鋼廠熱處理爐保安電源可靠性分析與改造

王 猛，盧憲強，溫 亮

（山鋼股份萊蕪分公司板帶廠，山東萊蕪 271104）

前言

寬厚板熱處理爐保安電源是指當全廠停電或停電故障時，為了避免損壞熱處理爐底輥等重要設備，保證熱處理爐順利停機而設置的電源。在寬厚板熱處理生產線的低壓配電系統中，當電網發生事故或廠用電源中斷時，應自動轉入UPS 不間斷供電，如遇較長時間停電，需要及時啟動柴油發電機切換供電，以保證熱處理爐安全停機，避免出現重大設備損失。

1 熱處理爐保安電源系統

寬厚板熱處理爐保安電源分為熱備、冷備兩種，熱備電源為2 套不間斷交流電源系統（UPS），采用蓄電池組供電，市電中斷時，對重要動力及控制電源的持續供電；冷備電源為柴油機事故保安電源，由柴油機驅動發電機作為備用應急電源，市電丟失后（UPS 已自動投入），需要在本地啟動柴油發電機，然后手動停止UPS 系統的動力電源輸出，并將柴油發電機的供電電源投入，用以代替UPS 動力電源。經以上操作后，UPS系統僅提供控制電源，柴油發電機僅提供動力電源，保證了設備安全用電。

1.1 UPS系統

寬厚板熱處理爐采用400 kVA 雙機并聯型UPS，每臺UPS 配置了5 組180 AH 電池，5 組電池并聯連接，每組32只，電池端電壓為12 V，輸出直接并聯，電池組端電壓為384 V，極限負載能力為800 kVA，2臺UPS互為冗余。

1.2 柴油機供電系統

寬厚板熱處理爐冷備柴油機保安電源為YCGJ1000 發電機組，是由濟柴公司制造的G12V190ZLI V 型12 缸柴油機作為動力源，驅動900 kW 三相四線自感應發電機，為寬厚板熱處理線1#、2#、3#熱處理爐提供備用應急電源，在出現進線跳闡情況下，該系統為熱處理線提供關鍵動力電源輸出，主要功能是替代UPS 系統的動力電源輸出，以保證控制系統的UPS 安全供電。該柴油發電機組當前的啟動方式為就地啟動，在出現進線跳闡的情況下需要專人到機旁進行啟動并手動切換供電輸出方式。

2 保安電源當前存在問題

2.1 UPS 電池狀態缺少有效監控，管理與維護難度大

2017 年8 月，在無供電故障，UPS 正常熱備狀態下，電池組發生著火事故，直接原因為個別電池老化或接線端壓接松動造成電阻升高，引起局部過熱從而引發整個電池組著火。

根據孫耀等相關文獻研究［1］及現場運維中暴露出的問題，UPS電池組僅靠人工巡檢維、測量費時費力，效率低下，對電池實時變化的電壓、內阻、溫度等數據無法及時撐控，對相應電池故障很難做到第一時間發現并掌握解決，導致了后備蓄電池組存在極大的隱患。

2.2 UPS電池組配置不合理

各電池組若放電不平衡，則極易導致單組電池過熱問題出現。

2019 年3 月因外部供電故障，熱處理線UPS 設備投入運行，電池放電20 min 后，電池著火燃燒，從事故現場調查發現，最先著火點為中間一組，火勢蔓延至其它電池組，造成更換上線不到一年的電池組全部燃燒損壞。主要原因分析為電池組放電不平衡，造成中間一組電池放電電流超額定極限，繼而造成發熱擊穿起火。

改造前電池組配置如圖1所示。

圖1 熱處理2號電氣室UPS電池組配置示意圖

在UPS 的使用過程中，每臺UPS 的極限帶載量可以達到350 kW，在上述配置方案下，如果每只電池放電截止電壓為10.5 V，電池組放電電流計算如下：

理想情況下，每組電池的放電電流計算如下：

但在實際電池組放電時，往往不能達到理想效果，這主要受限于各電池組的內阻、各電池的連接情況以及各組電池電纜的長度，而且極有可能出現各組電池放電不均勻的現象，特殊情況下，在電池組放電過程中，會出現其中某一組承擔絕大部分電流的現象，例如圖2。

圖2 電池組放電不平衡示意圖

而對于180 Ah 鉛酸蓄電池，其最大允許持續放電電流值約為180 A左右，如果出現在圖2所示的電流分配情況，則會導致某組電池因放電電流超額定極限，繼而造成發熱擊穿起火的現象，同時影響整個電池系統的安全運行。

2.3 原設計該UPS系統所帶的負載量偏大

故難以滿足應急狀態下滿負荷工況。

熱處理爐UPS 系統，在市電中斷的應急狀態下可為熱處理1#、2#熱處理爐輥道提供動力、控制電源，負載量如表1所列。

表1 設備負載量計算表

負載統計表明，1#與2#熱處理爐的爐底輥電機的設計總負載量合計為876 kW，如果全部滿負荷運行，已經完全超出了這套UPS 的實際額定容量，在之前的實際運行中，由于上述電機不會同時滿負荷運轉，實際負載量大約在750 kW 左右，2 組UPS 裝置并聯（10 組電池同時放電）運行能夠勉強正常運行。這種情況下，UPS系統處于安全極限運行狀態，如果出現10 組中的任一組電池故障就會導致其他電池組放電過大，帶來嚴重隱患。

2.4 部分啟動及遠程監控功能缺失

柴油機自啟動、機旁啟動及遠程監控功能缺失，冷備投入操作繁瑣，應急作業效率低，無法保障在長時間停電故障時，動力電源的及時切換供給。

當前寬厚板熱處理線柴油發電機機組為在本地通過控制屏啟動，缺失自啟動功能，在停電應急、人員緊張情況時，難以第一時間到柴油機房手動啟動。且發電機組的電路系統設計為單一的控制器控制，如果出現控制器故障，柴油機將無法啟動，對應急狀態下的備用電源供電會帶來極大的影響。如保安電源失效，導致出現大面積爐底輥彎曲變形，必須進行停產更換，僅加熱爐升降溫時間就需要7 天，整體更換爐底輥作業至少需要10 天以上停產時間，檢修備件費用180 萬元。

3 改造方案

3.1 UPS供電系統改造

配置2 組共計384 塊2 V 1 000 Ah 電池（配套電池柜組），替代原先10 組共計320 塊12 V 180 Ah 電池。將UPS 電池組的配置方案由原設計10 組并聯改為2 組并聯，降低電池放電電流不平衡的幾率。電池選型由12 V 180 Ah 改為2 V 1 000 Ah，增加單只電池的容量，避免電流增大電池溫升過快引起爆燃。

3.1.1 按照UPS 配置2 V 1 000 Ah 電池在極限狀況的各項計算與配置

在UPS 的使用過程中，每臺UPS 的極限帶載量設為350 kW，每組電池配置192 只，每只2 V 電池的放電截止電壓設定為1.75 V，UPS 電池組的最大放電電流計算：350 000÷192÷1.75＝1041.6 A。符合設備極限負載量要求。

配套設施為2 臺SIDERMAT1250A 組合式熔斷器隔離保護開關，ZRRV 型軟電纜配置要求線徑為2×240 mm2，進一步增加新系統的安全穩定性。

3.1.2 電池續航時間滿足要求

UPS電池放電時間的計算：

本次改造所選擇的25℃時1.60 V恒功率電池放電功率見表2。

表2 電池性能表

按照上述公式，負載量為350 kVA，功率因數為0.8 時，將各數據代入后計算結果為：每只電池放電功率需求為1 552 W，查閱上面的放電功率表得知，2 V的1 000 Ah電池可以延時約40 min。

如果按照應急狀態下150 kW計算，則放電功率需求約為665 W，同樣的配置情況下可保證2 h放電時間。

改造完的電池組配置如圖3。

圖3 改造后電池組示意圖

3.2 電池狀態監控改造方案。

根據陳井軍等人［2］成功案例，在UPS 電池組安裝監控模塊，實現對電池全面運行參數和性能參數自動監控。在每一節蓄電池上安裝一個監控模塊，監控模塊實時監測蓄電池的電壓、內阻、溫度等信息通過RS485線將監控數據傳輸到匯集模塊。在電氣室配備智能顯示主控模塊，UPS 電池組的監控數據，通過組端收斂模塊匯集到智能顯示主控模塊上顯示，同時通過網絡，將數據上傳到點檢維護人員手機終端進行儲存展示，電池狀態監控系統設備配置見圖4。可實現智能內阻測試、蓄電池內部溫度監控、智能容量估算功能，能夠準確發現故障電池，及時采取措施排除故障。

圖4 電池狀態監控系統設備配置示意圖

3.3 柴油發電機組便捷性改造方案

將柴油機四保護控制柜更新為可編程發電機組控制器，加裝通信接口及通信協議，實現遠端操作臺PC 控制啟動、聯機監控；同時新增機旁全手動控制裝置，在面板控制器突失效的情況下，實現在機旁人工手動啟動柴油機快速投入運行，提高熱處理爐保安電源的操作便捷性和可靠性。

3.4 電氣系統備件設備材料表

見表3。

表3 主要備件材料表

4 實際改造效果

熱處理保安電源改造完成后，能夠及時掌握UPS 系統每節電池的關鍵參數，提前發現存在的隱患，避免因電池性能老化、劣化造成的安全和生產事故，全面提升UPS 電池安全管理模式與效率，提高了設備智能化運營維護水平。

參考UPS 設備相關標準，利用熱處理爐停機時間進行UPS電池組供電測試［3］。模擬外部供電故障失電，不同負載條件下的UPS 供電情況，蓄電池組持續供電20 min，負載率50%左右，UPS設備控制面板顯示可供電時間110 min，完全滿足短時停的供電需求（見表4）。隨后操作臺遠程啟動柴油發電機，實現了5 min 內將UPS 供電切換至柴油發電機供電。本次保安電源持續供電測試結果表明，改造后的UPS 電池組供電穩定，溫度正常，持續供電能力可靠，柴油發電機供電切換的操作及時便捷性也大幅提升。

表4 UPS電池組放電測試記錄表