應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)的集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)

李多山 陶苗苗

應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)的集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)

李多山 陶苗苗

（合肥聯(lián)信電源有限公司，合肥 230088）

為保障化工、冶金等一些工業(yè)系統(tǒng)中一級負(fù)荷和重要負(fù)荷的供電連續(xù)性，本文以山西晉城晉煤集團(tuán)煤制油有限公司為例，提出集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)，并闡述了該系統(tǒng)的組成、工作原理和集中監(jiān)控與集中管理，最后介紹該系統(tǒng)在山西晉城晉煤煤制油有限公司的應(yīng)用情況，以此得出集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)在復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)將會(huì)有很大應(yīng)用優(yōu)勢的結(jié)論。

一級負(fù)荷；供電連續(xù)；集中式動(dòng)力應(yīng)急電源；集中監(jiān)控與集中管理

在化工、冶金等工業(yè)系統(tǒng)，有些一級負(fù)荷如燒嘴冷卻水泵、事故冷卻水泵、密封沖洗水泵維持循環(huán)冷卻水或油系統(tǒng)運(yùn)行，如果電網(wǎng)供電系統(tǒng)發(fā)生電力故障，就會(huì)使燒嘴冷卻水泵、事故冷卻水泵、密封沖洗水泵等設(shè)備停止運(yùn)行，造成冷卻水或油系統(tǒng)不能工作，生產(chǎn)過程被破壞，引起設(shè)備和人身事故。所以，在這些工業(yè)系統(tǒng)中，需要保障一級負(fù)荷和重要負(fù)荷的供電連續(xù)性，動(dòng)力應(yīng)急電源可以防止電網(wǎng)中斷對生產(chǎn)過程的破壞，它與普通應(yīng)急電源相比，既能直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備電動(dòng)機(jī)解決供電波動(dòng)問題，又能與用戶控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，具有后備供電功能、變頻起動(dòng)功能、電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能和眾多輔助功能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

1 動(dòng)力應(yīng)急電源原理

由于工業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)現(xiàn)場的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷一般很大，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流也非常大，所以電源一般都采用變頻方式起動(dòng)，以減小起動(dòng)電流[2]。一般動(dòng)力應(yīng)急電源由控制單元、變頻電源、切換接觸器KM1、KM2、輸出斷路器QF1、電池、充電器等關(guān)鍵部件組成。其基本原理是將直流電能（如蓄電池）通過逆變器件變成交流電能，供交流動(dòng)力負(fù)載使用。動(dòng)力應(yīng)急電源其原理圖如圖1所示。

圖1中變頻電源的直流輸入端與電池相連，變頻電源輸出端接切換接觸器KM2，市電輸入接切換接觸器KM1，動(dòng)力應(yīng)急電源的控制器分別控制變頻電源起停和切換接觸器KM1、KM2開閉。

在市電輸入正常時(shí)，市電通過切換接觸器KM1經(jīng)輸出斷路器QF1給重要負(fù)載供電，同時(shí)系統(tǒng)控制器自動(dòng)進(jìn)行市電檢測及通過充電器對電池充電管理。變頻電源停止工作，處于自動(dòng)關(guān)機(jī)狀態(tài)；當(dāng)輸入市電供電中斷或市電電壓超限時(shí)，系統(tǒng)控制器指令切換接觸器KM2投切至變頻電源供電，變頻電源將電池所提供的直流能源轉(zhuǎn)換成交流電能，向負(fù)載供電。

在化工、冶金等工業(yè)系統(tǒng)，一級負(fù)荷如循環(huán)氣體壓縮機(jī)等負(fù)荷的數(shù)量往往很多，若都采用分散、獨(dú)立的動(dòng)力應(yīng)急電源方式，則存在以下缺點(diǎn)：

1）按照單臺應(yīng)急電源布局規(guī)劃，資源浪費(fèi)，并造成電池、主機(jī)等材料的重復(fù)。

2）各臺應(yīng)急電源應(yīng)急時(shí)間的差異性，造成系統(tǒng)應(yīng)急時(shí)間受到其中最短應(yīng)急時(shí)間應(yīng)急電源的制約。

3）單臺動(dòng)力應(yīng)急電源沒有專門布局規(guī)劃，在現(xiàn)場受到場地的限制[3]。

2 集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)

工業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)流程中當(dāng)涉及重要的安全環(huán)節(jié)時(shí)，通常并不是單獨(dú)一臺一級負(fù)荷，一般由系列關(guān)鍵性一級負(fù)荷組成[4]，例如山西晉城晉煤集團(tuán)煤制油有限公司生產(chǎn)現(xiàn)場有中壓鍋爐水循環(huán)泵、密封/沖洗水泵、事故冷卻水泵等一級負(fù)荷共10臺，其負(fù)荷功率與逆變器容量見表1。這些泵類負(fù)載一旦停電，沒有及時(shí)續(xù)電，容易造成工業(yè)原材料泄露、燃燒和爆炸等危害，繼而造成安全生產(chǎn)事故。因此要求這些泵類在生產(chǎn)過程中需24h無間斷工作。由于泵類數(shù)量較多，根據(jù)生產(chǎn)要求，我公司設(shè)計(jì)集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)要求。

表1 負(fù)荷功率與逆變器容量表

2.1 系統(tǒng)組成

集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)由充電配電單元、變頻電源、軟起（配電）、切換單元、蓄電池組、充電單元等關(guān)鍵部分組成。其中充電配電單元和充電單元LKC組合為1臺充電配電柜，40節(jié)120AH一組蓄電池組合在一臺電池柜內(nèi)，共24臺電池柜。每臺電池柜配備兩臺充電器給蓄電池組充電。每種負(fù)荷的設(shè)備由主機(jī)柜與軟起（配電）柜組成，共20臺主機(jī)柜和軟起柜。另還有3臺電池母線配電柜，其系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)工作原理

市電輸入經(jīng)充電配電單元和充電器輸入斷路器QFC，接入充電器LKC，充電器LKC的直流輸出端經(jīng)斷路器QFD接蓄電池組，蓄電池組經(jīng)過輸出熔斷器RD1接入直流母排，直流母排經(jīng)變頻電源輸入熔斷器RD2接入變頻單元的直流輸入端，變頻電源輸出端分別接到切換接觸器KM3、KM4。市電接斷路器QFA、QFB的輸入端，斷路器QFA、QFB的輸出端接切換接觸器KM1、KM2。電動(dòng)機(jī)M分別接切換接觸器KM1—KM4的輸出端。

當(dāng)市電正常時(shí)，市電經(jīng)充電配電單元內(nèi)的雙電源切換裝置、充電器LKC，給蓄電池組充電；控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場指令，控制KM1或KM2切換接觸器閉合，市電經(jīng)斷路器QFA、QFB，切換接觸器KM1或KM2，就地或遠(yuǎn)程操作電動(dòng)機(jī)M，控制負(fù)荷的運(yùn)行。當(dāng)負(fù)荷較大時(shí)，在市電供電支路增加軟起動(dòng)器，以減小電動(dòng)機(jī)M的起動(dòng)沖擊電流，其軟起動(dòng)器的電氣控制設(shè)計(jì)在軟起動(dòng)柜內(nèi)。

當(dāng)市電故障或中斷時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場指令，控制KM1或KM2切換接觸器斷開，閉合KM3或KM4切換接觸器，就地或遠(yuǎn)程起動(dòng)變頻電源，蓄電池組通過直流母排匯流，并分別通過變頻電源輸入熔斷器RD2向變頻電源輸送電能，變頻電源將蓄電池組的直流電能逆變成交流電能，并分別帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)M運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷應(yīng)急運(yùn)行。

為保證系統(tǒng)控制和切換部分的正常運(yùn)行，一般另外加裝一套小功率UPS控制電源，提供不間斷電源，給KM1或KM2切換接觸器正常工作。

由于系統(tǒng)體積較大，廠房配電規(guī)劃出專門的空間放置蓄電池組與應(yīng)急電源主機(jī)柜體，并通過電力線連接至現(xiàn)場負(fù)荷，主機(jī)柜體設(shè)有就地和遠(yuǎn)程控制轉(zhuǎn)換旋鈕，實(shí)現(xiàn)一級負(fù)荷的遠(yuǎn)控或現(xiàn)場就地操作[5]。

2.3 集中監(jiān)控與集中管理

整個(gè)集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)由1臺充電配電柜，24臺電池柜組成應(yīng)急儲(chǔ)能部分。蓄電池是系統(tǒng)應(yīng)急時(shí)的能量來源，電源系統(tǒng)共配有24臺電池柜，其蓄電池總量達(dá)到千節(jié)，如果其中部分蓄電池出現(xiàn)問題，將極大降低系統(tǒng)的應(yīng)急供電效果，甚至造成故障[6]。如何確保蓄電池組的正常充電、安全放電和日常維護(hù)是系統(tǒng)面臨的重要問題。

圖2 集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)原理示意圖

20臺主機(jī)柜和軟起柜組成負(fù)載的正常運(yùn)行和應(yīng)急運(yùn)行主體，每套主機(jī)柜與軟起（配電）柜都由一套獨(dú)立的控制系統(tǒng)組成，每套控制系統(tǒng)都要能夠與應(yīng)急供電系統(tǒng)控制和化工工控系統(tǒng)完成對接，由于存在控制信號、通信接口、通信方法、通信協(xié)議等眾多接口與協(xié)議問題，所以，如何實(shí)現(xiàn)各臺主機(jī)、應(yīng)急供電系統(tǒng)和化工工控系統(tǒng)相互之間的協(xié)調(diào)控 制[7]，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集中控制的必要條件。

集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)通過集中監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的集中監(jiān)控與集中管理。一方面電源系統(tǒng)內(nèi)每套控制系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)據(jù)總線與集中監(jiān)控系統(tǒng)連接，通過數(shù)據(jù)總線連接技術(shù)，集中監(jiān)控系統(tǒng)采集每套控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)處理，并對各套系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的集中管理；另一方面，每組蓄電池設(shè)計(jì)電池組監(jiān)測模塊，各電池組監(jiān)測模塊對電池組中每一塊電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)信息通過系統(tǒng)通信總線上傳到集中監(jiān)控系統(tǒng)。集中監(jiān)控系統(tǒng)能夠根據(jù)上傳信息，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地提供電源系統(tǒng)電池組每一節(jié)電池的電壓情況，對電壓值超出額定范圍的電池進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，使得維護(hù)人員能夠及時(shí)更換報(bào)警電池，避免了電池組失效和電池異常引起爆炸等危險(xiǎn)情況的發(fā)生[8]，同時(shí)蓄電池的集中監(jiān)測與集中管理，減輕了值班人員的工作量。

2.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

從上面的說明可以看出，集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）工業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)是整體的，集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)的應(yīng)急時(shí)間受整體蓄電池組放電時(shí)間的限制，不會(huì)受到單機(jī)蓄電池式應(yīng)急電源應(yīng)急時(shí)間差異性限制，保證工業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)作業(yè)應(yīng)急環(huán)節(jié)的連續(xù)性與一致性。

2）集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)通常放置在專門規(guī)劃的空間區(qū)域，并不占用現(xiàn)場作業(yè)空間區(qū)域，這樣避免了單臺應(yīng)急電源擠占現(xiàn)場作業(yè)空間的困局[9]。

3）多機(jī)應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以對單臺電源進(jìn)行資源有效整合，提高系統(tǒng)的利用率，降低系統(tǒng)總成本。

3 應(yīng)用情況

經(jīng)過設(shè)計(jì)和制造，集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)于2014年在山西晉城晉煤煤制油有限公司投入使用，至今已有兩年，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，完全滿足用戶要求。該系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3所示。

4 結(jié)論

集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)有力地保障了一級負(fù)荷和重要負(fù)荷的應(yīng)急供電，防止電網(wǎng)故障對正常生產(chǎn)過程破壞，減少設(shè)備和人身事故，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失[10]。集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)在我國的廣泛推廣和應(yīng)用，增強(qiáng)了工業(yè)生產(chǎn)抵御突發(fā)電力故障的能力，保障了工業(yè)設(shè)備的安全運(yùn)行。所以，規(guī)模化應(yīng)用集中式動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)也將越來越多，更能受到用戶歡迎。

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Centralized Emergency Power Supply System for Industrial System

Li Duoshan Tao Miaomiao

(Hefei Lianxin Power Co., Ltd, Hefei 230088)

As a continuity of power supply load and load protection important chemical and metallurgical industrial system in the Shanxi Jincheng Coal Group Coal Oil Co. Ltd. as an example, proposed power centralized emergency power supply system, and describes the system structure, working principle and centralized monitoring and centralized management, finally introduced the system in application of Shanxi Jincheng coal coal Oil Co. Ltd., in order to draw power centralized emergency power supply system has a great advantage in the application will be the conclusion of the complex industrial systems.

primary load;continuous power supply; centralized emergency power supply; centralized monitoring and centralized management

李多山（1965-），男，安徽省合肥市人，大專，主要從事電源技術(shù)應(yīng)用工作。