直流UPS在儀表控制系統中的應用探討

周寧，郭建軍

(1. 中國石化工程建設有限公司，北京 100101；2. 中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

儀表控制系統在石化企業安全生產中起到重要的作用，從生產運行、工藝聯鎖、現場工藝參數監控、流程控制到緊急停車，全過程都參與控制。根據GB 50052—2009《供配電系統設計規范》[1]的規定，儀表控制系統屬于一級負荷中特別重要負荷，除雙重電源外，還應增設應急電源為其供電，且應急電源切換時間應滿足允許中斷供電的要求。為滿足以上要求，石化企業普遍采用了交流UPS作為應急電源，當雙重電源故障后，蓄電池作為應急電源為儀表控制系統供電，保證裝置的安全聯鎖停車，并進行監控、處理和過程記錄，避免更大的安全事故和經濟損失。

1 交流UPS基本原理及特點

1.1 基本原理

交流UPS通過交流-直流整流回路給蓄電池充電，再經過直流-交流的逆變回路提供交流220 V電源給控制系統，當市電輸入正常時，UPS將市電穩壓后給儀表負載供電，此時的UPS就是1臺交流式穩壓器，同時它還向蓄電池部分充電；當系統電源事故停電時，蓄電池立即通過逆變器繼續向負載供電，使負載維持正常工作，交流UPS通常對電壓過高或電壓過低都能提供保護。交流UPS的基本原理如圖1所示。

1.2 特 點

由上述分析可知，交流UPS在架構功能上有以下特點：

1)正常使用過程中電源經過交流-直流-交流的變換，降低了效率，且散熱量大，運行成本較高。

2)整流、逆變環節都是7×24 h在線工作，不論是可控硅還是IGBT，作為電力電子元件，故障概率不能忽視；能源變換環節多，單點故障多，極端情況會影響到生產運行。

3)儲能裝置一般配置鉛酸蓄電池，壽命短、后期維護比較麻煩，且充電產生氫氣，需要考慮通風和防爆設計。

4)整體結構封閉，難以在線維護，控制比較復雜，故障后需要專業人士維護。

5)部分UPS采用相控整流技術，有一定的諧波含量，影響到輸入側電能質量環境。

圖1 交流UPS基本原理示意

1.3 優化措施

考慮到上述問題，石化企業在交流UPS的應用中制定了一些措施，盡量避免以上問題導致的故障，包括以下幾個方面：

1)重要裝置采用2套UPS供電方式，但禁止選用雙機并聯運行模式。

2)禁止選用具有遠程控制停機功能(ADC)的UPS。

3)禁止選用不帶獨立旁路電源的UPS。

4)禁止選用僅有蓄電池提供靜態旁路開關工作電源的UPS。

上述的規定在一定程度上避免了UPS本體導致的故障，但也帶來成本和運行費用的增加，并沒有從架構和原理層面解決問題。

2 儀表用電負荷

典型的石化裝置儀表負荷包括控制系統、儀表設備及市電負荷三個部分：

1)控制系統包括： 分散控制系統(DCS)、安全儀表系統(SIS)、壓縮機控制系統(CCS)、機組監控系統(MMS)、過程分析儀系統(PAS)和可編程序控制器(PLC)等。

2)儀表設備包括： 現場分析小屋，分析儀表、氣體探測器、色譜分析儀、碳氫分析儀等。

3)市電負荷包括： 電動閥、電伴熱、儀表盤/柜的照明、風扇和插座等。

以上三種負荷，控制系統采用交流220 V供電或直流24 V供電，而儀表設備一般采用直流24 V供電或交流220 V供電，市電負荷采用交流380 V/220 V供電。前兩種負荷，交流UPS的220 V輸出都滿足要求，其中的安全柵、繼電器、電磁閥、現場檢測儀表等采用直流24 V，此時交流220 V需經過開關電源變換為直流24 V后作為電源，對交流UPS的輸出又增加了一個整流變換環節，效率和經濟再打折扣。市電負荷采用電氣馬達控制中心(MCC)直接供電即可。

3 直流UPS系統技術探討

通過對交流UPS的結構原理和儀表用電負荷的分析，如采用環節簡單，可靠性高、效率高的直流UPS取代交流UPS，對石化裝置的安全穩定運行將會取得更積極的成效，這取決于以下幾個方面：

1)盡量減少UPS的整流逆變等環節，以提高UPS的可靠性。根據可用性A計算公式：

(1)

式中：MTBF—— 平均無故障工作時間；MTTR——平均修復時間。

由式(1)可以看出，提高MTBF和降低MTTR都可以提高系統可用性。如果減少中間環節，一定會提高MTBF和降低MTTR，另外，如果采用模塊化整流裝置，提高在線檢修維護的便利性，通過降低MTTR來提高可靠性。但由于蓄電池作為應急儲能電源，必然存在充放電過程，因此整流環節必不可少，只能取消逆變環節。

2)儀表負荷需要細化整理，適用于交流的負荷盡量改為直流，適用于直流的可直接應用。通過以上分析可知，如采用直流UPS則可達到提高可靠性的目的。

3.1 直流UPS系統原理

直流UPS系統原理如圖2所示。

圖2 直流UPS系統原理示意

圖2是直流UPS系統的拓撲結構之一，具有以下優點：

1)通過整流單元直接輸出直流220 V或直流24 V，減少了逆變環節，提高了整體可靠性和效率，降低了損耗，節省了運行費用。

2)結構非常簡單，整流單元為模塊化設計，標準化程度高。

3)直流系統采用模塊化熱插拔，可在線維護，非常方便。

通過以上分析，直流UPS的可靠性相比交流UPS有較大提高，且直流UPS一直應用于石化企業變電所的操作、保護和監控系統，發生故障的概率很低，但交流UPS故障影響儀表控制系統的安全運行時有發生，少數故障能影響生產的正常運行。

如果采用直流UPS,通過對儀表控制系統負荷的分析可知：

1)系統柜和輔助柜(包括安全柵、繼電器)等儀表負荷目前接收兩路交流220 V電源，通過柜內的開關電源轉換為直流24 V供電，直流24 V采用并聯方式，任一路交流電源故障時，直流24 V均不受影響。系統柜和輔助柜若采用直流UPS，用220 V/24 V直流變換器取代開關電源，對負荷則完全沒有影響。

2)對于分散控制系統等的操作站/工程師站、分析儀表、氣體探測器、色譜分析儀、碳氫分析儀和網絡交換機等負荷，其中的分析儀表、氣體探測器、色譜分析儀、碳氫分析儀等負荷對兩種電源均適用，而分散控制系統的操作站/工程師站等需要對制造商提出直流供電的要求，以滿足直流UPS的供電。

3)其他電動閥、電伴熱、儀表盤/柜的照明、風扇和插座等負荷，本身不要求UPS供電，可以直接采用電氣MCC提供交流電源。

通過以上分析，直流UPS對儀表負荷的供電不存在難以克服的困難。除部分控制系統及服務器等需要定制直流供電外，其他設備均能接受直流的供電。

3.2 直流UPS系統的架構優勢

3.2.1 直流UPS的模塊化設計

直流UPS的整流環節可以采用高頻開關充電模塊，應用N+1或N+2的冗余模式： 一是滿足直流輸出電能質量的要求；二是當任何一個模塊故障時，備用模塊可立即投入，不影響整機的性能，同時減輕了維護工作壓力，對故障模塊只需熱插拔更換即可，非常便捷，無需依賴交流UPS廠家支持；三是通過標準化的模塊擴展可實現容量的提升，實現了標準化生產和成本降低。

采用N+X模式比傳統1+1并聯模式效率更高，比交流UPS供電系統節能15%以上。

3.2.2 磷酸鐵鋰蓄電池系統的應用分析

目前石化企業交流UPS的后備儲能裝置主要是閥控式免維護鉛酸蓄電池，長期以來存在以下問題：

1)可靠性和維護問題一直是困擾運維的痛點。鉛酸電池單元故障不易監測，電池單元問題導致無法在應急狀態時投入的現象時有發生，再次降低了UPS的整體可用性。目前解決方案是配置電池巡檢儀，通過測量及計算內阻值可對電池的狀態和壽命監測起一定作用，但由于鉛酸電池性能曲線的非線性，準確監測比較困難且成本很高。

2)根據GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》中附錄B第23條規定： 蓄電池應屬于IIC級的分類；當含有可充電鎳-鎘或鎳-氫蓄電池的封閉區域具備蓄電池無通氣口，其總體積小于該封閉區域容積的1%，并在1 h放電率下蓄電池的容量小于1.5 A·h等條件時，可按照非危險區域考慮；當含有除本款第2項之外的其他蓄電池的封閉區域具備蓄電池無通氣口，其總體積小于該封閉區域容積的1%或蓄電池的充電系統的額定輸出小于或等于200 W并采取了防止不適當過充電的措施等條件時，可按照非危險區域考慮；含有可充電蓄電池的非封閉區域，通風良好，該區域可劃為非危險區域；當所有的蓄電池都能直接或者間接地向封閉區域的外部排氣，該區域可劃為非危險區域考慮；當配有蓄電池、通風較差的封閉區域具備至少能保證該區域的通風情況不低于滿足通風良好條件的25%及蓄電池的充電系統有防止過充電的設計時，可劃為2區；當不滿足該條件時，可劃為1區。

API 505： 2018Recommendedpracticeforclassificationoflocationsforelectricalinstallationsatpetroleumfacilitiesclassifiedasclass1，zone0,zone1andzone2中第8.2.6條敘述了蓄電池的劃分是因為電池有氫氣的釋放。同時，明確了電池的通氣口包含閥控式鉛酸蓄電池的閥。

由國內外規范相關條文可以看出，鉛酸蓄電池應作為釋放源進行爆炸危險區域的劃分。

在DL/T 5044—2014《電力工程直流電源系統設計技術規程》中第7.2.1條規定： 閥控式密封鉛酸蓄電池容量在300 A·h及以上時，應設專用的蓄電池室，專用蓄電池室宜布置在0層。同時，GB 50172—2012《電氣裝置安裝工程蓄電池施工及驗收規范》[5]中第3.0.7條強制性條文規定： 蓄電池室應采用防爆型燈具、通風電機，室內照明線應采用穿管暗敷，室內不得裝設開關和插座。

通過與爆炸危險區域劃分相關的規范要求和與蓄電池室相關的規范要求可以看出，當石油化工電源裝置容量較大時，閥控式鉛酸蓄電池的容量可能會超過300 A·h。如果考慮設置專用的電池室，電池室是否劃分為爆炸危險區域需要進行判斷，并需引起重視。當設置專用的電池室時，目前的通行做法為： 至少1 h換氣6次，采用防爆型燈具、通風電機，室內照明線路采用穿管暗敷，配置可燃氣體檢測等。因此，不論是標準規定還是設計方案，鉛酸蓄電池的使用都有很大的局限性。

因此，采用磷酸鐵鋰蓄電池是提高直流UPS可靠性的措施之一。鋰電池具有充電時不釋放氫氣的本質安全特性，同時在可靠性，壽命及性能方面具有強大的優勢。閥控式鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰電池特性比較見表1所列。

表1 閥控式鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰電池特性比較

續表1

通過表1可知，當采用磷酸鐵鋰蓄電池時，直流UPS的整體可靠性將有更大提高，更加滿足儀表控制系統的高可靠電源需求。目前已在石化企業中逐步推廣應用，如鎮海煉化、中化泉州等。

3.2.3 直流UPS應用中的問題

雖然直流UPS可以提高可靠性，降低故障率、提高效率和降低成本，但在實際應用中需要注意以下問題：

1)直流輸出可以選擇220 V和24 V，也可配置不同整流充電模塊同時輸出兩種電壓，220 V可以直供儀表設備，24 V可以直供系統和輔助柜，但是由于24 V電壓低，相同功率下電流約為220 V的10倍，傳輸電纜截面會增大，電壓降比率不易控制，長距離供電困難，所以需要與儀表系統柜就近布置，以保證電壓降水平。如果布置條件不具備，可統一采用直流220 V供電，在系統和輔助柜內配置220 V/24 V直流變換器，以解決電壓下降的問題。

2)直流UPS由于輸出是直流，通常是對地浮空，與DCS接地需要重新匹配，選擇不同的接地系統。

3) 交流和直流配電系統中斷路器的選擇和絕緣監測措施有所不同，需要注意直流系統的配電方案。

4 結束語

隨著石化企業規模的不斷增加，儀表控制系統的重要性越來越高，對高可靠電源系統的要求也越發凸顯，而電力電子技術和新型電池的迅猛發展，給直流UPS系統的應用帶來新的方向，相比交流UPS具有更加可靠、高效、安全和便于維護的優勢，建議先在中小規模的項目中試運行，根據效果加以推廣，作為石化企業儀表系統新型電源相信會有更好的應用前景。