应急电源在化工企业运用中的控制线路优化

赵 凯

（安徽华塑股份有限公司，安徽 滁州 239000）

1 事故应急电源的重要性

通常状况下， 化工企业生产工艺中的低压电气设备均采用380 V/220 V 电源供电。 由于生产流程的连续性和危险性， 化工生产企业对供配电的稳定性、可靠性要求较高，运行设备突然的失电可能导致爆炸、 有毒有害物质泄漏或局部聚合大量的热反应等事故发生，因此，在国内的一些危险化学品生产单位都应该采用相对独立的双回路电源供电， 其重要的一点是双回路电源应有自动切换功能。 在生产企业一级负荷中特别重要的负荷除了由两个相互独立的电源供电外，还应该增设一路应急电源，应急电源有很多种，可以是独立于两组电源的发电机组。

化工企业配置的应急电源一般有EPS 电源、柴油发电机组、UPS 电源等， 对于化工企业的不同场所，相对应的配置也不同。

1.1 化工企业配置的应急电源分类及特点[1]

（1）EPS 应急电源系统主要由蓄电池、 开关组、逆变器、充电器、隔离变压器等装置组成，系统在运行中可以把DC 电源反向转换为交流电源。 适用于断电时间大于0.25 s 的负载。

（2）UPS 不间断电源是一种静态交流不间断电源装置，主要由功率变换器储能装置（电池）和开关（电子和机械）组成，保证供电的连续性。适用于允许电源中断ms 级的负载。

（3）企业内自备应急柴油发电机组是用柴油机为运行动力拖动工频交流同步发电机的发电装置。该发电机组适用于停电15 s 以上的建筑物。 在日常生产中，使用应急电源的工作时间应该根据现场生产工艺允许的停电时间来进行综合考虑，此发电机组与自启动发电机组相互配合使用时应该大于10 min。

（4）具有独立于正常电源的自动切换装置的单独使用的馈电电路。 此应急电源合用在自动开关装置的机械动作时间一般条件下应该满足其允许的断电时间，此时间一般为1.5 s 或0.6 s 以上。 若现场设备允许的可以断电时间为ms 级、 容量较小的及重要的一些负载一般可以使用DC 电源， 应该使用电池组当作应急电源。

（5）自备应急燃气轮机发电机组是一种用燃气轮机作为工作运行动力， 用以驱动工频交流同步发电机的发电设备。

1.2 选用自备应急柴油发电机组的必要性

应急柴油机发电机组是采用一种特殊的自动控制系统的柴油机发电机组， 可以自动检查供电线路的电流情况，若遇见现场紧急停电的情况，此机组可以自动切换到需要的频率上面持续供电。 自备应急柴油发电机组是给一级、二级负荷提供电源的。一二级负荷是指不能停电或者一旦停电将造成无法弥补损失的用电负荷。

（1）使用功率较大、电压相对稳定、燃油价格低、热效高，在现场工况发生变化时，燃油的消耗率曲线变化相对比较平缓，在低负荷情况下运行经济可靠。

（2）工作效率可靠、耐久度强。 因为没有点火系统，其故障率比较低。

（3）使用范围比较广泛，在国内化工企业和矿场、医疗、银行等都会使用。

（4）有害排放物较低。

（5）防火安全性好，非常适用于化工企业等高用电要求的场所。

2 事故应急电源系统在化工企业的设计优化配置

2.1 设计状况

随着科技的发展， 国内化工行业中一些新的工艺技术不断更新， 电气控制系统在危险化工生产过程中对生产安全起着重要作用， 所以对供电安全的可靠性和稳定性的要求越来越高。目前，国内化工厂多数的化工生产装置有着高压、高温、易燃易爆、工艺流程24 h 连续生产的特点。 如果生产装置突然失电导致生产不受控制，则易发生装置爆炸、有毒有害气体泄漏、工艺设备报废等极其严重的结果，所以供电系统的安全可靠对化工装置的安全有着举足轻重的作用，化工企业建设设计时，要把其可靠、安全、稳定等相关特性作为研究的重点。

在安徽华塑股份有限公司二期氯碱项目烧碱装置、PVC 装置、VCM 装置中一些重要的设备除采用双回路供电外， 均分别设置了一路独立于市电的应急电源，此路电源为柴油发电机组独立供电段。这套机组在现场设备正常运行过程中， 所用的市电发生故障而造成停电之后的应急备用电源的提供者，在市电供电正常时此套发电机组处于待机备用状态下，现场市电只要发生停电，此时就需要备用发电机组“起得动，供得上”。 如果起不到上述作用，那么此机组就失去了备用的意义， 会给生产造成很大的损失。 柴油发电机组的供电响应时间是确保事故响应的关键节点。

以PVC 装置供电系统为例，未设置柴油发电机组供电系统图见图1， 设置柴油发电机组供电系统图见图2。

设置柴油发电机组后供电系统工作方式如下。

双进线（1#变压器、2#变压器）分别向I 母线、II母线供电，母联开关（备自投）断开，Ⅰ母线、Ⅱ母线分列运行。 当I 母失电后母联开关合，由II 母供电；当II 母失电后母联开关合，由I 母供电。当I 母线、II母线全部失电、 在现场设备上的双电源开关内部的控制器做出其相应的逻辑判断后， 立即发出一系列启动柴油发电机组的指令， 并将应急电源直接供给应急段的设备； 而应急段馈出柜内安装了具有抗晃电功能的模块， 在设定的时限内自行再启动， 或在DCS 后台通过预先程序设置启动其他备用泵进行事故应急处理。 柴油发电机起动过程流程图见图3。

2.2 双电源自动转换开关的分类与选择

在现场运用中，双电源自动转换开关，总的来说分两大类，主要分为ATS 和STS。

STS（Static Transfer Switch），静态开关，又称为静态转换开关，为电源二选一自动切换系统，第一路电源出现故障后STS 自动切换到第二路电源给负载供电 （前提第二路电正常且和第一路电基本同步）， 第二路电源故障的话STS 自动切换到第一路电源给负载供电（前提第一路电正常且和第二路电基本同步），适用于UPS-UPS，UPS-发电机，UPS-市电，市电等任意两路电源的不断电转换，上面所说的几种所使用的电源间都需要使用相应的同步装置来保证这两路电源基本同步， 否则STS 无法进行切换。这个开关主要由智能控制板、高速可控硅、断路器组成，使用中的标准切换时间一般≤8 ms，正常运行时不会造成IT 类负载断电，既可以对其负载进行安全可靠的供电，也可以保证STS 在不同相切换时的安全性。

图1 （以PVC装置供电系统为例）未设置柴油发电机组供电系统图

图2 （以PVC装置供电系统为例）设置柴油发电机组后供电系统图

图3 柴油发电机启动过程流程图

ATS 又称为ATSE （Automatic transfer switching equipment 的英文缩写），自动转换开关。ATS 在现场一般用于比较紧急的供电系统之中， 在使用过程中可以把负载使用的电路从一路电源自动换到另外一路（备用）电源的开关电器，用来保证现场一些极其重要负荷可以连续、 可靠运行，ATS 为机械结构，其转换时间一般在100 ms 以上，会造成负载断电。

双电源自动转换开关一般由开关本体和控制器两部分组成， 而开关本体又分为PC 级双电源开关（整体式）和CB 级双电源开关[2]（双断路器式）。

（1）PC 级双电源自动切换开关

PC 级双电源自动切换开关在现场使用过程中可以进行接通、承载，但一般不使用在分断短路电流的双电源中使用过程中双电源， 如果使用没有过电流脱扣器的负荷开关作为执行器， 就是PC 级自动转换开关，没有相应的保护能力，但拥有非常高的耐受与相应的接通能力，可以保证开关自身的安全，不会因为在使用过程中出现过载或短路等故障而造成开关损坏，可以保证开关安全可靠地接通回路。

（2）CB 级双电源自动切换开关

CB 级双电源自动切换开关是内部自身拥有过电流脱扣器的双电源， 开关的主触头可以接通并应用于分断短路电流， 此时双电源应使用仅仅拥有短路电流脱扣器的断路器作为执行器， 属于CB 级自动转换开关，拥有选择性的相应保护能力，可以对开关下端的负荷和电缆提供一定的短路保护， 其接通和分断能力远远大于接触器和继电器等其他元器件。

2.3 双电源自动切换开关的选择

在现场设备使用时自动切换开关在发生故障切换备用电源时有一定延时， 此延时作用在由主电源向备用电源转换上。 有些用电设备对双电源自动切换开关的转换时间是有严格要求的， 因此双电源自动切换开关选型时一定要达到用电设备的转换时间的要求。

（1）双电源自动切换开关在使用自动投切功能时，现场使用的主电源市电恢复其正常工作的供电后，现场使用的此开关在经过延时后， 应该自动切换回市电主回路电源供应。

（2）双电源自动切换开关在日常使用过程中不能用来启动功率较大的电动机或者高感抗负载转换，这一类型的负载在设备日常工作运行中切换， 此时两个回路电源相位差比较大的时候， 电动机将会承受极大的机械应力。同时，电动机产生的反电势引起的过流会造成熔断器熔断或断路器脱扣。 所以现场正常运行中当此开关带功率较大的电动机或高感抗负载转换， 两组动触头在转换之前应该增加一个延时，选取延时转换型双电源自动切换开关，这个开关使用的延时时间应根据现场使用负载的情况来决定。

（3）在现场使用中采用发电机组作为应急照明电源， 发电机的启动和电源转换二者相加的时间小于15 s。此开关应该选用“市电-发电机转换”专用型。

（4）在日常现场使用中当变电室低压配电系统为单母线分段运行时，并设母联开关时，此双电源自动切换开关总动作时间应与变电室母联开关设定的动作时间整定值二者相互配合， 现场使用过程中应大于联络开关动作时间在0.5～1.0 s。 国内的一些变电室母联开关的动作时间一般为2.5 s，此时双电源自动切换开关总动作时间最适合设置在3 s 以上。

3 设备现状及存在的问题

二期烧碱装置10 kV/400 V 配电室内400 V 应急段选用的是施耐德公司生产的双电源自动转换开关，该开关由控制器、转换开关、控制线缆等3 部分组成。 控制器正常对S1（市电）、S2（柴油机应急电源）进线检测，正常时K1 开关对S1 供电，在失电后K2 开关在控制器的电气联锁和逻辑保护电路下先断开K1 开关， 再根据S2 电源供电品质进行投入，并保证S1、S2 电源不会并列运行。 其控制器电源和开关K1、K2 适配器检测电源由市电和柴油发电机备用电源分别予以提供。

在进行二期装置系统联调联试过程中， 电气人员对应急段进行失电模拟测试发现， 烧碱400 V 配电室在双回路失电后， 柴油发电机组自启后应急段的运行设备无法进行再启动， 应急段不能满足使用要求。

4 原因分析及改进措施

经排查后发现故障的原因是柴油机启动时间、控制器反应时间叠加后超过了抗晃电模块25.5 s 的上限，故该应急段设备在失电后不能自行再启动，失去了增加应急电源的意义，在PVC 车间、VCM 车间也存在同样的问题。 首先柴油发电机自启动过程时长为13 s， 而在柴油发电机启动完成后并达到允许合闸的安全电压前，控制器也在失电状态，在控制器通电及通电自检完成后再进行切换逻辑判断时长已达到12 s，即使不考虑中间的3 个开关自动合闸（发电机组供电开关）-分（市电）-合（应急电源），也已超过了开关柜应急段再启动的上限时间，因为柜内的电机综合保护器的晃电保护时间范围为0～25.5 s。

在对应急段失电模拟预演失败原因进行分析后，再对控制线路进行分析，发现是双电源切换装置的电源选取存在问题。 双电源装置示意图见图4。 柴油发电机组从零怠速到额定转速下的额定电压的时长可调整的范围不大，属于设备机械特性，唯一可行的方案是确保双电源自动转换开关控制器及转换开关的操作电源在现场使用的设备的市电失电的情况下依旧可以连续供电。 通过从EPS电源系统提供控制器电源后进行应急段失电模拟测试成功， 节约了控制器失电和通电后自检需要的12 s 时长， 实现了烧碱应急段的失电后设备再启动功能。 经过多次分析与模拟试验，改造方案是将备用电源开关K2 适配器P 端的电源引入变更为从EPS 电源的引入， 从而保证了控制器及开关的操作电源不再有间隙的失电现象发生。 成功优化了控制回路，解决了该问题，并在其他装置进行了同样的改造，保证了应急段设备的快速再启动，为二期设备的安全运行奠定了重要的技术支持。改造后示意图见图5。

5 结语

对于设计定型的成套设备， 所用的控制方式因为关键的核心原件被批量选用， 改造将变得非常困难。在不改变原有的设计基础上能够拓展思路，使用技术手段处理一系列问题， 用极小的消耗达到最大限度的性能优化。

图4 双电源装置示意图

图5 改造后示意图

在晃电模块保护时长设置范围的制约下， 设计单位仅考虑了正常供电失电和失电后再由发电机自启供电， 没有考虑到从不间断供电电源UPS 或应急照明电源EPS 的电源引入，其最大的问题是双电源自动转换开关在失电期间会有部分模块的显示终端失电，导致不能快速驱动相关设备，影响关键设备的快速响应。

由于二期工程氯碱项目PVC 装置聚合工序设备由660 V 电源供电，EPS 电源系统只能提供400 V电源，通过增加隔离变压器升压至660 V，也解决了该问题， 在二期工程氯碱项目VCM 装置进行了技术改造并达到了同样的效果，运行至今稳定可靠。