPS的改善主要包括移相、無源濾波器、有源濾波器、混合式濾波幾種方案。其中移相是指在6脈沖整流器基礎(chǔ)上，增加一個移相變壓器后再增加一個6脈沖整流器，可以抑制諧波。幾種諧波改善情況如表1所示。

5 結(jié)語

憑借多年在石化行業(yè)的耕耘以及對石化行業(yè)UPS應用需求的了解，目前臺達UPS已經(jīng)廣泛應用于中國石油、石化等領(lǐng)域，并以其優(yōu)秀的解決方案、卓越的品質(zhì)贏得了客戶的贊譽。

參考文獻：

中石化生[2005]531號,關(guān)于印發(fā)《生產(chǎn)裝置過程控制儀表電源供電系統(tǒng)技術(shù)管理規(guī)定(暫行)》的通知。

中國石化工程建設(shè)標準IN2012-2006《儀表供電設(shè)計規(guī)定》。