钢厂热处理炉保安电源可靠性分析与改造

王 猛，卢宪强，温 亮

（山钢股份莱芜分公司板带厂，山东莱芜 271104）

前言

宽厚板热处理炉保安电源是指当全厂停电或停电故障时，为了避免损坏热处理炉底辊等重要设备，保证热处理炉顺利停机而设置的电源。在宽厚板热处理生产线的低压配电系统中，当电网发生事故或厂用电源中断时，应自动转入UPS 不间断供电，如遇较长时间停电，需要及时启动柴油发电机切换供电，以保证热处理炉安全停机，避免出现重大设备损失。

1 热处理炉保安电源系统

宽厚板热处理炉保安电源分为热备、冷备两种，热备电源为2 套不间断交流电源系统（UPS），采用蓄电池组供电，市电中断时，对重要动力及控制电源的持续供电；冷备电源为柴油机事故保安电源，由柴油机驱动发电机作为备用应急电源，市电丢失后（UPS 已自动投入），需要在本地启动柴油发电机，然后手动停止UPS 系统的动力电源输出，并将柴油发电机的供电电源投入，用以代替UPS 动力电源。经以上操作后，UPS系统仅提供控制电源，柴油发电机仅提供动力电源，保证了设备安全用电。

1.1 UPS系统

宽厚板热处理炉采用400 kVA 双机并联型UPS，每台UPS 配置了5 组180 AH 电池，5 组电池并联连接，每组32只，电池端电压为12 V，输出直接并联，电池组端电压为384 V，极限负载能力为800 kVA，2台UPS互为冗余。

1.2 柴油机供电系统

宽厚板热处理炉冷备柴油机保安电源为YCGJ1000 发电机组，是由济柴公司制造的G12V190ZLI V 型12 缸柴油机作为动力源，驱动900 kW 三相四线自感应发电机，为宽厚板热处理线1#、2#、3#热处理炉提供备用应急电源，在出现进线跳阐情况下，该系统为热处理线提供关键动力电源输出，主要功能是替代UPS 系统的动力电源输出，以保证控制系统的UPS 安全供电。该柴油发电机组当前的启动方式为就地启动，在出现进线跳阐的情况下需要专人到机旁进行启动并手动切换供电输出方式。

2 保安电源当前存在问题

2.1 UPS 电池状态缺少有效监控，管理与维护难度大

2017 年8 月，在无供电故障，UPS 正常热备状态下，电池组发生着火事故，直接原因为个别电池老化或接线端压接松动造成电阻升高，引起局部过热从而引发整个电池组着火。

根据孙耀等相关文献研究［1］及现场运维中暴露出的问题，UPS电池组仅靠人工巡检维、测量费时费力，效率低下，对电池实时变化的电压、内阻、温度等数据无法及时撑控，对相应电池故障很难做到第一时间发现并掌握解决，导致了后备蓄电池组存在极大的隐患。

2.2 UPS电池组配置不合理

各电池组若放电不平衡，则极易导致单组电池过热问题出现。

2019 年3 月因外部供电故障，热处理线UPS 设备投入运行，电池放电20 min 后，电池着火燃烧，从事故现场调查发现，最先着火点为中间一组，火势蔓延至其它电池组，造成更换上线不到一年的电池组全部燃烧损坏。主要原因分析为电池组放电不平衡，造成中间一组电池放电电流超额定极限，继而造成发热击穿起火。

改造前电池组配置如图1所示。

图1 热处理2号电气室UPS电池组配置示意图

在UPS 的使用过程中，每台UPS 的极限带载量可以达到350 kW，在上述配置方案下，如果每只电池放电截止电压为10.5 V，电池组放电电流计算如下：

理想情况下，每组电池的放电电流计算如下：

但在实际电池组放电时，往往不能达到理想效果，这主要受限于各电池组的内阻、各电池的连接情况以及各组电池电缆的长度，而且极有可能出现各组电池放电不均匀的现象，特殊情况下，在电池组放电过程中，会出现其中某一组承担绝大部分电流的现象，例如图2。

图2 电池组放电不平衡示意图

而对于180 Ah 铅酸蓄电池，其最大允许持续放电电流值约为180 A左右，如果出现在图2所示的电流分配情况，则会导致某组电池因放电电流超额定极限，继而造成发热击穿起火的现象，同时影响整个电池系统的安全运行。

2.3 原设计该UPS系统所带的负载量偏大

故难以满足应急状态下满负荷工况。

热处理炉UPS 系统，在市电中断的应急状态下可为热处理1#、2#热处理炉辊道提供动力、控制电源，负载量如表1所列。

表1 设备负载量计算表

负载统计表明，1#与2#热处理炉的炉底辊电机的设计总负载量合计为876 kW，如果全部满负荷运行，已经完全超出了这套UPS 的实际额定容量，在之前的实际运行中，由于上述电机不会同时满负荷运转，实际负载量大约在750 kW 左右，2 组UPS 装置并联（10 组电池同时放电）运行能够勉强正常运行。这种情况下，UPS系统处于安全极限运行状态，如果出现10 组中的任一组电池故障就会导致其他电池组放电过大，带来严重隐患。

2.4 部分启动及远程监控功能缺失

柴油机自启动、机旁启动及远程监控功能缺失，冷备投入操作繁琐，应急作业效率低，无法保障在长时间停电故障时，动力电源的及时切换供給。

当前宽厚板热处理线柴油发电机机组为在本地通过控制屏启动，缺失自启动功能，在停电应急、人员紧张情况时，难以第一时间到柴油机房手动启动。且发电机组的电路系统设计为单一的控制器控制，如果出现控制器故障，柴油机将无法启动，对应急状态下的备用电源供电会带来极大的影响。如保安电源失效，导致出现大面积炉底辊弯曲变形，必须进行停产更换，仅加热炉升降温时间就需要7 天，整体更换炉底辊作业至少需要10 天以上停产时间，检修备件费用180 万元。

3 改造方案

3.1 UPS供电系统改造

配置2 组共计384 块2 V 1 000 Ah 电池（配套电池柜组），替代原先10 组共计320 块12 V 180 Ah 电池。将UPS 电池组的配置方案由原设计10 组并联改为2 组并联，降低电池放电电流不平衡的几率。电池选型由12 V 180 Ah 改为2 V 1 000 Ah，增加单只电池的容量，避免电流增大电池温升过快引起爆燃。

3.1.1 按照UPS 配置2 V 1 000 Ah 电池在极限状况的各项计算与配置

在UPS 的使用过程中，每台UPS 的极限带载量设为350 kW，每组电池配置192 只，每只2 V 电池的放电截止电压设定为1.75 V，UPS 电池组的最大放电电流计算：350 000÷192÷1.75＝1041.6 A。符合设备极限负载量要求。

配套设施为2 台SIDERMAT1250A 组合式熔断器隔离保护开关，ZRRV 型软电缆配置要求线径为2×240 mm²，进一步增加新系统的安全稳定性。

3.1.2 电池续航时间满足要求

UPS电池放电时间的计算：

本次改造所选择的25℃时1.60 V恒功率电池放电功率见表2。

表2 电池性能表

按照上述公式，负载量为350 kVA，功率因数为0.8 时，将各数据代入后计算结果为：每只电池放电功率需求为1 552 W，查阅上面的放电功率表得知，2 V的1 000 Ah电池可以延时约40 min。

如果按照应急状态下150 kW计算，则放电功率需求约为665 W，同样的配置情况下可保证2 h放电时间。

改造完的电池组配置如图3。

图3 改造后电池组示意图

3.2 电池状态监控改造方案。

根据陈井军等人［2］成功案例，在UPS 电池组安装监控模块，实现对电池全面运行参数和性能参数自动监控。在每一节蓄电池上安装一个监控模块，监控模块实时监测蓄电池的电压、内阻、温度等信息通过RS485线将监控数据传输到汇集模块。在电气室配备智能显示主控模块，UPS 电池组的监控数据，通过组端收敛模块汇集到智能显示主控模块上显示，同时通过网络，将数据上传到点检维护人员手机终端进行储存展示，电池状态监控系统设备配置见图4。可实现智能内阻测试、蓄电池内部温度监控、智能容量估算功能，能够准确发现故障电池，及时采取措施排除故障。

图4 电池状态监控系统设备配置示意图

3.3 柴油发电机组便捷性改造方案

将柴油机四保护控制柜更新为可编程发电机组控制器，加装通信接口及通信协议，实现远端操作台PC 控制启动、联机监控；同时新增机旁全手动控制装置，在面板控制器突失效的情况下，实现在机旁人工手动启动柴油机快速投入运行，提高热处理炉保安电源的操作便捷性和可靠性。

3.4 电气系统备件设备材料表

见表3。

表3 主要备件材料表

4 实际改造效果

热处理保安电源改造完成后，能够及时掌握UPS 系统每节电池的关键参数，提前发现存在的隐患，避免因电池性能老化、劣化造成的安全和生产事故，全面提升UPS 电池安全管理模式与效率，提高了设备智能化运营维护水平。

参考UPS 设备相关标准，利用热处理炉停机时间进行UPS电池组供电测试［3］。模拟外部供电故障失电，不同负载条件下的UPS 供电情况，蓄电池组持续供电20 min，负载率50%左右，UPS设备控制面板显示可供电时间110 min，完全满足短时停的供电需求（见表4）。随后操作台远程启动柴油发电机，实现了5 min 内将UPS 供电切换至柴油发电机供电。本次保安电源持续供电测试结果表明，改造后的UPS 电池组供电稳定，温度正常，持续供电能力可靠，柴油发电机供电切换的操作及时便捷性也大幅提升。

表4 UPS电池组放电测试记录表