仪表不间断电源容量计算探讨

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

近年来中国石油化工行业发展迅速，并向大型化、一体化和集约化方向发展，维持着相对较高的增长速度。在此前提下，越来越多的企业开始精益生产的转型之路，在有限空间内提升整体利润水平成为各企业期望的发展方向。不间断电源UPS 在维持生产装置稳定、连续运行，保护装置和人员安全上，起着至关重要的作用。因此，每套石化装置的控制系统和仪表都普遍采用不间断电源UPS 供电。本文基于当前很多石化装置控制系统和仪表用不间断电源UPS负载率偏低的现象，以不间断电源UPS 容量为切入点，深入分析问题产生的原因和探讨UPS 用电量的合理计算方法，在保证可靠性的前提下提高设计方案的准确性，降低投资和运行维护成本，减少不必要的资源浪费。表1所列为某大型一体化石油化工项目，中心控制室（CCR）和其中两套装置机柜间UPS 负载率都是在20%以内，而且这种现象在其他石化装置中也较为普遍。

表1 某石油化工装置UPS 实际运行负载率Tab.1 Actual operating load rate of UPS of a petrochemical plant

1 控制系统和仪表供电

1.1 UPS 供电范围

控制系统和仪表供电属于一级负荷中特别重要的负荷[1]，这类负荷的供电电源突然中断后，不但会打乱连续生产工艺过程，且供电恢复后生产恢复时间长，造成的经济损失也大。而且还可能引起爆炸、火灾、中毒、关键设备损坏和人身伤害等事故。由于控制系统和仪表允许中断供电时间为毫秒级，为确保供电中断后安全有序停车和及时的事故处理，避免造成设备损坏、人身伤害和造成重大经济损失，石化生产装置控制系统和仪表应采用不间断电源UPS 供电。控制系统和仪表的UPS 用电范围如下：

（1）分散控制系统（DCS）、安全仪表系统（SIS）、可燃气体和有毒气体检测报警系统（GDS）、可编程序控制器（PLC）、监控及数据采集系统（SCADA）以及其他自动化监控系统；

（2）在线分析仪、现场电动仪表等。

1.2 供电方式

石油化工装置控制系统和仪表的常用配电模式有2 个种类，一种是一路不间断电源UPS 加一路普通隔离电源GPS 双输出供电方案见图1，电源1、电源2 分别接自具有双路电源输入配电装置的不同母线段，当某一路电源发生故障时，另一路电源的配电装置母线段不会同时中断供电。对于用电负载，电源1为隔离变压器供电，电源2 为UPS 电源供电；另一种是双UPS 双输出供电方案见图2，电源1、电源2分别接自具有双路电源输入配电装置的不同母线段，某一路电源发生故障时，另一路电源的配电装置母线段不会同时中断供电。对于用电负载，电源1 通过UPS1 供电，电源2 通过UPS2 供电。双UPS 双输出供电方案是新建装置的首选方案。本文针对双UPS双输出供电方案进行探讨。

图1 单UPS+GPS 双输出供电方案Fig.1 Single UPS+GPS dual output power supply scheme

图2 双UPS 双输出供电方案Fig.2 Double UPS dual output power supply scheme

2 常规计算方法和问题分析

2.1 常规计算方法

通常，在石油化工装置的工程设计过程中，由仪表专业根据仪表及控制系统生产厂提供用电设备耗量按照式1，逐一进行累加后，再乘以设计规范建议的备用系数得出总耗电量，然后提交电气专业，进行UPS 设备选型。

式中P——总耗电量，W；

Pi——仪表设备耗电量，W；

Kb——备用系数，取1.2～1.5（2019年前）。

表2为常用仪表设备生产厂家提供的电源功耗（W）数据，以及这些仪表设备的供电方式。

2.2 问题分析

表2 常用仪表设备电源功耗和供电方式Table 2 Common power consumption and power supply methods for instrument equipment

造成UPS 容量选择过大，实际生产运行UPS 负载率低的原因。笔者认为主要在计算数据选择、计算方法、备用量和基本概念等方面存在一些误区。尤其是从仪表设备生产厂获得的计算数据，问题较多，需要具体分析方可采用。

（1）计算数据

以戴尔R720 服务器为例，铭牌额定功率实际为：750 W （Platinum）（100～240 V AC，50/60 Hz，10 A-5 A 或 DC 240 V DC），此功率为服务器所带供电单元PSU（POWER SUPPLY UNIT）的额定功率。表2中服务器功耗为870 W，可见生产厂家在功耗提出时考虑了一定余量。而且实际上服务器供电单元PSU 的额定功率并不直接等同于负载的最大耗电功率，从图3服务器电源容量与效率曲线[2]可以看出。

图3 服务器电源容量与效率曲线Fig.3 Server power capacity and efficiency curve

图3从右至左的三根垂直直线分别代表：

① 铭牌功率：指的是服务器电源铭牌功率。

② 最大工况设置：指的是服务器系统在最大用电量工作时的耗电功率。

③ CPU 100%利用率典型工况：CPU 工作在100%利用率时耗电功率。

从图中可以发现服务器最大的功率消耗是铭牌额定值的80%，这是因为服务器厂家在选择电源时也宽放了大致20%的裕量。而CPU 100%利用率典型工况是铭牌额定值的67%。事实上服务器正常工作时的能耗还小于该值。同理，系统柜、继电器柜、安全栅柜和交换机柜各自电源模块的额定功率与实际耗电功率相比也有一定的余量。

基于以上原因在计算仪表UPS 容量时应考虑换算系数的纳入。交流不间断电源负荷的换算系数考虑了负载电源装置的余量系数和同时系数。对于石油化工行业的DCS/SIS/GDS 等控制系统负载，控制器电源选择时一般留有50%余量，且系统厂家提供的负荷是将所有系统电源装置铭牌功率累加，没有考虑电源的余量系数，也未考虑一些设备的同时率。因此

，为获得较为准确的用电设备功耗，设计人员应该研究系统厂家提供的耗电量计算书或容量清单，核实耗电量余量的具体情况。

（2）根据以上计算公式（1），在计算总耗电量时，没有考虑单路供电仪表配电只是作为一台UPS的负荷，而是将单UPS 供电设备和双UPS 供电设备耗电量累加在了一起，造成对UPS 容量要求提高。

（3）有的设计人员在按总耗电量选择UPS 时，按单台60%负荷考虑备用，未考虑双路供电设备的耗电是由两台UPS 分担的。

（4）其他原因

① 在仪表及控制系统生产厂未确定的情况下，均无法获得有效数据。采用经验数据存在较大的不确定性。

② W 和VA 的概念混淆[3]，对于交流供电负载，kW 一般是指负载有功功率，kVA 是指视在功率，有功功率=视在功率×功率因数。将视在功率作为有功功率提给电气专业，那么在电气专业计算过程中将重复考虑功率因数，导致最终计算容量放大。

③ 按照上游断路器额定电流×额定电压来确定功耗，而未按照用电设备耗电统计功耗，造成UPS计算容量增大。

3 推荐计算方法和结果比对

3.1 计算方法

采用DL/T 5491-2014《电力工程交流不间断电源系统设计技术规程》中的UPS 容量计算方法[4]并以《工业与民用配电设计手册》第四版[5]中的计算方法作参考。

根据各负载的铭牌功率、功率因数和换算系数，可按式（2） 计算负载的总有功功率；可按式（3） 计算负载的总无功功率，当负载为容性时，其无功功率取负值；可按式（4） 计算总负载的视在功率，并可按式（5） 计算容量综合功率因数。

式中Si——负载铭牌功率，VA；

cosφi——单个负载功率因数；

K——换算系数，可参照表3选择；

PC——计算总有功功率，W；

QC——计算总无功功率，var；

SC——计算总视在功率，VA；

cosφav——计算综合功率因数。

表3 常用UPS 负荷容量换算系数及功率因数Tab.3 Common UPS load capacity conversion factorsandpower factor

根据计算总视在功率Sc，按式（6）得出UPS计算视在容量S，再根据计算视在容量值，并综合其他因素选择大于或等于该计算值作为选择容量。

式中S——UPS 计算视在容量，kVA；

Kk——可靠系数，取1.25；

Kf——功率校正系数，取0.8～1.0，根据负荷综合功率因数，由制造厂提供，当制造厂无数据时可按表4规定的数值选择；

Kd——降容系数，由制造厂提供或可按表5规定数值选择。

表4 功率校正系数KfTab.4 Power correction factor Kf

表5 降容系数KdTab.5 Reduction factor Kd

3.2 计算举例和结果比对

以下对某装置仪表和控制系统分别采用上述推荐计算方法和常规计算方法进行耗电统计。

根据3.1 中的计算方法，并且依据表2中某系统厂家提供的数据，其中服务器电源功耗修正为戴尔的实际电源铭牌功率750 W，则计算可得出：

PC=8 174.76 W，QC=2 233.78 Var，

按仪表用电设备主要为容性，cosφav=0.96，则负载考虑Kf=0.74，按装置所处海拔低于1 000 m 考虑Kd=1 下，可靠系数Kk=1.25，则UPS 计算容量。

S=1.25×8 474.76/（0.74×1）=14 314.97 VA，根据此计算容量，选择大于或等于该计算容量的UPS 电池容量作为选择容量。

常规计算方法下，余量系数Kb按1.2 取值，计算负荷是P=16 664×1.2 W=19 996.8 W，根据此计算结果，选择大于或等于该计算负荷的UPS 电池容量作为选择容量。

表6为以某装置UPS 用电仪表设备功耗进行计算的汇总对比（按单路供电考虑），从计算结果上看，常规计算方法的总耗电量，即使在未考虑功率因数换算的情况下进行比较，还远大于推荐计算方法的计算结果。再结合以上所述的由其他原因产生的放大误差，导致UPS 实际负载率小于20%情况发生的可能性是非常大的。

表6 某装置UPS 用电仪表设备功耗计算汇总对比Tab.6 Summary comparison of power consumption calculations for UPS power consumption of an installation

4 结束语

近年来随着石油化工项目朝着一体化、大型化发展，UPS 选型容量偏大的矛盾突出，已引起业内技术人员的关注。SH/T 3082—2019 版《石油化工仪表供电设计规范》[1]中已对仪表UPS 供电电源的容量要求，从按仪表及控制系统的额定负荷总和1.2～1.5倍调整为0.8～1.2 倍，相较于上一个版本已经做了合理化的修正。可见根据近些年的使用经验，设计人员在统计UPS 用电容量时在考虑可靠性以及扩展性的基础上，也充分考虑了投资成本和资源利用的有效性，符合目前精细化设计的发展趋势。