制氫站UPS改造與優化實踐

摘要：武鋼有限硅鋼部某制氫站UPS系統存在設備老化、輸出容量不足、無備用回路等問題，需要進行改造。改造方案包括更換原有UPS和蓄電池組，并增加一套UPS，以及優化交流輸出回路，增加聯絡開關。改造后，UPS系統的可靠性、冗余輸出功率和蓄電池組容量得到明顯提高，滿足了制氫站生產穩定運行需求。

關鍵詞：UPS；制氫站；改造；優化

中圖分類號：TM919" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0074-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.018

0" " 引言

武鋼有限硅鋼部某制氫站分為兩個作業區，每個作業區均有6臺制氫煤壓機，全站共有12臺制氫煤壓機，年產氣量共17 630 000 m3。站內共有兩套制氫控制系統（每套制氫控制系統負責監控單一作業區域內的6臺煤壓機），兩套制氫控制系統全部由日本橫河提供，制氫控制系統是全站的核心部分，承擔著氫氣站所有制氫系統、公輔系統的狀態監控與遠程控制，與集控中心實現數據傳輸、遠程機組開停和制氫壓力調節等功能。

站內僅有一套離線式不間斷電源系統（Uninterruptible Power System，UPS）[1]，主要為全站兩套制氫控制系統（包括PLC系統、操作站、交換機系統、控制柜中24 V信號模塊及工程師站）提供應急交流電源，確保制氫控制系統電力供應不中斷。在進線電源正常時，UPS電源能通過穩壓、穩頻、抑制浪涌、濾除噪聲、防雷擊等功能，給制氫控制系統提供頻率及電壓穩定、波形失真極小的電源，從而滿足制氫站穩定生產所需的要求[2]，是確保制氫站安全、穩定運行的關鍵保障設備。

1" " 改造前原UPS電源概況及存在問題

1.1" " 原UPS電源概況

站內唯一的UPS電源為法國梅蘭日蘭公司生產的在線式UPS，型號為SmartDX100，容量為20 kVA，隨制氫機組投產同時投入運行。UPS主要由輸入濾波板、保護電路、整流器、蓄電池組、逆變器、靜態開關、直流斷路器以及交流輸出分配單元等組成，分為正常供電模式與蓄電池供電模式。原制氫控制系統UPS電源供電系統結構如圖1所示。

1.2" " 存在問題

1）該UPS及蓄電池組均已投入運行12年，目前UPS中的元器件老化現象顯著，已經多次觸發故障報警機制；此外，部分關鍵配件已停止生產，設備維修及備件更換面臨重重困難，這些因素共同導致UPS運行的穩定性和可靠性嚴重降低。

2）制氫控制系統UPS兩路交流輸出回路共用同一段母線，該段母線為全站兩套制氫控制系統的所有負荷供電。然而，原設計存在一定運行風險，一旦發生故障，例如短路或接地，母線電壓會迅速下降，進而影響到母線上所有制氫系統設備供電。

3）原UPS容量偏低。原UPS容量為20 kVA，氫氣站經過擴建及改造，現制氫控制系統負荷統計如表1所示。

經計算，兩套制氫控制系統總負荷P=（14.5+4.7+4.93）×0.6+（2.1+2.8）×0.8≈18.4 kW。UPS三相負載率η=18.4/20=92%。

通常情況下，UPS的負載率應維持在40%～80%。這樣的負載范圍不僅可以讓UPS達到最高的效率，還能確保在電力中斷時提供足夠的備用電力。在實踐中，將負載率控制在30%～80%可以得到最佳的穩定性和效率[3]。

4）原站內僅有一套UPS及一套交流分配單元，無法滿足“N-1”的運行要求，一旦唯一的UPS出現故障，將影響到全站兩套制氫控制系統的供電，可靠性低，且檢修和維護難度大、風險高，難以滿足制氫系統的運維需求。

2" " UPS電源改造與優化

2.1" " UPS改造方案

更換原有UPS并新增一套UPS，兩套UPS均選擇施耐德E3SUPS30k3I型在線式UPS。在線式UPS是指不管電壓是否正常，負載所用的交流電壓都要經過逆變電路，逆變器一直處于工作狀態。當停電時，UPS能馬上將其存儲的電能通過逆變器轉化為交流電對負載進行供電，從而達到輸出電壓零中斷的切換目標[4]。新UPS配有LCD顯示屏，可顯示輸入/輸出電壓、電源頻率、輸出負載百分比、運行狀態以及故障報警等信息，且在單套UPS發生過流、接地或逆變器故障等情況下，UPS可給直流母聯開關發出合閘信號。成套UPS電源內部集成電力電子元件，在正常運行時會產生較大的熱量，其工作環境溫度實測最高40 ℃，UPS電源對環境溫度有較高的要求，若未能采取有效的散熱措施，會使其使用壽命大幅縮短。原UPS屏柜體的設計并未充分考慮散熱問題，缺乏專門的散熱結構，散熱主要依靠屏頂部通風網格，但此種散熱方式的效果并不理想。新UPS屏柜頂部裝有散熱風扇，前后柜門均為網格門，散熱方式為主動散熱，這樣既提高了UPS電子元件散熱效率，同時也有助于運維人員更方便地進行設備巡視及維護工作。

更換原有直流蓄電池組，單套蓄電池組容量由原20 Ah擴容至40 Ah。原蓄電池組服役時間長，內部電阻增高，存儲容量下降，蓄電池組無法滿足制氫控制系統的后備時間要求，即在停電后蓄電池組的供電時間須大于2 h。

新UPS采用在線式UPS，兩套UPS進線為兩路獨立進線，每套UPS為單個作業區的制氫控制系統提供電源，兩套UPS在正常運行方式下獨立運行。按照設計方案，每套新UPS電源容量為30 kVA，由兩面屏柜組成。兩套UPS交流輸入電源采用雙回路供電方式，兩路電源取自不同回路。電源進線1取自站內自用Ⅰ段，電源進線2取自站內自用Ⅱ段，兩路進線電源均具有備自投功能，能充分保障供電系統可靠性。

在兩套新UPS電源交流輸出回路處增加母聯斷路器，兩套UPS設備正常運行時，母聯斷路器處于分閘狀態，其中一套UPS設備發生故障時，可自動或手動合閘該母聯斷路器，由另一套UPS設備同時給兩套制氫控制系統供電。

改造后的UPS電源供電系統結構如圖2所示。

2.2" " UPS改造過程

改造前測試新UPS整機各項功能，確保新UPS系統無跳閘、停機等現象，經過測試，新UPS輸出直流電壓滿足220×（1±3%）V的要求，但在合閘UPS進線380 V斷路器時，偶爾UPS會產生負載短路、逆變異常等故障報警。針對上述問題，分析原因為新UPS進線變壓器低壓側未增加濾波器，在進線斷路器合閘瞬間形成尖峰電壓，使UPS產生故障報警。為此，在新UPS系統進線變壓器低壓側增加濾波電容，吸收并消除尖峰電壓。

改造時須保證全站制氫管網的壓力穩定，因在全廠大修期間，現場大部分機組停產，制氫管網壓力需求較小，制氫站煤壓機可短時間停機。根據測算停機時間不得超過20 min，因此，改造時間定在大修期間，項目改造分為三個階段實施：

第一階段：原UPS僅一路進線電源，在全站制氫控制系統停電后，拆除原UPS，此時制氫站所有煤壓機處于停機狀態，接著進行臨時交流電源的搭接，原UPS所帶的作業區1制氫控制系統段的負荷由臨時交流電源供電，檢查控制系統負荷運行正常后啟動作業區1的4臺煤壓機，保證大修期間氫氣管網壓力需求。

第二階段：在氫氣管網壓力穩定后，繼續安裝、調試新2# UPS及配套直流蓄電池組；其次對交流220/380 V母線進行分段改造，增加母聯斷路器，在新2# UPS安裝、調試完畢后，由改造后的2# UPS交流母線段對作業區2制氫控制系統供電，此時，停止作業區1的4臺煤壓機運行，并拆除臨時電源；啟動作業區2的4臺制氫煤壓機，保證全廠大修期間的氫氣管網壓力需求。

第三階段：安裝、調試新1# UPS及配套直流蓄電池組，并將新1# UPS交流電源輸出端連接至作業區1制氫控制系統段，在所有改造工作完成后，停作業區2兩臺制氫煤壓機，并啟動作業區1兩臺制氫煤壓機，此時所有負荷已依據平均分配與分段運行的原則，實現了負荷的合理分配，安裝調試工作已全部完成。

3" " 改造成效

1）UPS改造完畢至今，無故障發生，UPS由原來的一套新增至現在的兩套；交流輸出回路由原來的一段改造為現在的兩段，供電回路的可靠性得到了極大提升，在緊急情況下，若其中一套不間斷電源（UPS）出現故障，為保證供電系統的穩定與安全，母聯斷路器將自動進行合閘操作，由另一套UPS同時給兩套制氫控制系統供電，待故障處理完畢后，由專業人員手動斷開母聯斷路器，滿足故障時“N-1”的運行要求。

2）在兩套UPS投入運行后，使用電能質量分析儀檢測掉電后切換直流時的電壓波形。分析儀波形顯示：交、直流切換時，輸出電壓波動＜5%，切換時間＜1.5 ms，輸出波形失真度＜2.5%，無尖峰電壓，滿足制氫控制系統對不間斷電源的各項技術要求[5]。

3）改造后平均每段直流母線負荷P=18.4/2=9.2 kW，改造后單套UPS三相負載率η=9.2/30≈31%，負載率由原來的92%降低至31%，在最佳性能區間。同時UPS的冗余容量有明顯增加，滿足武鋼有限配電管理和技術要求。

4）對UPS蓄電池組進行了擴容，蓄電池組容量由原20 Ah擴容至40 Ah，實測電池組事故放電時間由原來不足1.5 h提升至2.5 h以上，制氫站的生產穩定運行得到了更為堅實的保障。

4" " 結束語

UPS設備在保障制氫站穩定生產方面具有不可或缺的重要作用，我們秉持著安全可行的原則，成功對制氫站UPS實施了改造，該項目不僅解決了站內UPS設備老化、輸出容量不足、無備用回路的問題，同時還提高了站內控制系統的可靠性，保障了制氫站的穩定運行。本文系統地介紹了制氫站UPS升級改造的完整流程，也為今后冶金行業UPS的設計、改造及實施提供了參考和借鑒。

[參考文獻]

[1] 陳文實，許立民.UPS電源現狀及發展方向[J].遼寧工學院學報，2002（4）：24-25.

[2] 張勇，余嘉彥，楊松.500 kV變電站UPS改造[J].電力安全技術，2019，21（7）：49-52.

[3] 周昕.某海上生產設施不間斷電源系統國產化改造實施及問題處理[J].今日制造與升級，2023（2）：149-151.

[4] 吳含軍.煤礦智能供電系統發展研究[J].電力系統裝備，2021（10）：129-130.

[5] 羅曉鴻.水電廠計算機監控系統上位機UPS電源改造與優化[J].通信電源技術，2020，37（7）：95-98.

收稿日期：2024-06-03

作者簡介：馬丁（1986—），男，湖北人，工程師，研究方向：電氣工程及電氣自動化。