0引言

武鋼有限硅鋼部某制氫站分為兩個作業(yè)區(qū),每個作業(yè)區(qū)均有6臺制氫煤壓機,全站共有12臺制氫煤壓機,年產(chǎn)氣量共17630000 m3。站內(nèi)共有兩套制氫控制系統(tǒng)(每套制氫控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控單一作業(yè)區(qū)域內(nèi)的6臺煤壓機),兩套制氫控制系統(tǒng)全部由日本橫河提供,制氫控制系統(tǒng)是全站的核心部分,承擔(dān)著氫氣站所有制氫系統(tǒng)、公輔系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制,與集控中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程機組開停和制氫壓力調(diào)節(jié)等功能。

站內(nèi)僅有一套離線式不間斷電源系統(tǒng)(UninterruptiblePowerSystem,UPS)^[1],主要為全站兩套制氫控制系統(tǒng)(包括PLC系統(tǒng)、操作站\交換機系統(tǒng)\控制柜中24 V信號模塊及工程師站)提供應(yīng)急交流電源,確保制氫控制系統(tǒng)電力供應(yīng)不中斷。在進線電源正常時,UPS 電源能通過穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、抑制浪涌、濾除噪聲、防雷擊等功能,給制氫控制系統(tǒng)提供頻率及電壓穩(wěn)定、波形失真極小的電源,從而滿足制氫站穩(wěn)定生產(chǎn)所需的要求^[2],是確保制氫站安全、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵保障設(shè)備。

1 改造前原UPS電源概況及存在問題

1.1原UPS電源概況

站內(nèi)唯一的UPS電源為法國梅蘭日蘭公司生產(chǎn)的在線式UPS,型號為SmArtDX100,容量為20 KVA,隨制氫機組投產(chǎn)同時投入運行。UPS主要由輸入濾波板、保護電路、整流器、蓄電池組、逆變器、靜態(tài)開關(guān)、直流斷路器以及交流輸出分配單元等組成,分為正常供電模式與蓄電池供電模式。原制氫控制系統(tǒng)UPS電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 存在問題

1)該UPS及蓄電池組均已投入運行12年,目前UPS 中的元器件老化現(xiàn)象顯著,已經(jīng)多次觸發(fā)故障報警機制;此外,部分關(guān)鍵配件已停止生產(chǎn),設(shè)備維修及備件更換面臨重重困難,這些因素共同導(dǎo)致UPS運行的穩(wěn)定性和可靠性嚴(yán)重降低。

2)制氫控制系統(tǒng)UPS兩路交流輸出回路共用同一段母線,該段母線為全站兩套制氫控制系統(tǒng)的所有負(fù)荷供電。然而,原設(shè)計存在一定運行風(fēng)險,一旦發(fā)生故障,例如短路或接地,母線電壓會迅速下降,進而影響到母線上所有制氫系統(tǒng)設(shè)備供電。

3)原UPS容量偏低。原UPS容量為20 KVA,氫氣站經(jīng)過擴建及改造,現(xiàn)制氫控制系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計如表1所示。

經(jīng)計算,兩套制氫控制系統(tǒng)總負(fù)荷P=(14.5十4.7十 4.93)×0.6十(2.1十2.8)×0.8≈18.4 KW。UPS三相負(fù)載率η=18.4/20=92%。

通常情況下 ,UPS的負(fù)載率應(yīng)維持在40%~80%。這樣的負(fù)載范圍不僅可以讓UPS達到最高的效率,還能確保在電力中斷時提供足夠的備用電力。在實踐中,將負(fù)載率控制在30%~80%可以得到最佳的穩(wěn)定性和效率^[3]。

4)原站內(nèi)僅有一套UPS及一套交流分配單元,無法滿足“N-1”的運行要求,一旦唯一的UPS出現(xiàn)故障,將影響到全站兩套制氫控制系統(tǒng)的供電,可靠性低,且檢修和維護難度大、風(fēng)險高,難以滿足制氫系統(tǒng)的運維需求。

2 UPS電源改造與優(yōu)化

2.1 UPS改造方案

更換原有UPS并新增一套UPS,兩套UPS均選擇施耐德E3SUPS30K3I型在線式UPS。在線式UPS是指不管電壓是否正常,負(fù)載所用的交流電壓都要經(jīng)過逆變電路,逆變器一直處于工作狀態(tài)。當(dāng)停電時,UPS 能馬上將其存儲的電能通過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電對負(fù)載進行供電,從而達到輸出電壓零中斷的切換目標(biāo)^[4]。新UPS配有LCD顯示屏,可顯示輸入/輸出電壓、電源頻率、輸出負(fù)載百分比、運行狀態(tài)以及故障報警等信息,且在單套UPS發(fā)生過流、接地或逆變器故障等情況下,UPS可給直流母聯(lián)開關(guān)發(fā)出合閘信號。成套UPS電源內(nèi)部集成電力電子元件,在正常運行時會產(chǎn)生較大的熱量,其工作環(huán)境溫度實測最高40℃ ,UPS電源對環(huán)境溫度有較高的要求,若未能采取有效的散熱措施,會使其使用壽命大幅縮短。原 UPS屏柜體的設(shè)計并未充分考慮散熱問題,缺乏專門的散熱結(jié)構(gòu),散熱主要依靠屏頂部通風(fēng)網(wǎng)格,但此種散熱方式的效果并不理想。新UPS屏柜頂部裝有散熱風(fēng)扇,前后柜門均為網(wǎng)格門,散熱方式為主動散熱,這樣既提高了UPS電子元件散熱效率,同時也有助于運維人員更方便地進行設(shè)備巡視及維護工作。

更換原有直流蓄電池組,單套蓄電池組容量由原20 Ah擴容至40 Ah。原蓄電池組服役時間長,內(nèi)部電阻增高,存儲容量下降,蓄電池組無法滿足制氫控制系統(tǒng)的后備時間要求,即在停電后蓄電池組的供電時間須大于2 h。

新UPS采用在線式UPS,兩套UPS進線為兩路獨立進線,每套UPS為單個作業(yè)區(qū)的制氫控制系統(tǒng)提供電源,兩套UPS在正常運行方式下獨立運行。按照設(shè)計方案,每套新UPS電源容量為30 KVA,由兩面屏柜組成。兩套UPS交流輸入電源采用雙回路供電方式,兩路電源取自不同回路。電源進線1取自站內(nèi)自用I段,電源進線2取自站內(nèi) 自用Ⅱ段,兩路進線電源均具有備自投功能,能充分保障供電系統(tǒng)可靠性。

在兩套新UPS電源交流輸出回路處增加母聯(lián)斷路器,兩套UPS設(shè)備正常運行時,母聯(lián)斷路器處于分閘狀態(tài),其中一套UPS設(shè)備發(fā)生故障時,可自動或手動合閘該母聯(lián)斷路器,由另一套UPS設(shè)備同時給兩套制氫控制系統(tǒng)供電。

改造后的UPS電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 UPS改造過程

改造前測試新UPS整機各項功能,確保新UPS系統(tǒng)無跳閘、停機等現(xiàn)象,經(jīng)過測試,新UPS輸出直流電壓滿足220×(1±3%)V的要求,但在合閘UPS進線380 V斷路器時,偶爾UPS會產(chǎn)生負(fù)載短路、逆變異常等故障報警。針對上述問題,分析原因為新UPS進線變壓器低壓側(cè)未增加濾波器,在進線斷路器合閘瞬間形成尖峰電壓,使UPS產(chǎn)生故障報警。為此,在新 UPS系統(tǒng)進線變壓器低壓側(cè)增加濾波電容,吸收并消除尖峰電壓。

改造時須保證全站制氫管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定,因在全廠大修期間,現(xiàn)場大部分機組停產(chǎn),制氫管網(wǎng)壓力需求較小,制氫站煤壓機可短時間停機。根據(jù)測算停機時間不得超過20 min,因此,改造時間定在大修期間,項目改造分為三個階段實施:

第一階段:原UPS僅一路進線電源,在全站制氫控制系統(tǒng)停電后,拆除原UPS,此時制氫站所有煤壓機處于停機狀態(tài),接著進行臨時交流電源的搭接,原 UPS所帶的作業(yè)區(qū)1制氫控制系統(tǒng)段的負(fù)荷由臨時交流電源供電,檢查控制系統(tǒng)負(fù)荷運行正常后啟動作業(yè)區(qū)1的4臺煤壓機,保證大修期間氫氣管網(wǎng)壓力需求。

第二階段:在氫氣管網(wǎng)壓力穩(wěn)定后,繼續(xù)安裝、調(diào)試新2#UPS及配套直流蓄電池組;其次對交流220/380 V母線進行分段改造,增加母聯(lián)斷路器,在新2# UPS安裝、調(diào)試完畢后,由改造后的2# UPS交流母線段對作業(yè)區(qū)2制氫控制系統(tǒng)供電,此時,停止作業(yè)區(qū)1的4臺煤壓機運行,并拆除臨時電源;啟動作業(yè)區(qū)2的4臺制氫煤壓機,保證全廠大修期間的氫氣管網(wǎng)壓力需求。

第三階段:安裝、調(diào)試新1# UPS及配套直流蓄電池組,并將新1# UPS交流電源輸出端連接至作業(yè)區(qū)1制氫控制系統(tǒng)段,在所有改造工作完成后,停作業(yè)區(qū)2兩臺制氫煤壓機,并啟動作業(yè)區(qū)1兩臺制氫煤壓機,此時所有負(fù)荷已依據(jù)平均分配與分段運行的原則,實現(xiàn)了負(fù)荷的合理分配,安裝調(diào)試工作已全部完成。

3 改造成效

1)UPS改造完畢至今,無故障發(fā)生,UPS由原來的一套新增至現(xiàn)在的兩套;交流輸出回路由原來的一段改造為現(xiàn)在的兩段,供電回路的可靠性得到了極大提升,在緊急情況下,若其中一套不間斷電源(UPS)出現(xiàn)故障,為保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全,母聯(lián)斷路器將自動進行合閘操作,由另一套UPS同時給兩套制氫控制系統(tǒng)供電,待故障處理完畢后,由專業(yè)人員手動斷開母聯(lián)斷路器,滿足故障時“N-1”的運行要求。

2)在兩套UPS投入運行后,使用電能質(zhì)量分析儀檢測掉電后切換直流時的電壓波形。分析儀波形顯示:交、直流切換時,輸出電壓波動<5%,切換時間<1.5 ms,輸出波形失真度<2.5%,無尖峰電壓,滿足制氫控制系統(tǒng)對不間斷電源的各項技術(shù)要求^[5]。

3)改造后平均每段直流母線負(fù)荷P=18.4/2=9.2KW,改造后單套UPS三相負(fù)載率η=9.2/30≈31%,負(fù)載率由原來的92%降低至31%,在最佳性能區(qū)間。同時 UPS的冗余容量有明顯增加,滿足武鋼有限配電管理和技術(shù)要求。

4)對UPS蓄電池組進行了擴容,蓄電池組容量由原20 Ah擴容至40 Ah,實測電池組事故放電時間由原來不足1.5 h提升至2.5 h以上,制氫站的生產(chǎn)穩(wěn)定運行得到了更為堅實的保障。

4 結(jié)束語

UPS設(shè)備在保障制氫站穩(wěn)定生產(chǎn)方面具有不可或缺的重要作用,我們秉持著安全可行的原則,成功對制氫站UPS實施了改造,該項 目不僅解決了站內(nèi)

UPS設(shè)備老化、輸出容量不足、無備用回路的問題,同時還提高了站內(nèi)控制系統(tǒng)的可靠性,保障了制氫站的穩(wěn)定運行。本文系統(tǒng)地介紹了制氫站UPS升級改造的完整流程,也為今后冶金行業(yè)UPS的設(shè)計、改造及實施提供了參考和借鑒。

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《機電信息》2024年第17期第18篇