化工儀表UPS配置管理及維護探討

黃開強

（海洋石油富島有限公司，海南三亞 572600）

1 概述

我司共四套化工裝置，主要生產尿素及甲醇。各主裝置按工藝流程功能劃分區域較多，DCS控制室及儀表機柜間較為分散，四套化工裝置合計約22套儀表用UPS電源，均是在線式UPS （online UPS），其中有四套特別重要的UPS是大功率在線工業級工頻機，其余都是小功率在線式高頻商業機。四套大功率UPS當中有一套容量為80 kVA，型號為PEW 1080-220/220-EAN，投用18年后我司對此UPS進行全面評估，認為此設備存在元器件老化，主要功率模塊等核心備件停產，無備件更換，電池容量衰減嚴重，電池電壓差異大等諸多問題，決定對此UPS進行升級改造。在升級改造過程中，因條件所限制，主要在主從熱備份，共用電池組1+1冗余并機兩種方案中比選，經比選最終采用共用電池組1+1冗余并機方案進行升級改造，此1+1冗余并機UPS系統每個單機UPS系統中都有靜態開關，在正常方式下，兩個UPS同步運行均分負載，當其中一個UPS故障時，這個UPS不轉旁路而是自動地脫離系統，此時由另一個UPS為負載供電。當兩個UPS均故障或UPS系統過載時，各單機UPS系統的靜態開關同時將負載轉換到由旁路電源供電，如圖1所示。

圖1 共用電池組1+1冗余并機

1.1 優點

兩臺UPS并機運行，UPS電源輸出過載能力增強；負載功率平均分配；兩臺機器可以輪流安排檢修，不影響負載正常供電。

1.2 缺點

兩臺UPS并機運行，當母線電壓不均衡，回路會產生環流；共用一套電池組，可靠性降低。

綜合上述，共用電池組1+1冗余并機系統因考慮到1+1并聯冗余技術較為成熟，且應用廣泛，整體可靠性比主從熱備份并機方案可靠性高，符合化工裝置對UPS設備較高可靠性的要求。

1.3 遺留的問題

1.3.1 兩臺UPS電池組共用問題

兩臺UPS，只配置一套電池組，這是非典型的配置方式。在電池組共用的運行方式下，會明顯降低UPS整體供電的可靠性。一方面當電池離線性能考核或檢修時，兩臺UPS均沒有電池保證后備電源，容易因市電故障，造成UPS整體斷電的風險；另外一方面，當一市電故障的情況下，電池會同時工作在既充電又放電的異常工況中，在短時間內就能夠造成電池發熱，溫度上升，甚至引起電池極柱密封圈老化，電池電解液泄漏，電池損壞或報廢。

1.3.2 三路交流輸入集中在同一6 kV母線段問題

1#UPS主路輸入、2#UPS主路輸入、UPS旁路輸入來自同一6/0.4 kV變電站兩臺變壓器下的三個配電間隔，如果從6 kV系統看，實際上三個輸入電源在同一6 kV母線上，供電的可靠性明顯降低，當上一級電網一個電源斷電的情況下，就會造成UPS整個市電失電情況。

1.4 改進措施

（1）按照1+1冗余并機的標準配置，再增加一套電池組，兩套電池組分別帶一套主機。升級改造投運后UPS第一次檢修，增加了一套電池組，兩套主機分別帶一套電池組運行。

（2）把1#UPS主機交流輸入電源轉移到對側6 kV母線段對應的變壓器上。升級改造后，趁UPS檢修時，已把1#UPS主機交流輸入電源轉移到對側6 kV母線段對應的變壓器上，有效避免三路市電輸入電源過于集中帶來的風險。

2 化工儀表UPS配置

2.1 UPS配置方案

從圖1的UPS配置系統圖看，化工儀表之所以引入UPS電源，除了確保負載供電的不間斷，改善供電電源質量外，更重要的目的是電源的隔離，減少干擾。化工行業屬于受控的高危行業，在裝置運行過程中，設備存在高溫、高壓、有毒可燃等危險因素；為了安全控制生產過程，使用DCS、PLC、SIS聯鎖等控制系統，這些系統的負荷均屬于重要負荷。按照設計規范要求，需配置兩電源供電，且要有后備電源，因此在化工行業典型的配置中，重要負荷一路由具有后備電池的UPS供電，一路由市電通過隔離變壓器隔離后的電源作為備用電源。兩路電源可實現自動切換，從而提高重要負荷供電的可靠性。后來在此典型配置方案基礎上，根據不同的需求又衍生出UPS并機方案，如主從熱備份、互動熱備份、互動熱備份ATS、冗余并聯方案等。無論是UPS單機配置，還是UPS并機從化工儀表供電設計規范要求，都需要隔離變壓器來進行隔離。而這往往是大多數商業UPS電源不具備的功能。

2.2 UPS的選擇

（1）選用在線式正弦波UPS。

（2）UPS電池應選用鉛酸蓄電池或鎳鎘電池，其后備時間一般為15～30 min。

（3）按單臺UPS帶載，負載率60%。

2.3 UPS電源質量

石油化工儀表供電設計規范要求，如表1所示。

表1 石油化工儀表供電設計規范

3 化工儀表UPS管理

1）UPS安裝在空調房內，電池室通風良好，運行環境溫度25±5 ℃，相對濕度40%～70%。

2）建立UPS及電池的設備檢修臺賬，記錄UPS運行、事故、測試情況，統一人員管理。

3）根據UPS制造廠編制的維護手冊，編制定檢項目及計劃。

4）定期對UPS進行檢查評估。

5）UPS的故障報警信號應引入電儀報警系統。

6）UPS電池每季度進行1次內阻檢測，每年進行一次容量檢查及活化充放電試驗。

7）交直流電容器一般5～6 a一更換。

8）風扇一般2～3 a一更換。

4 UPS維護

UPS是化工生產裝置中關鍵的電源設備，其運行的安全穩定性直接影響著儀表控制系統乃至化工裝置的安全穩定性，因此，確保UPS的安全穩定長期運行，在設備管理中起著重要的作用。要充分學習用戶手冊，科學維護管理，盡其所能延長UPS的使用壽命。

4.1 核心元器件維護

UPS核心元器件的壽命與UPS整機的壽命息息相關。對核心元器件的維護要做好以下方面內容。

（1）確保UPS/逆變器周圍通風和清潔。

（2）每季度至少一次檢查輸入、輸出、旁路電纜及其終端。清潔前門及后門上的濾塵器。

（3）每1～2 a（視條件）至少一次打開 UPS/逆變器，檢查電源變壓器的電纜連接，檢查功率元器件，檢查、清掃、緊固直流母線。

4.2 電池維護

因蓄電池缺乏維護而導致設備故障在UPS的故障占比中比較高，例行對UPS蓄電池進行維護，將很大程度上降低電池故障率，延長蓄電池的使用壽命。電池的維護包括預防性維護和矯正性維護。通過定期的電池表面清潔，環境溫度檢測，電解液液位檢查，電池電壓及內阻檢測，日常測溫，極柱檢查緊固，電池離線三充兩放容量考核等方式來實現對電池全壽命周期管理。

4.3 易耗件維護

在以往的運行維護中，往往只注意對電池的充放電、控制模塊及功率模塊的清潔維護等工作，而對UPS中交流電容器、直流電容器、風扇等易損件的關注度不足，而這些價值較低的易損件往往也對UPS的穩定性、安全性起著重要的作用。

4.3.1 直流電容

UPS直流電容器并接在整流器后端、逆變器前端的直流母線的正負極之間，主要作用是儲能、濾波、降低直流母線紋波，為逆變及電池充電提供穩定的直流電壓。目前設備所選用直流電容器均為電解電容器，電解電容器在使用過程中電解液會不斷的損失，容量下降，耐壓降低。如果超期使用，特別是在高溫環境下，可能會產生漏液，外殼鼓脹，引起UPS功率部件故障，造成生產事故。目前直流電容器的設計壽命只能達到5～6 a，所以對UPS直流電容器必須進行定期檢查，及時更換到期的電容器。

4.3.2 交流電容

交流電容器與直流電容器結構相似，它與電感器組成了輸入輸出濾波器，輸入濾波器降低了整流器對電網的諧波，UPS逆變器輸出通過輸出濾波器為負載提供標準的正弦交流電，交流電容器超齡運行，容量會不同程度降低。

4.3.3 容器漏液

容量差異較大會造成輸出三相電壓出現偏差，導致UPS故障及并機系統的不均流等問題，存在安全隱患。

4.3.4 風扇

UPS在啟動以后，風扇在長年累月不間斷運行。它的主要作用是為UPS的核心功率模塊散熱。整流器、逆變器、旁路逆變靜態開關、輸入輸出濾波電感器、隔離變壓器等都是UPS的主要發熱部件，如果風扇故障或由于超齡運行速度降低，直接會影響到這些發熱部件的散熱，溫度會急劇上升，UPS會由于熱過載而停機，嚴重情況下會造成功率器件的損壞甚至會引起燒毀等嚴重的事故。

風扇、交流電容器、直流電容器等易損件相比于控制模塊、功率模塊等在UPS成本中只占很小的比例，但它的故障往往會引起功率部件和控制部分的故障，導致維修和使用成本的大幅上升。因此，為增強UPS系統的安全性和降低維修使用成本，應定期更換超齡運行的易耗件。一般情況下，風扇更換周期一般在2～3 a，交、直流電容器的更換周期在5～6 a。

5 結語

化工裝置儀表UPS電源設備是核心設備，對裝置的安全穩定運行起到關鍵作用。UPS的配置、管理、維護環節密切相關，相輔相成，缺一不可。要設計一套完整的UPS供電方案，除了需考慮前后級供電系統，系統總容量及電池容量配備，電氣隔離和接地，系統的可靠性、靈活性，還要考慮節省投資，以及不同用電設備對供電系統的各項指標和數據要求，才能設計一套最佳的UPS供電方案。但即使有一套最佳的UPS供電方案，UPS的管理、維護不到位，UPS供電系統也不能達到安全、穩定運行。因此化工裝置儀表UPS不管是新增還是技改項目，從UPS配置方案開始就要仔細論證，并通過科學的管理和維護，達到UPS安全、穩定、長壽命運行。