中央控制室供电方案设计探讨

田 龙

(云南云天化红磷化工有限公司,云南 开远 661600)

0 引言

近年来,化工生产安全现状不容乐观。随着自动化和网络技术的发展和应用,中央控制室在化工生产中发挥的本质安全作用逐步被接受。根据危险化学品生产储存企业“四区分离”技术指导意见要求,危险化学品生产、储存企业行政办公区、后勤保障区、集中控制区与生产作业区应有效分离、分区设置。企业原有设置在生产作业区的生产控制室需搬迁到中央控制室。中央控制室是危险化学品生产、存储企业提升安全水平、防范系统性安全风险的重要设施,承担全厂生产装置的监视、控制、通信和指挥调度工作。中央控制室涵盖分布式控制系统(distributed control system,DCS)、气体检测报警系统(gas detection system,GDS)、摄像监控系统、火灾自动报警系统、调度指挥系统、网络通信系统等多个任务子系统。中央控制室各系统之间相互联系,具有一定的复杂性。优化中央控制室的供电设计、确保供电系统的可靠性和安全性非常必要。

本文针对某企业“四区分离”改造项目中的中央控制室供电系统设计案例,依据中央控制室主要用电设备对电源可靠性、可用性需求进行分析,重点对不间断电源装置(uninterruptible power supply,UPS)冗余方式进行研究,提出了供电系统设计方案。

1 中央控制室供电需求分析

根据中央控制室的使用功能分析,其功能房间宜包括操作室、机柜室、工程师室、空调机室、电信设备室、UPS室、配电室、更衣室、交接班室等[1]。中央控制室主要的用电设备有DCS网络机柜、DCS操作站、照明机组、空调机组、GDS、摄像监控系统、火灾报警系统及防排烟系统等。在开展供电需求分析时,既要考虑不同类型设备对供电可靠性、电源质量的不同要求和设计负荷容量要求,又要兼顾今后设备及业务需求的拓展和兼容设计[2]。中央控制室作为全厂关键设施,其低压供电系统应为双回路供电。DCS操作站、网络机柜、火灾自动报警系统等为一级负荷中的特别重要负荷,除应由双重电源供电外,还应增设应急电源[3]。

2 低压供配电系统方案设计

低压供配电系统设计双重电源供电,满足一、二级电力负荷需求。两路独立的电源可实现自动切换。每路电源容量应能满足100%设计负荷要求。根据各类用电设备对电源可靠性和供电质量的要求,用电设备可选择不同的供电方式。通风空调机组、排烟风机、办公生活设施及照明等可中断电源设备采用配电柜直接供电。DCS操作站、网络交换机、火灾自动报警系统及应急照明和疏散指示系统等作为关键设施,一旦供电中断可能造成大范围的影响,故应采用UPS供电。不同的UPS冗余方式的供电可靠性和可用性差异较大,只有选择合适的供电方式才能保障中央控制室核心设备的安全运行。

3 UPS供电方案设计

3.1 UPS的冗余方式

UPS的冗余方式可分为设备冗余和系统性冗余两种。设备冗余指为防止重要的系统设备停止而采取增加一套设备的技术措施。常见的设备冗余有UPS双机并联和UPS双机热备份。双机并联和热备份冗余方式仅仅是UPS主机和电池冗余配置。双机设备虽然互为备用,但设备不完全独立[4]。其他配套件(如防雷器、双电源自切开关、旁路隔离变压器、输入/输出开关、配电柜和连接电缆线等)均不是冗余配置。系统性冗余是指由两个完全独立的系统组成互为备用的冗余系统。除核心设备冗余外,系统供电母线、双电源自动切换开关、旁路隔离变压器、UPS主机和电池、输入/输出开关及其连接电缆线等所有设备均冗余。系统之间独立工作,任意系统故障时,其冗余系统均可互为备用。

3.2 UPS的冗余方式工作原理

3.2.1 双机并联冗余UPS系统

双机并联冗余UPS系统由两台具有并联控制器的同品牌、同型号、同功率的UPS组成。两台UPS的主电源输入来自一路市电(市电1)。两台UPS的旁路柜电源来自另一路市电(市电2)。两台UPS的输出端连在一起输出至电源分配柜,用于DCS负载及其他重要负载的供电。

双机并联冗余UPS系统接线如图1所示。

图1 双机并联冗余UPS系统接线图

两台UPS并联的条件是UPS必须同频、同相、等幅。因此,每台UPS必须配有并联控制器,以完成两台UPS之间的均流、同步和管理。当两路市电和两台UPS均正常时,两台UPS均处在逆变供电状态。每台UPS提供总用电负载的50%负荷。当双机并联冗余UPS系统中有一台UPS故障时,有故障的那台UPS被关闭,而另一台无故障的UPS则承担100%的负载供电。当UPS1和UPS2同时故障时,并联UPS系统切换到旁路,负载由市电2供电。当两路市电同时停电时,两台UPS均处在电池供电状态。每台UPS供总用电负载的50%负荷,直至电池均放电到终止电压时停机。这种冗余方式易于实现,适用于负载容量大的场所。但并联控制器、通信部件自身故障对供电影响较大。

3.2.2 双机热备份冗余UPS系统

双机热备份冗余UPS系统由两台UPS组成。主UPS的主电源输入来自市电1,旁路输入来自UPS备用机的输出。UPS备用机的输入来自市电1,旁路输入来自市电2。主UPS输出至电源分配柜,用于DCS负载及其他重要负载的供电。

当两路市电和两台UPS均正常时,负载由主UPS1供电,旁路UPS2处于备用状态。当两路市电正常而主UPS1故障时,主UPS1自动切换到旁路,由UPS2为负载供电。当两路市电和主UPS1正常,而旁路UPS2故障时,UPS2自动切换到旁路。这时,主UPS1的旁路输入电源为市电2。旁路UPS2故障不影响主UPS1对负载的正常供电。当主UPS1和旁路UPS2同时故障时,两台UPS同时切换到旁路,负载由市电2供电。当市电1停电,市电2、主UPS1和旁路UPS2均正常时,主UPS1切换到电池供电状态,仍由主UPS1为负载供电。当主UPS1的电池放电到下限时,主UPS1自动切换到旁路,由旁路为UPS2负载供电。双机热备份冗余UPS系统接线如图2所示。

图2 双机热备份冗余UPS系统接线图

图2所示冗余方式可用于负载负荷小的场所,但主UPS、旁路静态开关、输出馈线故障时,可能会造成意外停电。

3.2.3 单机双母线系统性冗余UPS系统

单机双母线系统性冗余UPS系统由两台单机UPS组成。两台单机UPS相互独立地对负载供电。两台UPS的主电源和旁路电源的输入分别来自市电1和市电2。每台UPS的输出独立对负载电源输入端1、输入端2供电。若负载不具备供电输入冗余配置,则必须增加静态转换开关(static transfer switch,STS)设备,且切换时间须小于5 ms。本文将UPS1的输出端与STS的输入端N相连接、UPS2的输出端与STS的输入端R相连接、STS的输出端out与非冗余电源负载相连接。

当两台UPS均正常时,负载可选择由其中一台UPS供电。当一台UPS故障停机时,STS自动且不间断地切换到另一台UPS。UPS1供电系统和UPS2供电系统互为冗余备用。单机双母线系统接线如图3所示。

图3 单机双母线系统接线图

3.2.4 三种冗余方式的比较

双机并联冗余和双机热备份冗余具有很高的可靠性,平均故障间隔时间(mean time between failures,MTBF)不低于5×105h。但这两种方式并没有消除UPS供电系统的单点瓶颈故障隐患,如整流器、逆变器和STS故障及公共配电母线故障等[5]。冗余方式性能比较如表1所示。

表1 冗余方式性能比较

传统双变换架构UPS虽然具有高可靠度和极为快速的瞬时响应性的特点,但整流器、逆变器在实际应用中故障率较高,单机应用仍无法满足重要负荷对可靠性的需求。分析表1可知,三种冗余方式在供电可靠性方面均得到提升。但从可靠性、可用性、可维护性、过载能力及投资成本等方面比较,单机双母线系统性冗余UPS系统综合性能更优,是中央控制室最佳的供电方式。

3.3 UPS供电方式

中央控制室UPS负载主要有DCS操作站、网络交换机、火灾自动报警系统、应急照明和疏散指示系统等。针对UPS负载特点和用电负荷,可选择的供电方式为集中供电和分组供电。集中供电方式需配置一组满足100%设计总负荷容量的UPS。其具有供电设备数量多、种类多、供电范围大及供电系统故障后造成的影响范围广等特点。分组供电可根据负载的重要程度、负载容量的大小划分两个及以上的区域组。每个区域组配置一组50%设计总负荷容量的UPS(假设分为两组区域供电),以降低集中供电带来的大面积停电影响。每个区域组UPS的冗余方式采用单机双母线系统性冗余结构。分组供电可提高供电的可用性,但并不能提高供电的可靠性。可靠性只能通过供电系统的冗余结构实现。

用电设备供电方式的选择多种多样,对于具备双电源输入的设备,可由不同的两组UPS分别供电,如交换机、DCS或安全仪表系统(safety instrumented system,SIS)控制站、服务器、火灾自动报警系统、应急照明和疏散指示系统等。单电源输入的非冗余电源设备只能接受一路电源供电,并可选择任意一组UPS供电。但其需在供电输入回路设置双电源STS,以形成冗余供电回路,提高可靠性。STS虽然能实现电源冗余,但STS串联,是供电回路中的薄弱环节[6]。一旦STS设备故障,会直接影响供电可靠性。DCS操作站虽然属于非冗余电源设备,但每套装置都配置一定数量的备用操作站。操作站的某个部件失效不足以导致装置的意外停车。

3.4 UPS功率容量计算

UPS视在功率计算应根据实际负载总有功功率、功率因素和设计余量综合考虑。UPS的容量选择过小,会造成过载能力降低;容量选择过大,会造成设备运行效率低、投资成本偏高。视在功率的计算式如式(1)所示。

(1)

式中:S为视在功率,kVA;cosφ为功率因数;∑Pi为总负载有功功率之和,kW。

计算机负载的cosφ通常取值0.8。在确定UPS额定视在功率时,应根据其负载能力考虑裕量系数和转换效率。UPS比较合理的裕量系数为1.2～1.5。转换效率与运行模式及负载大小有关,一般在92%～98%。UPS容量由实际负载容量、UPS转换效率和裕量系数决定[7]。UPS容量的计算式如式(2)所示。

(2)

式中:W为UPS容量,kVA;K为转换效率;J为裕量系数。

4 其他用电设备的供电

中央控制室除了需要连续供电设备外,还需要大量可中断的电源负载,如通风空调机组、排烟风机、摄像监控大屏、办公生活设施及正常照明等。应急照明系统需配置应急电源(emergency power supply,EPS),以满足市电中断后持续疏散照明的需求。门禁系统对供电的连续性也有很高的要求。由于门禁系统用电负荷小,可选择与其他UPS供电系统共用供电设备。如门禁系统自身具备断电开启的应急功能,可选择由市电直接供电。自带电池供电的房间智能锁无需考虑外部供电方式。通风空调机组、排烟风机、摄像监控大屏、办公生活设施等设备用电负荷大、可中断,可直接由双路供电的低压配电系统供电。

5 供电方案设计应注意的问题

供电系统设计涉及UPS共用、冗余、独立配置等问题。供电系统的设计不仅要考虑装置用电规模的大小,还要根据装置的重要程度进行设计评估。不同的UPS冗余方式均可满足中央控制室对供电可靠性和可用性的要求。

SIS系统的远程输入/输出(input/output,I/O)站用于处理辅助操作台的按钮、开关、指示灯。远程I/O站失电将导致装置联锁停车,从而造成很大的经济损失。因此,SIS的远程I/O站必须供电可靠,应采用UPS供电及双路供电[8]。控制站应具有两路电源接口。

电信系统不是实时控制系统。如摄像监控网络、办公网络、调度通信、消防火灾报警控制器等设备变更及日常维护频繁,维护人员对危险化学品企业的操作要求、网络中断的后果往往不清楚。如果电信系统与自控系统共用同一供电回路,则会影响自控系统的可用性,但不影响其安全可靠性。根据以往事故案例,本文建议在供电方案设计中,可中断电源的用电回路不宜接入重要负荷的配电回路,而应分开独立配置供电回路,以避免设备停电或发生误操作而影响其他重要设备的正常运行。

6 结论

本文通过对危险化学品企业中央控制室不同类型设备供电设计的探讨分析,依据供电负载对电源可靠性、可用性的要求,提出主要用电设备的供电方案设计思路及应注意的问题。在DCS网络机柜、DCS操作站等UPS冗余方式选择上,单机双母线系统性冗余UPS结构在工程实践中易于实现。其可靠性、可用性、可维护性等性能指标完全满足企业对供电的要求,是中央控制室特别重要负荷的较好供电方式。本文为危险化学品生产、存储企业的“四区分离”项目改造和类似项目建设提供参考。优化供电方案设计能避免在供电方案设计过程中的失误,从而更好地发挥中央控制室安全生产的保障作用。