事故應急電源系統在某化工企業的優化配置及應用

劉爽(中國石油化工股份有限公司鎮海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

1 事故應急電源的重要性

1.1 應急電源的分類[1]

(1)獨立于正常電源的發電機組：包括應急燃氣輪機發電機組、應急柴油發電機組。快速自起動的發電機組適用于允許中斷供電時間為15 s以上的供電。(2) UPS不間斷電源。適用于允許中斷供電時間為毫秒級的負荷。(3) EPS應急電源。適用于允許中斷供電時間為0.25 s以上的負荷。(4)有自動投入裝置的有效地獨立于正常電源的專用饋電線路。適用于允許中斷供電時間1.58或0.6 s以上的負荷。(5)蓄電池。適用于容量不大的特別重要負荷，有可能采用直流電源者。

1.2 選用事故應急柴油發電機的必要性

1.2.1 EPS作為事故應急供電電源的現狀

化工裝置事故負荷有動力型負荷及應急照明型負荷，原先選用EPS作為事故應急電源，存在以下問題：(1)可靠性低：全系統失電的事故情況下，因動力負荷采用蓄電池逆變供電，啟動過程中會發生電壓跌落過大致使接觸器無法保持吸合狀態或逆變器因過載關斷，造成動力負荷啟動失敗。(2)維護工作量大、維護成本高：蓄電池每3～6個月要維護檢查一次，且為保持蓄電池良好的放電特性，每3年需對幾百節電池進行更換，費用高達幾十萬。EPS內部主要為電力電子元器件，一般可靠壽命為8～10年，后期的設備更新費用也相當可觀。(3)設備故障率高，EPS經常出現采樣盒故障、通訊中斷或程序錯誤等軟硬件問題。上述原因嚴重威脅著裝置大機組輔機在事故情況下的正常運行。

1.2.2 事故應急柴油發電機的優勢

(1)容量大。單臺應急柴油發電機容量可達上千千瓦，相較與單臺EPS容量要大的多，可用一臺機組代替零星分布的幾十臺EPS。(2)設備可靠性高，壽命長。柴油發電機組與EPS相比較，除了控制器外，幾乎沒有電力電子元器件，因此更為可靠。且事故應急系統中柴油發電機組作為后備式電源，其壽命至少可達20 年。

2 事故應急電源系統在本企業的設計優化配置

2.1 事故應急電源系統的一次架構

本項目涉及17個裝置共21臺EPS整合，為保障事故應急電源系統可靠性，設置由三路電源供電的獨立事故母線，常用市電電源、備用市電電源分別取自兩個不同變電所，變電所上級選自35 kV不同母線段，盡可能降低事故母線雙路失電可能性。事故母線第三路供電電源采用柴油發電機供電。

2.2 事故應急柴油發電機容量選擇

本項目中發電機所載總負荷為348.82 kW，系統中最大單臺電機功率為37 kW。

(1)按穩定負荷計算發電機容量：

式中：SG1為按穩定負荷計算的發電機視在功率(kVA)；P∑為發電機總負荷計算功率(kW)；η∑為所帶負荷的綜合效率，一般取η∑=0.82～0.88，這里取0.82；cosφ為發電機額定功率因數，一般取cosφ=0.8。

(2)按尖峰負荷計算發電機容量：

式中：SG2為按尖峰負荷計算的發電機視在功率(kVA)；Kj為因尖峰負荷造成電壓、頻率降低而導致電動機功率下降的系數，一般取Kj=0.9～0.95，這里取0.95；KG為發電機允許短時過載系數，一般取KG=1.4～1.6，這里取1.4；Sm為最大的單臺電動機或成組電動機的啟動容量。

(3)按發電機母線允許壓降計算發電機容量：

式中：SG3為按母線運行壓降計算的發電機視在功率(kVA)；ΔU為發電機母線允許壓降，一般取ΔU=0.2；Xd′為發電機瞬態電抗，一般取Xd′=0.2；Xd′SstΔ為導致發電機最大電壓降的電動機的最大起動容量(kVA)。

因此，所選柴油發電機的視在功率不得530.9 kVA。

2.3 雙電源自動切換裝置的分類與選擇

雙電源自動切換裝置可以分為PC級與CB級，兩種有三方面的區別：(1)設計理念不同：PC 級采用隔離開關作為執行機構，能夠接通和承載但不能分斷短路電流[2]；CB級采用斷路器作為執行機構，配備過電流脫扣器，它能接通、承載和分斷短路電流。(2)觸頭耐受電流不同：PC級ATSE能承受20及以上的過載電流，觸頭壓力大，不易被熔焊[2]；CB級觸頭壓力小，當負載出現過載或短路時會斷開負載。(3)可靠性不同：PC級安全性高于CB級，爬電距離、電氣間隙也優于CB級。

因此特別重要的帶有事故動力型負荷的變電所需選用PC級雙電源切換裝置，其余裝置選用CB級雙電源切換裝置。其次，為防止是事故狀態下動力型負荷由備用電源供電時，常用電源突然來電，雙電源切換裝置控制器需選用帶有自投不自復功能，事故照明負荷可選用帶自投自復功能的控制器。

3 事故應急電源系統的切換邏輯

柴油發電機在收到啟動信號后到輸出額定功率至少需要10～15 s，為保證各種事故狀態下母線盡早恢復供電，因此在邏輯上設置只要檢測到母線失壓，則柴油發電機立即啟動做好隨時投用的準備。此外，當系統在事故柴油發電機供電的情況下，即使此時市電恢復供電，ACB1、ACB2、ACB3、ACB4開關狀態維持不變，且雙電源切換裝置不動作，待事故動力電源工況允許后人為手動切換，減少頻繁操作對系統的影響。常用市電電源與備用市電電源互為備用，任一電源失電在邏輯控制上相同，下圖1為常用市電電源失電的切換邏輯。

圖1 事故應急電源系統常用市電電源失電切換邏輯

負荷設置分批啟動，優先保證事故動力負荷。PC級雙電源切換時間設置為0 s，CB級雙電源切換時間設置為30 s。

4 切換試驗及波形

4.1 兩路市電失電，柴發遠控啟動，事故母線電壓波形

事故應急電源系統由常用市電電源供電，備用市電電源在退出狀態，人為拉開市電電源出線側電源開關ACB01，模擬系統失電狀態，則柴發控制柜接收到事故母線無壓信號后立即啟動，當出口電壓達到95%額定電壓后，分別延時2 s，合出口斷路器ACB4、ACB3，事故母線上電壓波形如圖2所示。母線電壓從跌落至恢復穩定，歷時11.7 s(其中程序內部各延時總計6 s)。

圖2 兩路市電失電，柴發遠控啟動，事故母線電壓波形

4.2 兩路市電失電，柴發帶最遠端電機啟動，事故母線電壓波形

電源系統由常用市電電源供電，備用市電電源在退出狀態，人為拉開市電電源出線側電源開關ACB01，模擬系統失電狀態，此時在系統最遠端接一臺37 kW電機空載啟動。母線電壓從跌落至恢復穩定，歷時11.8 s，電機啟動過程電壓跌落A相195 V、B相185 V、C相184 V，電機啟動電流A相152 A、B相162 A、C相167 A。兩路市電失電，柴發帶最遠端電機啟動，事故母線電壓波形如圖3所示。

圖3 兩路市電失電，柴發帶最遠端電機啟動，事故母線電壓波形

5 結語

改進后的事故應急電源系統，經過4年多的考驗，系統運行穩定可靠。柴油發電機帶事故負荷運行，啟動成功率及可靠性較以往的動力EPS有大幅提升。集中供電的模式，相較分布式的EPS供電方式，在日常維護中節省了定期測試、更換蓄電池、更換電力電子器件的大量人工成本與設備成本。通過對應急電源系統的改進與完善，提升了整個應急系統的備用可靠性。