多樣化供電方式在氯堿廠的應用

崔 旸

（唐山三友氯堿有限責任公司，河北 唐山 063305）

唐山三友氯堿有限責任公司是唐山三友集團的支柱企業，主要生產燒堿及PVC，目前生產規模為燒堿53 萬t/a、PVC 43.5 萬t/a、特種樹脂7 萬t/a。在生產過程中存在溫度高、壓力高且易燃易爆的危險，對部分設備的供電電源可靠性有著極高的要求。鑒于公司生產工藝的特點以及高度的自動化控制要求，部分設備在突然失去有效電力供應后，可能會發生系統聯鎖停車甚至爆炸事故，會嚴重影響正常生產。因此，為保證公司內各設備擁有可靠的電力供應，為不同性質的設備設置合理最優的不同類型的供電電源。確保這些設備能夠得到可靠電力供應成為日常工作中的重中之重。

根據負荷等級要求分級，首先對全廠設備進行統一的負荷等級劃分，再根據不同負荷等級對供電電源的要求分別采取有效的、相適應的供電方式，在滿足不同負荷要求、經濟實惠、且易于實現的前提下，提供穩定、持續、純凈、可靠的高質量電源。另外，各用電單元的供電電壓應根據其用電負荷容量、用電負荷特性、供電線路的回路數、距離等進行合理的選擇。

1 變電站及變電所增加聯絡

變電站及變電所是整個廠區的電力樞紐，其供電的可靠性、連續性影響到工廠的正常生產。

1.1 變電站部分

10 kV 供電電源的Ⅰ段和Ⅱ段之間采用母聯的方式連接，Ⅲ段和Ⅳ段之間的連接方式與Ⅰ段和Ⅱ段相同，見圖1。在正常運行的情況下，母聯開關處于分開的狀態，Ⅰ段和Ⅱ段、Ⅲ段和Ⅳ段分別為獨立運行的四段10 kV 供電電源段。當母聯開關檢測到其中一段發生故障失去電壓且失去電流時，將首先自動切斷這段的進線開關，并自動合入母聯開關，保證失壓段的電力供應。

圖1 變電站聯絡示意圖1

另外，10 kV 供電電源的Ⅰ段和Ⅲ段之間加上聯絡柜、Ⅱ段和Ⅲ段之間同理。在正常運行的情況下，Ⅱ段母聯開關和Ⅲ段母聯開關全部處在合閘位置，Ⅰ段母聯開關和Ⅲ段母聯開關全部處于工作位置。如果10 kV 母線Ⅰ段和Ⅱ段全部發生故障失去電壓且進線失去電流時，Ⅰ段聯絡柜母聯開關備自投自動斷開Ⅰ段和Ⅱ段進線開關，并且自動合上Ⅰ段聯絡柜母聯開關；如果10 kV 母線Ⅲ段和Ⅳ段全部發生故障失去電壓且進線失去電流時，Ⅲ段聯絡柜母聯開關備自投自動斷開Ⅲ段和Ⅳ段進線開關，并且自動合入Ⅲ段聯絡柜母聯開關和Ⅲ段、Ⅳ段之間母聯開關。

在變電站內[1]，每一段內均裝設了備自投設施，當某一段突然失電后，其余段可作為失電段備用應急電源使用，確保短時間內供電的可靠性。待失電段恢復正常供電后，系統自動斷開聯絡開關及母聯開關，合入進線開關，恢復分段運行。

以上為10 kV 電壓供電系統的連接方式，在其上級變電站中，供電系統的連接方式類似，且上級變電站由更高一級變電站提供4 路不同市電電源，保證了公司總電源的可靠性和持續性。

1.2 變電所部分

變電所聯絡示意圖見圖2，Ⅰ段和Ⅱ段之間采用母聯的方式連接，并裝設了備自投設施。在正常運行情況下，母聯開關處于分開狀態，Ⅰ段和Ⅱ段為獨立運行的兩段380 V 供電電源段。當母聯開關檢測到其中一段發生故障失去電壓且失去電流時，將首先自動切斷這段的進線開關，并自動合入母聯開關，保證失壓段的電力供應。待失電段恢復正常供電后，系統自動斷開母聯開關，合入進線開關，恢復分段運行。

圖2 變電所聯絡示意圖1

圖2 所示的系統連接方式為對供電電源要求較高的設備供電的連接方式。對于對供電電源要求非常高的設備的供電方式，采用圖3 的系統連接方式。如圖3 所示，由于部分設備對供電電源要求非常高，一旦停電將會造成停車事故，甚至導致人員傷亡。針對這種情況，除了在Ⅲ段、Ⅳ段和Ⅴ段之間增設帶備自投的母聯開關外，還增設了應急發電機組。

圖3 變電所聯絡示意圖2

公司現階段使用的應急發電機組為柴油式發電機組，作為應急電源設備以及備用電源設備的重要設施之一，其啟動迅速、效率高，日常維護操作簡單，普通電工經過系統培訓后均可進行維護工作.。

公司應急發電機組分為手動啟動和自動啟動兩種模式，平時機組設置為自動啟動模式，而發電機組例行試車時調到手動啟動模式。當系統全部停電后，應急發電機組自動啟動運行，為此部分設備提供可靠的電力供應[2]。

當檢測到Ⅲ段失去電壓且失去電流時，將首先自動切斷Ⅲ段的進線開關，然后自動合入母聯開關，由Ⅳ段變壓器為Ⅲ段設備供電，保證失壓段的電力供應。待失電段恢復正常供電后，系統自動斷開母聯開關，合入進線開關，恢復分段運行。

當檢測到Ⅳ段失去電壓且失去電流時，將首先自動切斷Ⅳ段的進線開關，然后自動合入母聯開關，由Ⅴ段變壓器為Ⅳ段設備供電，保證失壓段的電力供應。待失電段恢復正常供電后，系統自動斷開母聯開關，合入進線開關，恢復分段運行。

當檢測到Ⅲ段、Ⅳ段和Ⅴ段全部失去電壓且失去電流時，應急發電機組處于自動啟動狀態，應急發電機組接收到自動啟動信號后會自動啟動運行，自動啟動完成后系統延時4 s，自動斷開Ⅲ段、Ⅳ段和Ⅴ段進線開關1QF、2QF 和3QF，延時1 s，應急發電機組斷路器4QF 將自動合閘向Ⅲ段、Ⅳ段和Ⅴ段提供電力供應。待電網恢復正常供電，失電段恢復正常供電后，由操作人員確認供電確已恢復的，手動切除應急發電機組供電，合入進線開關，恢復分段運行。

2 DCS（集散控制系統）部分

氯堿公司為高度自動化控制的危險化學品生產企業，各界區內操作自動化水平較高，提高了操作的快速便捷性，同時節省了勞動力。但由于生產工藝的復雜性及出于安全考慮的各種安全生產措施，DCS控制系統涉及的聯鎖程序日益錯綜復雜。在這種情況下，一旦遇到緊急情況，必須確保DCS 系統供電的可靠性。無論是聯鎖停車還是事故狀態下的DCS緊急處理，都需要為DCS 控制系統提供可靠、持續、不可間斷的電力供應。前述電力供應方案顯然已無法滿足DCS 控制系統的要求，為解決這一情況，公司采用不間斷電源設備（UPS）為該系統供電[3]。

不間斷電源設備（UPS）能夠把輸入電源存在的電壓以及頻率的波動問題、諧波失真問題和其他干擾問題有效地消除，為DCS 控制系統提供穩定、持續、純凈、可靠的高質量電源。根據公司實際情況，為保證市電失電狀態下DCS 控制系統能夠緊急操作處理，不間斷電源設備（UPS）需配備蓄電池組，且蓄電池組的放電時間不小于30 min。

UPS 不間斷電源為DCS 控制系統供電示意圖見圖4，所用的UPS 電源均要求配置滿足DCS 系統所需供電時長的蓄電池。KM 為4 極交流接觸器，要求主觸點為2 個常開觸點和2 個常閉觸點。第一種供電模式，即正常運行的情況下，由主市電為UPS電源提供380 V 交流電源，由UPS 內部裝置轉換為交流220 V 電源后，為DCS 控制系統提供電力供應，此時的蓄電池一直保持充電狀態以備不時之需。第二種供電模式，即當主市電發生故障失去電力供應后，由蓄電池繼續為DCS 控制系統提供電力供應。如果在蓄電池電量耗盡之前，主市電恢復正常的電力供應，那么蓄電池將自動退出對外供電模式改為充電狀態。第三種供電模式，即當主市電發生故障失去電力供應且蓄電池電量已耗盡，此時由備用市電直接為DCS 控制系統提供電力供應。在主市電恢復電力供應后，系統自動恢復到第一種供電模式[4]。

圖4 UPS供電示意圖

以上3 種供電模式切換所需時間極短可忽略不計，能夠充分保證DCS 控制系統對電力供電的可靠性要求，確保DCS 控制系統的操作，保證工藝生產的安全穩定運行。由于UPS 電源價格較貴，此種供電方式僅應用在DCS 控制系統中。

在以上基礎上，部分DCS 控制系統采用并聯冗余的不間斷電源設備（UPS）。并聯冗余的UPS 由2臺間斷電源設備組成，共同分擔全部負載電流，這2 臺UPS 系統的輸出并聯在一個用電系統。每臺UPS 系統的總容量大于整個用電體統的總容量，當1 臺UPS 系統因出現故障等原因退出運行時，另1臺UPS 系統仍可為整個供電系統提供穩定、持續、純凈、可靠的高質量電源。

3 與消防相關的重要設施

作為危險化學品生產企業，首先必須有足夠的消防安全保障。消防設施運行要求發生事故時能夠提供足夠的電力供應，即在前述基礎上，為消防設施整體提供2 路不同的供電電源，且在電源末端設置自動電源轉換裝置，見圖5。正常運行的情況下，由主電源提供電力供應，當主電源斷電時，自動電源轉換裝置自動將電源切換至備用電源供電。待主電源恢復電力供應后，自動電源轉換裝置自動將電源切換回主電源供電[5]。同時要求電機、風機類設備過載時，只報警不脫扣，險情結束前保證電力持續供應。

圖5 消防設施供電示意圖

在對應急照明系統的改造過程中，為保證事故狀態下應急照明的正常使用，應急照明設置集中控制系統，除了設置雙回路供電以外，同時配備逆變應急電源（EPS）。當市電失電且發電機故障無法啟動時，能夠為人員撤離危險區域提供保障。

4 單臺設備的供電方案

公司在生產過程中使用的氯氫處理風機、油壓機等，一旦因系統失去電力供應停機時，會造成氯氣泄漏，導致生產系統聯鎖停車、人身傷亡事故等。此類設備歸為特別重要的設備。為防止其因失去電力供應而停機，除了將其設置在圖3 所述的供電系統中，對該設備的控制單元也進行了改造。

常見的交流接觸器在線圈得到電壓后，通過線圈中電流產生的磁力使主觸點閉合，并帶動輔助觸點閉合或者斷開。當電力系統發生晃電或斷電事故時，交流接觸器的線圈因為失去外部電壓，會主動釋放閉合的主觸點，此時一次回路變成開路狀態，造成設備停機。將此類設備的交流接觸器更換為帶機械鎖扣線圈的交流接觸器，當電力系統發生晃電或斷電事故時，交流接觸器的線圈由于被機械鎖扣牢牢鎖住，線圈不會因為失去電壓而釋放。待晃電結束或者應急發電機組運行后，交流接觸的線圈重新得到電壓，設備恢復到正常狀態下運行。此類方法在系統運行中極大可能地避免了因失去電力供應而停機。

聚合釜反應器是重要的生產設備之一，由于其在生產過程中遇到突然斷電存在爆炸危險，是氯堿公司重大危險源之一。鑒于聚合釜反應器的重要性和危險程度，為其配置圖3 所描述的供電系統。

聚合釜反應器的攪拌電機功率大、攪拌速度需精確控制，如果電器元件因為內部或者外部的故障原因停機，仍然存在設備停機的危險，故為聚合釜反應器攪拌電機設置了備用變頻器回路，見圖6，多臺電機共用一臺備用變頻器，降低了變頻器故障停機的頻率。

圖6 備用變頻器回路圖

備用變頻器設置了雙電源自動切換裝置，1# 電源和2#電源分別來自不同的變壓器，當變壓器在突然失電的情況下，由應急發電機組進行緊急狀態下的供電，變壓器與應急發電機組之間設置防止并列運行的措施。通過二次回路的聯鎖控制，當攪拌電機自有配電回路出現失電等故障時，聯鎖自動切斷自有回路供電，改為備用變頻器回路供電，保證攪拌電機運轉。而備用回路因為成本較高，且多臺聚合釜攪拌電機供電回路同時出現故障的概率很低，一個備用變頻器回路能夠滿足生產需求。

5 其他措施

除了上述有效提高供電電源可靠性的方式外，還采用了其他輔助措施。（1）特別重要設備的供電電纜及信號電纜，采用耐火型，保證一定時間內的電力供應及信號傳輸，為操作人員進行緊急處理贏得寶貴時間。（2）測溫電纜按照“S”敷設在電纜層及電纜溝內，對電纜的溫度進行24 h 監測，溫度超出范圍時測溫裝置發出報警信號，維修人員及時緊急處理，防止事故擴大導致電源切斷。（3）電纜夾層內設置懸掛式自動滅火裝置，內置干粉。發生火災時，溫度升高，滅火裝置內的液體受熱發生膨脹，促使密封片掉落，內置干粉自動噴出，達到滅火目的，將火災事故影響降到最低。（4）電纜頭、消防安全重要線路等涂刷防火涂料，能夠在一定程度上減小失電帶來的影響。（5）浪涌保護器的設置，保護各種儀器、電子設備、電纜線路等免受瞬時過電壓帶來的沖擊，保證設備正常運轉。

6 結語

在廠區內，存在各種各樣的用電設備，每個設備的負荷等級都不盡相同，有的設備在失去電源后并不會產生影響，而有些設備一旦失去電力供應則可能引發工藝聯鎖停車，甚至引起爆炸事故。針對設備的特點，對每個用電設備進行歸類整理，為其配置相適應的電源。多樣化的供電方式既滿足了不同設備的供電要求，又最大程度地使電力資源得到合理利用，避免了電力資源浪費。