关于高炉生产中不间断电源的高效使用

杨世才

(马钢股份公司炼铁总厂 安徽马鞍山 243000)

1 概述

在高炉生产中，不间断电源(Uninterruptible power supply，文中简称UPS)有着较为广泛的使用。因为高炉连续作业生产作业的特殊性，要求供电环境稳定，绝对不能间断，而市电环境却会因为线路改造、变压器故障、电气联锁故障、断路器故障、意外事件等诸多因素而备受考验，所以UPS就在市电故障响应期扮演了必不可少的角色。目前，在高炉的原料输送、本体冶炼、热风、煤粉喷吹、煤气除尘、压力发电、循环水冷等诸多生产线中均按照至少两套以上冗余设计了UPS。

UPS是一种失电后带有后备电池供电功能的应急供电装置，它根据配备的电池组容量及数量可以提供几十分钟乃至几个小时的备用供电时间。UPS由整流器、充电器、电池组、逆变器等主要功能单元组成，它的原理是将交流电源通过整流器转换为直流电源，再通过充电器给电池组持续充电，输出电源时又通过逆变器将直流电源转换为稳定的交流电源(220 V或380 V)。市电供电时，UPS逆变输出稳定电压电源，市电停电时，启用电池组供电，UPS仍旧可以逆变输出稳定电压电源。

图1 双回路供电UPS原理图

2 UPS的使用意义

UPS的存在就是为了消缺市电故障期对高炉生产作业造成的重大影响。高炉生产是一个黑匣子，一旦停电，计算机就不能发出操作指令，PLC无法控制设备启停，电气连锁就会失效，仪表停止显示数据，高炉内部的温度、压力、煤气等监视信号会统统丢失，随之而来的设备烧穿、气体堵塞、冷却水溢满、爆炸事故都是极其致命的。即便机旁切断了气源，关停了皮带机，但高炉本体、煤气管道、膨胀罐等局部系统仍会面临温度失控、压力增高、冷却水溢出等重大危险。并且，最终要的是，高炉炉体一旦凉下来，残铁处理、炉温恢复都需要较长的时间(几天至几周)，这对高炉生产是非常不利的。

在重要的高炉生产线中，电气设备、仪表设备和计算机都会引入来自两段不同变压器的变电线路提供安全供电，对于一些低压配电柜、仪表柜和计算机终端需要接入双电源切换装置，这种装置有工业级(10 ms以下)和商业级之分(10 ms以上)，使用者可以根据实际需求进行配置。这样，即便来自一路变压器的变电线路故障失电，高炉生产线中的重要生产设备和控制系统仍然保持稳定的电源供给。但是，受各种特殊因素制约，譬如：变压器的大修改造，供电线路的变更设计改造，持续恶劣环境的影响等，简单的两段市电供电并不能为高炉安全稳定生产提供最有效的保障，也没有充分考虑变压器变电线路的改造和大修等因素。

最安全有效的供电系统应当是不同源供电线路和UPS的结合应用，这种应用中的变压器变电线路、UPS、双电源切换装置互相契合，相辅相成。

3 UPS的使用分类

UPS的应用模式多种多样。大致分为单机、并联、串联、双总线四种。

单机运行模式多用于工艺简单、设备较为单一的生产线，譬如：一套触摸屏，一台工控计算机等。它可以保障市电短时间失电时，生产设备有一定后备时间的电池组提供持续不间断供电。单机UPS只适合重要性并不突出的一些生产线或办公机房用途，在供电电源短时间停电时可以起到保护设备、稳定系统运行状态的作用，但是UPS需要及时维护和密切关注，否则非但不能起到保护设备的作用，还会适得其反，因为一些严重UPS故障可能造成设备停电。

马钢第二炼铁总厂1#、2#烧结机在2010年8月间，就曾因为UPS主控板故障导致电池功能、旁路功能均未切换的重大故障，两套烧结生产系统同时失电，两台烧结机一起停机，严重影响了生产。因为UPS无法在线短时间修复，最终是将UPS强行退出，直接将低压电配送至两套烧结计算机系统，前后花费了一个多小时的时间，给生产造成了不小的损失。

并联、串联运行模式在早期的高炉生产线中占据较大比例应用，当市电全部失电时，UPS切换至电池组持续供电，即便一台UPS故障或失效，仍能安全提供UPS电，这种模式的后备时间更长，安全系数较单机更高一些。

马钢第二炼铁总厂2#高炉中央控制室计算机系统电源在2002-2012年间采用是双台UPS组成的并联供电系统，因为使用的是知名进口品牌产品，在前面的5-7年使用周期中基本无故障持续稳定运行。在服役后期，其中一台UPS出现了主控板、逆变器模块、电容等故障，致使逆变器无法启动，不能实现供电保护，且因为两台UPS是通过并联单元实现的并联系统，无法将故障UPS简单地退出检修，即便UPS能退出检修，也存在上线时并联设备相位同步检测的问题。而对于24小时生产运行的高炉生产系统来说，几乎没有停电条件，所以并联UPS系统的弊端就变得愈加明显。

马钢第二炼铁总厂3#高炉中央控制室计算机系统电源在2003年-2013年间采用的是双台UPS组成的串联供电系统，前面5-6年的使用周期中也基本没有出现过任何大的故障，服役后期，两台UPS轮番出现逆变器、整流器、电容、主控板等故障。因为备用机的输出供电接的是主用机的旁路，所以备用UPS的在线检修还相对容易一些，但检修后投运上线仍然存在一些风险；至于主用机的检修则需要停止生产设备用电，检修后投运时需要二次停电，这对于24小时运行的高炉生产系统都影响至大。

UPS系统的供电问题困扰了马钢第二炼铁总厂多年，针对串、并联UPS系统检修不易、容易交叉干扰的弊端，马钢第二炼铁总厂2#高炉UPS系统、3#高炉UPS系统先后在2012年、2013年进行了UPS线路改造，全部组成双总线运行模式。

4 双总线UPS更加高效

多年的高炉现场使用经验证明，双总线UPS运行模式供电安全系数更高，检修率更高，故障率更低，使用面更广。

双总线UPS运行模式供电安全系数更高。双总线UPS即拆开原来的并联单元和串联线路，两台UPS各按单机双段进线接入不同变压器线路的两路市电(一路接主回路电源，一路接旁路电源)，各自逆变输出一路稳定电源(220V或者380V)，冗余成组出现，生产系统中的DCS控制器、计算机都设计了冗余电源模块，分别接入两台UPS的供电输出上。这样，无论任何一路市电变压器线路故障或大修，或者任何一台UPS出现故障，所有的负载终端都不会失电。

图4 UPS双总线图

双总线UPS运行模式检修率更高。因为有冗余且互不影响的另外一路UPS电源负责给负载终端供电，所以任何一台UPS都可以随时随地进行在线检修，仅仅需要在检修前确认好另外一路备用UPS电源的良好状态即可。双总线UPS的检修是几乎不受运行的生产设备制约影响，检修率甚至可以达到100%。

双总线UPS运行模式故障率更低。双总线UPS的检修率提高了就能按周期计划性对UPS进行维护保养、隐患消缺，包括清扫UPS内部积灰、粉尘，检查电气元件接线，检测电容性能，检查测试电池性能，这样一来，必然会提升UPS使用寿命，减少故障发生频率和次数。而且，少了串联线路和并联单元的制约，两台UPS同时发生故障的几率几乎为零。

双总线UPS运行模式使用面更广。在接入的设备种类方面，包括高炉系统中的DCS、PLC、计算机、仪表、阀门、电气柜、显示屏等等诸多负载终端。在高炉生产线中，包括原料输送、热风、本体冶炼、煤粉喷吹、煤气除尘、压力发电、循环水冷都无一例外地优先选择使用了双总线UPS。截至2014年底，马钢第二炼铁总厂4座高炉的十余条生产线清一色地上线了双总线UPS。

针对不同UPS运行模式的使用情况，以马钢第二炼铁总厂2#高炉为例，对比数据如下：

根据两个服役周期统计的数据，在2#高炉各生产线中，无论是串联还是并联的UPS检修率均为1次/年，故障率为0.2次/年至0.5次/年；而改成双总线后，UPS检修率为2次/年，故障率为0.1次/年以下。其中检修次数为UPS定期维护检查的次数，检修率高说明双总线UPS是非常便利检修的。故障次数包括UPS本身故障及关联故障。

总而言之，安全供电是高炉生产最基本也是重要的基石，只有将供电环境中的各种备用、冗余方案高效嵌套融合，在较低成本下有效选择适合生产线现场的UPS应用模式，才能实现UPS的高效使用，才能有效保障高炉生产作业，为高炉生产线筑牢不倒长城。