科华UPS在液氯化工企业的解决方案

图表 2 液氯泄漏处理现场

2．系统设备的需求分析
2.1 液氯生产装置供电需求
液氯企业的氯气泄露，产生的原因主要有三种：
A 、操作人员违章操作；B、生产设备本身的故障；C、由于断电断水造成的化学反应失控。
　　其中断电是最常发生的一种情况。为了防止断电造成损失，就需要配置UPS并构建可靠的不间断电源系统。
　　根据国家标准《供配电系统设计规范（GB50052-95）》，电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造成损失或影响的程度进行分级。符合下列情况之一时，应为一级负荷。
(1)中断供电将造成人身伤亡时；
(2)中断供电将在政治、经济上造成重大损失时。如重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废，国民经济中重点企业的连续生产过程被打乱需要长时间才能恢复等；
(3)中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作。如重要交通枢纽、重要通信枢纽、重要宾馆、大型体育场馆、经常用于国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷。
　　在一级负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷，应视为特别重要的负荷。
　　很明显，液氯生产装置的用电负荷应视为一级负荷中特别重要的负荷。
2.2 提高电源系统可靠性的四种基本思路
　　要提高电源系统的可靠性，通常需要考虑如下四种思路：
A、故障预防：让电源系统各单元组件尽可能少出现故障。
B、故障弱化：当组件发生故障时，应尽可能减少故障所造成的影响。
C、故障容错：当组件发生故障时，要能让负载设备继续运行。
D、在线维修：组件发生故障后，可以在不停止负载设备的情况下进行维修。
2.3 UPS电源风险分析
　　普通UPS供电方案，存在如下潜在风险，需要予以解决。
A、UPS本身发生故障，特别是逆变器故障造成不能带载。
B、市电停电时间太长，电池没有足够的后备延时。
C、电池故障，导致停电时UPS不能应急供电。
D、电池容量不足，导致电池实际可供电时间比预期的时间大大缩短。
E、UPS和电池发生故障，设备管理员不能及时知情以采取应急措施。
F、在UPS维护过程中，由市电对设备供电，如果市电断电，将造成危害。
G、UPS本身没问题，但由UPS传输到设备的过程中，由于电缆线、空开等故障造成中断。
H、化工环境带有一定的腐蚀性，不利于UPS内部的器件、材料长时间稳定工作。
2.4 UPS电源的选择
a)选用工艺成熟、性能稳定的机型，且应选用优质的元器件，逆变功率器件应采用IGBT。
b)UPS应具有较强的环境适应能力；
1）UPS应有较宽的输入电压和频率范围。范围小的UPS会频繁转由电池供电，减少电池的后备时间，而且长期放电对电池寿命明显不利。
2）UPS应有带油机功能，即UPS在市电长期停电时应能由油机供电。油机供电的显著特点是电压频率和波动较厉害，如UPS不能适应则可能导致整流器工作不正常甚至损坏。
3）UPS的EMC电磁兼容性要好，免受市电或负载的干扰。
4）由于使用环境的温度、湿度和洁净度可能比较差，要求UPS具备较强的环境适应能力。
c)选用过载能力强，保护功能完善的UPS；
　　UPS应能带各种负载，过载能力强，而且保护功能完善。常用的保护功能有：输出短路保护、过载保护、过温保护、电池欠压保护、输入过压保护和输出过压保护等。
d)选用带输出隔离变压器的UPS；

UPS带输出隔离变压器大大提高抗负载冲击能力，而且可以消除来自电网的干扰和尖峰危害。输出隔离的结构，使得UPS输出保持较低零地电压，避免高频化结构零线高频电流产生的零地电压问题，这对于PLC等设备尤为重要。
e)UPS应配用优质电池
在市电停电后，UPS靠电池提供后备能量。如果这时电池故障，则供电中断，系统宕机。大功率UPS一般是数十只电池串联使用，单只电池损坏即有可能造成整组电池不可用。
电池有一定的使用寿命，寿命终止的电池，不管性能是否还保持良好，都建议全部更换。
f)UPS的双机或多机热备份系统
UPS作为电子设备，毕竟存在失效的可能，如果UPS发生故障，将转由旁路供电，其负载将失去保护。对于关键的系统或部门，依靠单台UPS保护还不够，一般会采用二台（或多台）UPS构成冗余备份系统，提高系统供电可靠性。
　　对于重要的负载，还可以考虑在负载侧采用一主一从冗余备份供电的方式，解决单一路径下电缆和空开的单点故障问题，进一完提高可靠性。
　　g)UPS应具备较强的充电能力和电池管理能力
　　大功率UPS为了保证后备时间，使用的电池容量较高，因此UPS 应根据电池的物理化学特性和环境条件配置适宜的充电回路，并具有足够的电池再充电能力，保证在较短的时间内对电池回充。当然UPS的充电器同样需要较强的电网适应能力。
　　充电器的充电方式直接影响电池的使用寿命。UPS应能提供均充和浮充等自动转换模式。另外，大功率的UPS，还应能提供定期的电池测试和放电功能，方便用户的维护和管理。
　　h)UPS应具备智能化和网络化管理功能
　　大功率UPS一般和机房计算机设备分开放置，而且无人值守，因此如何让设备管理员及时了解其运行状态特别重要。
　　常见的UPS监控有四种：
　　1）通过RS232和电源管理软件监控。在管理员的计算机上运行软件，对UPS监控，但因为RS232的有效距离只有12米，应用受到一定限制；
　　2）通过RS485和远程监控面板。远程监控面板的作用相当于把UPS的显示面板搬到设备管理员面前，由于操作便捷，实用性强。
　　3）SNMP管理。这种方式一般是UPS配套SNMP适配器，管理员通过网络管理软件对UPS监控管理。
　　4）WAP管理。这种方式是UPS配套短信息告警器。当UPS出现异常状态时，可将相关信息按短信息的形式，发给预设定的手机号码，提醒相关人员。
　　3．液氯工厂主生产设备的电源保护方案
　　3.1 主生产设备的电源需求
　　化工厂需要电源保护的主生产设备，包括有水泵、汽泵、电控阀门、风机和鼓风机等，它们的负载功率在10～45KW。如下是现场的一些负载设备：

　　这些负载设备，主要有如下特点：
　　A、呈电感性。设备内部主要有电动机。
　　B、对电压的精度要求不是很高，保持在380±10%范围即可
　　C、电源中断的危害很大。
　　3.2 现场实施的方案
　　根据现场情况，可以考虑科华公司的IPS工业电源提供电源保护。IPS6000工业电力电源是科华公司针对工业应用负载及环境，采用先进技术制造的新型绿色工业级交流保护电源，由逆变系统、电池充电系统、维护旁路、控制系统、电池组等组成，具有高效、安全、可靠、绿色环保等优点。
　　考虑到工业环境对供电可靠性的要求，我们采用1+1的冗余供电系统。

图表 3 IPS 1+1冗余供电系统

方案说明：
　　A、在系统的输入端，采用二路市电和一台ATS自动转换开关装置，提高前级供电可靠性。当市电1正常时，由市电1对负载供电。如果市电1断电，则ATS在数秒内自动转到市电2供电。只有在市电1和市电2二路电源都断电、或者中间的切换过程，才由IPS的蓄电池系统供电。
　　B、采用二台300KVA的IPS电源和二台STS静态转换开关，提高后级负载供电可靠性。对于STS1所带负载，IPS1作为主电源，IPS2作为备用电源；当IPS1正常时，由IPS1对后级负载供电。如果IPS1发生供电故障，则STS1自动切换到IPS2供电，切换时间小于4ms。而对于STS2，IPS2作为主电源，IPS1作为备用电源，同样由STS2提供切换功能。为了让每台IPS可靠工作，IPS均配置TVSS防雷器，免除雷击和开关操作产生的瞬间过电压的侵袭。
　　C、IPS的电池采用知名品牌蓄电池，后备时间20分钟。同时采用MMBM2对电池组中的每只电池进行监控，如果某个电池出现电压、温度异常，MMBM2将自动报警提醒用户。
　　D、对IPS的监控管理，采用GSM短信息告警的形式。一旦IPS发生电源断电、故障等情况，将自动发短信到预定的手机号码，通知管理人员。管理人员也可以随时发短信息给GSM告警器，了解IPS的工作状态。
　　3.3 方案优点
　　A、可靠性
　　本方案充分体现提高可靠性要求的故障预防、故障弱化、故障容错、在线维修四个基本思想。
　　IPS专门为电机类负载设计，采用最新一代DSP控制技术，关键电路冗余式设计，较之普通UPS其MTBF值高出12万小时。
　　负载设备占单机额定功率的70%，而实际每台IPS所带负载只有额定容量的30～40%，并作为另外一台IPS的备用电源，相对于满载使用，系统的可靠性更高。
　　电池作为后备能源，其性能好坏与否直接影响系统可靠性。采用MMBM2对每个电池进行监控，及时了解每个电池的运行状态，如有问题可预先处理。
　　由于采用冗余供电，市电1、市电2、IPS1和IPS2中，相互之间是独立工作的，某一项出现问题不会影响供电。
　　只要上述四者中有一项功能正常，都可以对负载提供电源。这给出现问题的设备争取了宝贵的处理时间。
　　采用STS的好处在于，IPS1和IPS2可以随意地退出系统进行维护，维护过程中可以通电测试，不会对负载设备产生不良影响。
　　B、经济性
　　IPS的效率高于98%，较之普通的UPS节省能耗70%以上，这对工厂用电明显节省许多开支。
　　由于系统具有较强的故障预防能力，可最大程度地减少由于设备故障造成的经济损失。
　　IPS更高的平均无故障时间（MTBF），可以减少设备的运行维护成本。
　　科华公司遍布全国的服务网点，为客户提供快捷、经济的本地化服务。
　　C、可扩展性
　　由于IPS留有一定的功率余量，如果负载设备小容量增加，利用现有设备，可以满足供电需求。
　　IPS具有较强的电池回充能力，可以根据需求，扩展电池后备延时，由现有的20分钟扩展成30分钟甚至更长。
　　IPS支持多种选配件，可以扩展多项功能，包括声光告警装置、能量反灌处理装置、稳压器、变频器、SNMP网络适配器等。
　　D、可管理性
　　IPS支持RS232、RS485、干接点、IP网络、GSM短信息告警器等多种管理方式，具备很强的管理功能。
　　通过MMBM2，可对电池组中的每个电池进行监控管理。
　　4．液氯工厂工业控制系统的电源保护方案
　　随着化工厂的不断技术改进，自动化控制水平有了很大提高。在生产过程中，经常采用DCS控制系统。
　　DCS是distributed control system的简称，意为集散控制系统，也称为分布式控制系统，它利用计算机技术、控制技术、通信技术、图形显示技术实现过程控制和过程管理。实际应用中，常以多台计算机分布应用于生产过程环节，通过通信总线、显示器、键盘等设备进行操作显示和报警。
　　对于化工企业而言，DCS控制系统能否连续稳定运行，既关系到企业生产的安全可靠运行，也关系到企业产品的质量、企业社会责任问题。
　　不同的DCS控制系统，其工作的软硬件不尽相同，但基本都需要一个安全稳定的工作电源。由于DCS是24小时连续工作，依靠单台UPS提供保护明显不足，一旦发生UPS故障，或者UPS往DCS供电的电缆或空开故障，将导致DCS出错、断电等情况发生，迫使生产过程强制停车。
　　由于化工厂DCS可靠性的要求，我们推荐采用UPS的双回路冗余供电系统，该系统具有高度容错的能力，可以杜绝单点故障隐患。

图表 4 UPS双回路冗余供电系统

　　UPS双回路冗余供电系统，采用2台三进三出大功率UPS组成“1+1并联系统”，作为负载设备的主电源输入，1路市电（也可以是另一路UPS）作为负载设备的备用电源输入。如方案图示，对于具备双交流电源的DCS设备，可以直接接入二路输入，分别来自UPS并机系统和市电回路，提高供电保障；对于单电源的DCS设备，则可其前端配置KTS冗余开关，利用冗余开关的冗余配电功能提高供电可靠性。
　　KTS冗余开关属于小功率的转换开关，功率有1～6KVA。与STS的三相大功率静态转换开关相比，KTS提供的是单相电源，内部采用快速检测技术，具备电子开关和机械开关，具有切换时间快，低损耗等特征。它具有二个输入端子，一个输出端子，只要保证有一路输入，输出就不会中断。
　　采用本方案，当主回路供电系统供电中断时，负载设备切换至由备用电源回路供电；大大提高了DCS的供电可靠性，全面保护整个生产过程的控制系统。