海洋平臺UPS選型計算研究

郭治貴,姚小華

(上海利策科技股份有限公司,上海 200233)

海洋平臺UPS選型計算研究

郭治貴,姚小華

(上海利策科技股份有限公司,上海 200233)

不間斷電源(UPS)是海洋石油平臺供電系統的重要設備,在正常電源及應急電源失效后,滿足通信、儀表控制、電氣保護、關鍵機械設備的控制盤或工作站等重要負荷的供電要求。論述了UPS選型計算方法，并以某海洋石油平臺UPS選型為例，進行了工程計算。所提出的計算方法簡便易行，可用于海洋石油平臺的電氣設計。

海洋平臺；供電系統；不間斷電源；重要負荷；選型計算

0 引 言

海洋石油平臺上不間斷電源(UPS)作為臨時應急電源，當主發電機停運并且應急發電機失效時，為平臺上儀表的工藝控制系統(PCS)、緊急關斷(ESD)、火氣系統(F&G)、通信系統設備、電氣系統控制保護設備和重要機械設備的控制盤或工作站等重要設備供電。這些設備直接關系到人員及設施的安全[1]。因此，正確進行UPS的選型計算在海洋平臺電氣設計中極為關鍵。科學的UPS選型計算方法及計算實例在海洋石油平臺的電氣設計工作中具有十分重要的實際應用價值。 本文詳細介紹了UPS的選型計算方法，并通過實例進行核實計算，證明該計算方法簡便易行。

1 計算方法

UPS的選型計算一般包括UPS容量、蓄電池容量、充電機額定電流和逆變器額定電流的確定。其中UPS容量的確定又要以負荷計算為依據。下面分別加以說明。

1.1 UPS預期負荷計算

首先確定UPS系統支持的負荷類型及數量，再將需要UPS供電的用電設備額定功率逐一輸入到負荷計算書內，然后進行累加[2]。 在此基礎上繪制負荷輪廓曲線、計算UPS容量及相應的電池容量。

使用自持法構建UPS系統負荷輪廓曲線。將自持時間內需要UPS 供電的瞬時負荷體現在曲線圖中,利用負荷輪廓曲線計算出UPS設計負荷(Sd)和設計能量需求(Ed),其中的自持時間是指電力系統供電中斷后,用電設備需要UPS支持供電的小時數。自持時間可按如下經驗取值:儀表設備(PCS、ESD、F&G、現場控制盤、儀表盤) 自持時間取0.5 h；所有電氣盤柜的保護回路，需要的自持時間取0.5 h；所有通信設備的自持時間取1 h。

負荷曲線的具體構建方法如下：將收集的負荷清單轉化為電氣負荷表，不考慮負荷的性質分類(連續、間斷、備用)，將所有負荷視為連續工作負荷，并將有功率換算為視在功率(S)，其中負荷功率因數按0.5計算。將負荷表中的負荷容量及負荷的自持時間單獨列表，形成負荷計算表，其中負荷用視在功率。再以時間(單位h)為橫軸,用電負荷容量(單位V·A或kV·A)為縱軸構建坐標圖；然后對每一個用電負荷以其自持時間為寬度，以其容量為高度構建能量方塊(這個能量方塊直觀地反映了用電設備消耗的能量)；最后將各個能量方塊在坐標圖中堆疊起來就構成了負荷輪廓曲線。在堆疊能量方塊時，先放自持時間最長的方塊，再依次按時間由大到小的順序將各方塊堆疊起來，所有方塊左邊與縱軸對齊。

接下來計算設計負荷及能量需要。設計負荷是整流器、逆變器、電纜、熔斷器、斷路器等功率轉換、分配、保護裝置的瞬時功率，計算公式為

Sd=Sp(1+kg)×(1+kc)，

(1)

式中：Sp為UPS總用電負荷的視在功率峰值，來源于負荷輪廓曲線的頂部縱坐標；kg為未來增長系數，主要是考慮未來負荷增長的可能性，按10%考慮；kc為計算裕量系數，主要是考慮在負荷統計過程中，可能存在評估不準確問題及由于維修不當引起的不理想的運行條件，其取值為10%。

設計能量需求計算公式為

Ed=Et(1+kg)×(1+kc)，

(2)

式中：Et為用電設備總的能量需求， 由負荷曲線下的面積求和得出。

1.2 蓄電池選型及計算

1.2.1 選擇電池類型及其特性

蓄電池選型應考慮如下幾個因素：蓄電池的物理特性(如尺寸、重量、容器材料、內部電池聯接、接線端子)、應用設計壽命、各電池預期壽命、放電的頻繁度及深度、環境溫度、充電特性、維修要求、通風要求、電池定位要求和振動因素。

目前應用于UPS的蓄電池主要有兩類，一類是鎘鎳蓄電池(堿性蓄電池)，另一類是閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA)，后者又分為膠體電池(GEL)和吸液式或貧液式電池(AGM)，貧液式電池比膠體電池用得更多。

與鉛酸蓄電池比較，堿性蓄電池有結構堅固、維護簡便、腐蝕性小、壽命長、耐過充電和過放電能力強、自放電電流小等優點，并且可以用不同的板極結構來適應不同倍率電流的放電,但其造價比鉛酸蓄電池高。

在工程設計時，需根據業主規格書要求及項目的具體情況確定蓄電池的類型。

蓄電池的特性可由制造商的數據表獲得，在進行計算時需要收集如下特性數據： 蓄電池容量、電池溫度、滿充時電極密度(對鉛酸蓄電池而言)、電池浮充電壓和電池終止放電電壓(EODV)。

1.2.2 確定串聯電池數量

對于特定的具體蓄電池組額定電壓，對應的串聯電池數量是確定的,如表1所示。

表1 蓄電池組中的電池數量Table 1 Number of cells in battery group

1.2.3 確定蓄電池組的容量

在整個指定的自持時間內，在滿足設計負荷要求的情況下，要求的最小的蓄電池容量取值可按以下公式計算:

(3)

式中:Cmin為蓄電池最小容量；Ed為整個自持時間內的設計能量需求；ka為電池老化系數(或衰減系數)，為了確保蓄電池在其使用壽命期內滿足容量要求，考慮1.25的衰減系數；kt為溫度修正系數，蓄電池的容量一般是按25 ℃的標準操作溫度給出的，而安裝現場的實際環境溫度可能不同，因此需要考慮溫度修正系數，對通氣型電池,IEEE485給出了指導值；kc為容量倍率系數，考慮到蓄電池放電期間的電壓降低，引入該系數，其值可用制造商的推薦值[對于鎳鎘電池,IEEE1115的附錄C對浮充電使用的情況建議取值為額定容量的安時值除以放電電流的安培值(針對指定的放電時間和終止放電電壓)]；Vdc為蓄電池組所聯接的直流母線標稱電壓；kdod為蓄電池的最大放電深度系數。

選擇蓄電池組的容量時，其值應大于按式(3)計算的結果，同時應指定蓄電池的放電率，也就是蓄電池的規格應包括安時容量和放電率(如500 A·h,C10)

1.3 UPS選型計算

1.3.1 UPS容量選擇

根據UPS的所有用電負荷并不同時工作的實際情況, 在考慮整個UPS的額定容量時，需要引入一個同時系數ks[3],一般按0.8～1.0考慮。按照前面的計算步驟算出設計負荷后,再乘以同時系數,由此來選擇UPS的額定容量。一般的供貨商有標準的額定容量,因此,只要在其標準序列中選比計算負荷大的第一個標準值即可。

1.3.2 整流器/充電器的選型

根據以滿負荷給逆變器供電的同時又以最大的充電電流給蓄電池充電的要求來選擇整流器/充電器。設計直流負荷電流的計算公式為

Il,dc=S/Vdc，

(4)

式中：Il,dc為設計直流負荷電流(滿負荷)，A；S為選擇的UPS額定容量，V·A；Vdc為蓄電池組所聯接的直流母線標稱電壓，V。

最大的蓄電池充電電流計算公式為

Ic=C×kl/tc,

(5)

式中：Ic為最大的直流充電電流，A；C為UPS相對應的蓄電池選型容量，A·h；kl為蓄電池的再充電效率(損失系數)，典型取值是1.1；tc為蓄電池最小充電時間，h。

整流器/充電器的最小電流為Idc=Il,dc+Ic。選擇額定電流大于計算結果的整流器/充電器即可滿足要求。

1.3.3 逆變器選型

為了持續為UPS負荷供電，逆變器的額定參數可使用設計交流負荷電流(基于UPS額定容量,kV·A)來選取[4]:

(6)

式中：Il為滿負荷時的設計交流負荷電流，A；Vo為標稱輸出電壓。選取額定電流超過設計交流負荷電流的逆變器可滿足要求。

2 計算實例

以BZ34-1 油田開發項目中的WHPE平臺的UPS選型為例，進行實際工程計算。

2.1 UPS預期負荷計算及負荷輪廓曲線

UPS用電負荷統計如表2所示。按表2的信息可以構建如圖1所示負荷輪廓曲線。

表2 UPS負荷表Table 2 UPS loads

圖1 負荷輪廓曲線Fig.1 Contour line of loads

圖1中負荷峰值Sp=32.766 kV·A ，則設計負荷為

Sd=Sp(1+kg)×(1+kc)=32.766×(1+0.1)×(1+0.1)=39.647(kV·A).

2.2 設計能量需求

圖1中負荷曲線下的面積為Et=21.746 kV·A·h,則設計能量需求即用電設備總的能量需求為

Ed=Et(1+kg)×(1+kc)=21.746×(1+0.1)×(1+0.1)=26.313(kV·A·h).

2.3 蓄電池選型及計算

BZ34-1 WHPE平臺根據項目環境條件，選用鎳鎘電池，蓄電池組電壓選用250 V,查表1可知電池個數可為192只。取ka=1.25;根據該項目的最高環境溫度34.6 ℃，按IEEE485取kt=0.93;取kc=1.1;取kdod=0.8;Vdc=250 V。因此有

=168.24(A·h).

顯然，選取200 A·h,C10較為合理。

2.4 UPS選型計算

首先是UPS容量選擇。BZ34-1 WHPE UPS的設計負荷Sd=39.647 kV·A，同時系數ks取0.85時的實際計算負荷為

Sdr=Sd×ks=39.647×0.85=33.70(kV·A),

選用40 kV·A的UPS即可滿足要求。

其次是整流器/充電器的選型。直流負荷電流

最大的蓄電池充電電流在tc=2 h時為

因此，整流器/充電器的最小電流為

Idc=Il,dc+Ic=160+110=270(A).

根據以上計算結果，可選300 A的整流器/充電器。

最后是逆變器選型。WHPE平臺的UPS的230 V母線為單相二線制，則

選取額定電流200 A的逆變器即可滿足要求。

3 結 語

UPS是海洋石油平臺上的臨時應急電源，其選型計算直接關系到生產安全。本文針對UPS選型計算給出了簡便易行的計算方法。對已完成的BZ34-1油田開發項目中的WHPE平臺上UPS選型進行了核實計算，驗證了該計算方法。本研究可為今后海洋石油平臺的電氣設計提供參考。

[1] 中國船級社. 海上移動平臺入級與建造規范[S].2005.

[2] 海洋石油工程設計指南編寫組.海洋石油工程設計指南(第三冊)[M].北京：石油工業出版社，2007.

[3] 任會元 .工業與民用配電設計手冊(第三版)[M].北京：中國電力出版社,2005.

[4] Open Electrical. AC UPS sizing [EB/OL]. http://www.openelectrical.org/wiki/index.php?title=AC_UPS_Sizing.

UPSSizingCalculationforOffshorePlatform

GUO Zhi-gui, YAO Xiao-hua

(ShanghaiRichtechEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200233,China)

Uninterruptible power supply (UPS) is a key device in the electrical system on the offshore oil platform. It supplies the key loads such as the communication equipment, instrument control, electric protection, and control panels or workstation for the key machines when the normal and the emergency power supplies both fail. We deal with the calculating method for sizing of UPS and perform engineering calculation on the UPS sizing of a certain offshore platform. It is proved that the calculating method is simple and convenient, and can be used for the electrical design of other offshore oil platforms.

offshore platform; power supply system; uninterruptible power supply; key loads; calculation for sizing

2015-05-04

郭治貴(1964—)，男,工程師,主要從事海洋石油平臺電氣設計研究。

TE54;TM744

A

2095-7297(2015)03-0201-04