中国石化股份有限公司天津分公司 刘 杨

　　摘要 随着石油化工行业自动化水平的不断提高,UPS在易燃易爆的石油化工行业的应用越来越广泛,UPS的运行可靠性显得尤为重要,从UPS的单机运行发展为主从热备串联运行、冗余并联运行模式,经过实践的检验,采用UPS的双单机运行方式符合仪表电源的可靠性要求,文中从实例出发,介绍冗余并联UPS系统改为双单机系统的可行性及实施情况。

　　石化行业是一个高温高压、易燃易爆并且连续生产的一个高危险性行业,仪表DCS控制系统是该行业主要生产装置的核心控制部分,其能否可靠运行尤为重要。而DCS控制系统可靠运行的前提是要有一个稳定、高可靠的电源,实现这一前提的主要方法是采用UPS,UPS是一种向负载提供优质、高效、可靠交流电力并具有保护、检测和控制功能的不间断电源设备。

　　合理选择UPS供电系统的配置方案,在满足仪表DCS系统正常运行的前提下,不仅可以提高供电的可靠性,还可以节约投资、方便日常UPS的运行维护,从而保证UPS长期可靠运行。

　　我们炼油部UPS最初采用单机运行方式,这种运行方式,投资小但不便于UPS的维护,之后在小范围采用了主从热备串联运行,理论上从单机平均无故障时间的10万小时,提高到20万小时(对梅兰品牌而言),延时时间为2倍标准延时,可靠性提高一倍。2000年以后,我们在重要装置的DCS控制系统中,UPS普遍采用冗余并联UPS系统运行方式,可靠性较单机提高了3.7倍。但近几年,冗余并联UPS系统运行方式逐渐暴露出不足,影响了供电的可靠性,我们也认识到,冗余并联UPS系统不能从根本上解决其固有的弊端,只有从仪表系统进行冗余配置,才能真正提高仪表电源的可靠性,因此在2012年大修期间,我们对4套冗余并联运行的UPS(共8台)改为双单机运行的方案进行了可行性研究,并进行了改造。

　　1 冗余并联UPS系统的弊端

　　2000年以后,我们在重要装置的DCS控制系统中,普遍采用冗余并联UPS运行方式,大大提高了UPS的供电的可靠性,尤其便于UPS的维护和检修,当一台UPS退出运行进行检修时,仍可以保证仪表电源的正常供电,原理如图1所示。

　　但近几年,冗余并联UPS系统运行方式逐渐影响了供电的可靠性,主要有以下几点:

　　(1)无法避免输出电缆故障或短路故障造成的UPS停电事故

　　不管UPS是双机并联还是多机并联,一旦输出侧电缆损坏或负载侧发生短路故障,必将造成两台UPS停机,仪表电源的供电中断,因此,电气侧的冗余无法从根本上避免UPS的停电事故。

　　(2)冗余并联系统技术要求严格,不便于更换故障的UPS

　　冗余并联UPS系统要求两台UPS各项电气技术参数尽量一致,包括输入电压范围、允许市电电压波形失真度、输出过载能力、输出电压频率稳定度等,并联的UPS最好是同一品牌。总之,为了保证并联的UPS运行正常,通常是两台同品牌、同容量、同批次的UPS并机,一旦其中一台UPS发生故障,只能进行修复,无法进行更换。

　　(3)起机、停机的操作较复杂,有全停的风险或无法进行并机运行

　　冗余并联UPS系统中,将单台UPS退出或并机的操作步骤较复杂,不同品牌UPS的操作步骤不尽相同,如果没有严格按照说明书的操作步骤进行操作,可能造成并联的两台UPS全停,或损坏UPS,以冗余并联UPS(梅兰品牌)原理图为例,若对UPS1进行检修,首先将UPS1隔离,即将UPS1退出运行,需要拉开Q1、Q4、QF1、Q5N开关,此时负载由UPS2供电,在对UPS1进行维护过程中,这台UPS的维修旁路开关Q3BP千万不能闭合,否则将形成环流,损坏正在运行的UPS2的逆变器。当UPS1检修结束,需要将其重新并机时,操作步骤也很重要,除了要求UPS1输入侧的Q1、Q4开关闭合,还要求Q5N、Q22开关在闭合状态,以便两台UPS通过通信数据,检查输出侧的状态,环流情况等,满足并机的各项技术指标才能并机,如果输出侧的开关没有闭合,将无法启动UPS1的逆变器。还有,在UPS1重新并机前,要求其旁路电源不能超限,否则也无法启动UPS1的逆变器。

　　(4)UPS并机通信板故障,可能造成两台UPS全停

　　冗余并联UP S系统需要通过并机通信板实时检测两台UPS的运行状态,使得分别从上述两台UPS所输出的逆变器电源相互之间保持着同频率、同相位和同电压幅度的“三同”工作状态,利用两台UPS的并机板逻辑控制电路中的频率调控母线、电流调控母线和“环流”检测电路进行跟踪调控,使得两台UPS的逆变器输出电流分配趋于动态平衡,一旦检测到的电气参数超限,将发出报警信息或无法完成并机操作,甚至可能发出停机的命令,后果非常严重。我们曾发生过这样的UPS全停的事故,在将单台UPS退出运行的操作中,工作人员按照隔离一台UPS的操作步骤进行操作,并联的两台UPS突然全部停止输出,造成供电中断,经过厂家技术人员的分析,推断可能是并机通信板发生故障,造成并联的UPS全部停机。由此看出,冗余并联UPS的并机通信板是联系两台UPS的最重要的电气元件，它的好坏直接影响两台UPS的可靠性。

　　(5)冗余并联UPS的接线方式存在一定的风险

　　冗余并联的UPS相比单机或串机的可靠性大大提高了,但这种接线方式也存在一定的风险。从冗余并联UPS系统的原理图可见,冗余并联的两台UPS要求主电源分别接自低压母线的两段,而两台UPS的旁路电源必须在低压盘的同一母线上,即两台UPS的四个电源,有三个必须在同一低压母线,另一个电源在另外一段母线,当旁路电源所在的母线停电或发生故障时,主电源和旁路电源均在该段母线的UPS只有靠电池供电,当电池放电结束,该UPS也就停止供电了,另一台UPS只能保证主电源工作,当主电源故障或UPS的整流部分发生故障时,UPS处于电池放电状态,保证UPS正常供电,但当UPS的逆变器或输出侧发生故障时,则仪表电源的中断不可避免。我们曾经发生过这样的停电事故,低压的一段母线(UPS旁路电源)进行检修,使得冗余并联的UPS只有一台可以正常运行,突然该台UPS输出中断,造成装置DCS控制系统失电,装置停车,经检查,该UPS逆变器输出保险C相熔断,逆变器自保,输出中断,是造成装置DCS失电停车的直接原因,可见冗余并联的UPS系统存在无法解决的隐患。

　　(6)冗余并联UPS的报警几率或元件故障率比单机高

　　据我们统计,冗余并联UPS系统的报警几率或元件故障率较高,不定期的发出诸如“UPS因过载停机”、“电源2超限,禁止切换”等报警信息,但实际上,UPS运行正常,经检查,负载侧未发生过载现象,系统电源电压正常,这些报警信息可以消除。有的UPS的液晶显示面板故障,显示尽是乱码,有的UPS发生散热风扇故障、电源板或逆变器发生故障造成UPS停机。

　　鉴于冗余并联UP S系统存在的弊端，我们认为将冗余并联UPS系统改为双单机系统很有必要，从仪表系统进行冗余配置，才能保证仪表电源的可靠性。

　　2 将冗余并联UPS系统改为双单机系统的准备工作

　　根据《中国石化生产装置过程控制仪表电源供电系统技术管理规定》,仪表电源的配置方案有三种:一路UPS馈出、一路低压母线直供馈出(简称两电源);两路UPS馈出、一路低压母线直供馈出(简称三电源);一种是:一路电力UPS(交流正弦波逆变电源)馈出、一路低压母线直供馈出(简称逆变电源)。

　　应按两电源或三电源方案配置的控制仪表包括:大、中型石油化工生产装置、重要公用工程系统的控制仪表及其重要的显示仪表;高温、高压、易燃、有毒、腐蚀的生产装置;工艺控制、联锁多,系统复杂的生产装置;重要在线分析仪表(如带工艺联锁的仪表等)。按照配置标准，应采用三电源。

　　将冗余并联UPS系统改为双单机系统的前提,一是两路供电的控制仪表,应设置双电源模块,并具备两路非同期工频交流电源同时工作的条件,二是满足工艺流程、工艺操作的要求,同生产工艺、仪表人员共同分析,UPS的负载中是否有现场仪表、开关阀、操作站等交流负载,这些负荷都是单电源供电,进一步确定这些负载的重要性,如果这些单电源负载短时断电后对生产工艺不造成重大影响,则可以进行改造工作,如果这些负载断电,将造成装置联锁停车,则需要采取相应的措施,确保一台UPS检修期间,不会造成负载的供电中断,比如增加STS装置。我们对4套冗余并联UPS的仪表负载进行了摸底,如图2所示。

　　经摸底,这4套UPS的仪表控制系统都具有双电源冗余模块,在硬件上满足要求,UPS的负载除了控制系统电源,还有220V的现场仪表(流量计、分析仪等)、开关阀及操作站等设备,有的参与工艺联锁,断电将造成联锁停车,因此我们增加了STS装置。

　　3 改造方案的实施情况

　　经过分析,这4套UPS具备改造条件,电气部分的改造内容,是将两台UPS的馈出220V交流母线分开,并增加了相应的测量表记,将UPS的并机板及相应的通信线拆除,根据工艺要求,其中的两套UPS新增了STS装置,用于重要的220V交流负载,这里需要强调,STS装置的选择很重要,这关系到生产装置的安全运行,因此必须选择品牌的STS装置,电源切换时间在4ms以内。由于仪表机柜间最初按照两个电源柜配置,故内部的电源分配已经从两台UPS引来,改造时,只是将STS装置引来的电源做些调整,不需要对其他的接线进行改造,改造后的接线如图3所示。

　　改造工作完成后,我们进行了断电试验,当一台UPS退出运行后,仪表电源不受影响。双单机UPS系统不仅便于UPS的维护,还从根本上克服了冗余并联UPS系统的接线及操作的风险,大大地提高了仪表电源的可靠性,今后新建的仪表控制系统,我们都将采用双单机的UPS运行方式。

　　作者简介

刘杨,高级工程师。在中国石化股份有限公司天津分公司炼油部从事电气工作。

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