制氢站UPS改造与优化实践

0引言

武钢有限硅钢部某制氢站分为两个作业区,每个作业区均有6台制氢煤压机,全站共有12台制氢煤压机,年产气量共17630000 m3。站内共有两套制氢控制系统(每套制氢控制系统负责监控单一作业区域内的6台煤压机),两套制氢控制系统全部由日本横河提供,制氢控制系统是全站的核心部分,承担着氢气站所有制氢系统、公辅系统的状态监控与远程控制,与集控中心实现数据传输、远程机组开停和制氢压力调节等功能。

站内仅有一套离线式不间断电源系统(UninterruptiblePowerSystem,UPS)^[1],主要为全站两套制氢控制系统(包括PLC系统、操作站\交换机系统\控制柜中24 V信号模块及工程师站)提供应急交流电源,确保制氢控制系统电力供应不中断。在进线电源正常时,UPS 电源能通过稳压、稳频、抑制浪涌、滤除噪声、防雷击等功能,给制氢控制系统提供频率及电压稳定、波形失真极小的电源,从而满足制氢站稳定生产所需的要求^[2],是确保制氢站安全、稳定运行的关键保障设备。

1 改造前原UPS电源概况及存在问题

1.1原UPS电源概况

站内唯一的UPS电源为法国梅兰日兰公司生产的在线式UPS,型号为SmArtDX100,容量为20 KVA,随制氢机组投产同时投入运行。UPS主要由输入滤波板、保护电路、整流器、蓄电池组、逆变器、静态开关、直流断路器以及交流输出分配单元等组成,分为正常供电模式与蓄电池供电模式。原制氢控制系统UPS电源供电系统结构如图1所示。

1.2 存在问题

1)该UPS及蓄电池组均已投入运行12年,目前UPS 中的元器件老化现象显著,已经多次触发故障报警机制;此外,部分关键配件已停止生产,设备维修及备件更换面临重重困难,这些因素共同导致UPS运行的稳定性和可靠性严重降低。

2)制氢控制系统UPS两路交流输出回路共用同一段母线,该段母线为全站两套制氢控制系统的所有负荷供电。然而,原设计存在一定运行风险,一旦发生故障,例如短路或接地,母线电压会迅速下降,进而影响到母线上所有制氢系统设备供电。

3)原UPS容量偏低。原UPS容量为20 KVA,氢气站经过扩建及改造,现制氢控制系统负荷统计如表1所示。

经计算,两套制氢控制系统总负荷P=(14.5十4.7十 4.93)×0.6十(2.1十2.8)×0.8≈18.4 KW。UPS三相负载率η=18.4/20=92%。

通常情况下 ,UPS的负载率应维持在40%~80%。这样的负载范围不仅可以让UPS达到最高的效率,还能确保在电力中断时提供足够的备用电力。在实践中,将负载率控制在30%~80%可以得到最佳的稳定性和效率^[3]。

4)原站内仅有一套UPS及一套交流分配单元,无法满足“N-1”的运行要求,一旦唯一的UPS出现故障,将影响到全站两套制氢控制系统的供电,可靠性低,且检修和维护难度大、风险高,难以满足制氢系统的运维需求。

2 UPS电源改造与优化

2.1 UPS改造方案

更换原有UPS并新增一套UPS,两套UPS均选择施耐德E3SUPS30K3I型在线式UPS。在线式UPS是指不管电压是否正常,负载所用的交流电压都要经过逆变电路,逆变器一直处于工作状态。当停电时,UPS 能马上将其存储的电能通过逆变器转化为交流电对负载进行供电,从而达到输出电压零中断的切换目标^[4]。新UPS配有LCD显示屏,可显示输入/输出电压、电源频率、输出负载百分比、运行状态以及故障报警等信息,且在单套UPS发生过流、接地或逆变器故障等情况下,UPS可给直流母联开关发出合闸信号。成套UPS电源内部集成电力电子元件,在正常运行时会产生较大的热量,其工作环境温度实测最高40℃ ,UPS电源对环境温度有较高的要求,若未能采取有效的散热措施,会使其使用寿命大幅缩短。原 UPS屏柜体的设计并未充分考虑散热问题,缺乏专门的散热结构,散热主要依靠屏顶部通风网格,但此种散热方式的效果并不理想。新UPS屏柜顶部装有散热风扇,前后柜门均为网格门,散热方式为主动散热,这样既提高了UPS电子元件散热效率,同时也有助于运维人员更方便地进行设备巡视及维护工作。

更换原有直流蓄电池组,单套蓄电池组容量由原20 Ah扩容至40 Ah。原蓄电池组服役时间长,内部电阻增高,存储容量下降,蓄电池组无法满足制氢控制系统的后备时间要求,即在停电后蓄电池组的供电时间须大于2 h。

新UPS采用在线式UPS,两套UPS进线为两路独立进线,每套UPS为单个作业区的制氢控制系统提供电源,两套UPS在正常运行方式下独立运行。按照设计方案,每套新UPS电源容量为30 KVA,由两面屏柜组成。两套UPS交流输入电源采用双回路供电方式,两路电源取自不同回路。电源进线1取自站内自用I段,电源进线2取自站内 自用Ⅱ段,两路进线电源均具有备自投功能,能充分保障供电系统可靠性。

在两套新UPS电源交流输出回路处增加母联断路器,两套UPS设备正常运行时,母联断路器处于分闸状态,其中一套UPS设备发生故障时,可自动或手动合闸该母联断路器,由另一套UPS设备同时给两套制氢控制系统供电。

改造后的UPS电源供电系统结构如图2所示。

2.2 UPS改造过程

改造前测试新UPS整机各项功能,确保新UPS系统无跳闸、停机等现象,经过测试,新UPS输出直流电压满足220×(1±3%)V的要求,但在合闸UPS进线380 V断路器时,偶尔UPS会产生负载短路、逆变异常等故障报警。针对上述问题,分析原因为新UPS进线变压器低压侧未增加滤波器,在进线断路器合闸瞬间形成尖峰电压,使UPS产生故障报警。为此,在新 UPS系统进线变压器低压侧增加滤波电容,吸收并消除尖峰电压。

改造时须保证全站制氢管网的压力稳定,因在全厂大修期间,现场大部分机组停产,制氢管网压力需求较小,制氢站煤压机可短时间停机。根据测算停机时间不得超过20 min,因此,改造时间定在大修期间,项目改造分为三个阶段实施:

第一阶段:原UPS仅一路进线电源,在全站制氢控制系统停电后,拆除原UPS,此时制氢站所有煤压机处于停机状态,接着进行临时交流电源的搭接,原 UPS所带的作业区1制氢控制系统段的负荷由临时交流电源供电,检查控制系统负荷运行正常后启动作业区1的4台煤压机,保证大修期间氢气管网压力需求。

第二阶段:在氢气管网压力稳定后,继续安装、调试新2#UPS及配套直流蓄电池组;其次对交流220/380 V母线进行分段改造,增加母联断路器,在新2# UPS安装、调试完毕后,由改造后的2# UPS交流母线段对作业区2制氢控制系统供电,此时,停止作业区1的4台煤压机运行,并拆除临时电源;启动作业区2的4台制氢煤压机,保证全厂大修期间的氢气管网压力需求。

第三阶段:安装、调试新1# UPS及配套直流蓄电池组,并将新1# UPS交流电源输出端连接至作业区1制氢控制系统段,在所有改造工作完成后,停作业区2两台制氢煤压机,并启动作业区1两台制氢煤压机,此时所有负荷已依据平均分配与分段运行的原则,实现了负荷的合理分配,安装调试工作已全部完成。

3 改造成效

1)UPS改造完毕至今,无故障发生,UPS由原来的一套新增至现在的两套;交流输出回路由原来的一段改造为现在的两段,供电回路的可靠性得到了极大提升,在紧急情况下,若其中一套不间断电源(UPS)出现故障,为保证供电系统的稳定与安全,母联断路器将自动进行合闸操作,由另一套UPS同时给两套制氢控制系统供电,待故障处理完毕后,由专业人员手动断开母联断路器,满足故障时“N-1”的运行要求。

2)在两套UPS投入运行后,使用电能质量分析仪检测掉电后切换直流时的电压波形。分析仪波形显示:交、直流切换时,输出电压波动<5%,切换时间<1.5 ms,输出波形失真度<2.5%,无尖峰电压,满足制氢控制系统对不间断电源的各项技术要求^[5]。

3)改造后平均每段直流母线负荷P=18.4/2=9.2KW,改造后单套UPS三相负载率η=9.2/30≈31%,负载率由原来的92%降低至31%,在最佳性能区间。同时 UPS的冗余容量有明显增加,满足武钢有限配电管理和技术要求。

4)对UPS蓄电池组进行了扩容,蓄电池组容量由原20 Ah扩容至40 Ah,实测电池组事故放电时间由原来不足1.5 h提升至2.5 h以上,制氢站的生产稳定运行得到了更为坚实的保障。

4 结束语

UPS设备在保障制氢站稳定生产方面具有不可或缺的重要作用,我们秉持着安全可行的原则,成功对制氢站UPS实施了改造,该项 目不仅解决了站内

UPS设备老化、输出容量不足、无备用回路的问题,同时还提高了站内控制系统的可靠性,保障了制氢站的稳定运行。本文系统地介绍了制氢站UPS升级改造的完整流程,也为今后冶金行业UPS的设计、改造及实施提供了参考和借鉴。

[参考文献]

[1] 陈文实,许立民.UPS电源现状及发展方向[J].辽宁工学院学报,2002(4):24-25.

[2]张勇,余嘉彦,杨松.500kV变电站UPS改造[J].电力安全技术,2019,21(7):49-52.

[3]周昕.某海上生产设施不间断电源系统国产化改造实施及问题处理[J].今日制造与升级,2023(2):149-151.

[4]吴含军.煤矿智能供电系统发展研究[J].电力系统装备, 2021(10):129-130.

[5] 罗晓鸿.水电厂计算机监控系统上位机UPS电源改造与优化[J].通信电源技术,2020,37(7):95-98.

《机电信息》2024年第17期第18篇