制氫站UPS改造與優(yōu)化實(shí)踐

摘要：武鋼有限硅鋼部某制氫站UPS系統(tǒng)存在設(shè)備老化、輸出容量不足、無備用回路等問題，需要進(jìn)行改造。改造方案包括更換原有UPS和蓄電池組，并增加一套UPS，以及優(yōu)化交流輸出回路，增加聯(lián)絡(luò)開關(guān)。改造后，UPS系統(tǒng)的可靠性、冗余輸出功率和蓄電池組容量得到明顯提高，滿足了制氫站生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行需求。

關(guān)鍵詞：UPS；制氫站；改造；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TM919" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）17-0074-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.018

0" " 引言

武鋼有限硅鋼部某制氫站分為兩個(gè)作業(yè)區(qū)，每個(gè)作業(yè)區(qū)均有6臺(tái)制氫煤壓機(jī)，全站共有12臺(tái)制氫煤壓機(jī)，年產(chǎn)氣量共17 630 000 m3。站內(nèi)共有兩套制氫控制系統(tǒng)（每套制氫控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控單一作業(yè)區(qū)域內(nèi)的6臺(tái)煤壓機(jī)），兩套制氫控制系統(tǒng)全部由日本橫河提供，制氫控制系統(tǒng)是全站的核心部分，承擔(dān)著氫氣站所有制氫系統(tǒng)、公輔系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制，與集控中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程機(jī)組開停和制氫壓力調(diào)節(jié)等功能。

站內(nèi)僅有一套離線式不間斷電源系統(tǒng)（Uninterruptible Power System，UPS）[1]，主要為全站兩套制氫控制系統(tǒng)（包括PLC系統(tǒng)、操作站、交換機(jī)系統(tǒng)、控制柜中24 V信號(hào)模塊及工程師站）提供應(yīng)急交流電源，確保制氫控制系統(tǒng)電力供應(yīng)不中斷。在進(jìn)線電源正常時(shí)，UPS電源能通過穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、抑制浪涌、濾除噪聲、防雷擊等功能，給制氫控制系統(tǒng)提供頻率及電壓穩(wěn)定、波形失真極小的電源，從而滿足制氫站穩(wěn)定生產(chǎn)所需的要求[2]，是確保制氫站安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵保障設(shè)備。

1" " 改造前原UPS電源概況及存在問題

1.1" " 原UPS電源概況

站內(nèi)唯一的UPS電源為法國梅蘭日蘭公司生產(chǎn)的在線式UPS，型號(hào)為SmartDX100，容量為20 kVA，隨制氫機(jī)組投產(chǎn)同時(shí)投入運(yùn)行。UPS主要由輸入濾波板、保護(hù)電路、整流器、蓄電池組、逆變器、靜態(tài)開關(guān)、直流斷路器以及交流輸出分配單元等組成，分為正常供電模式與蓄電池供電模式。原制氫控制系統(tǒng)UPS電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2" " 存在問題

1）該UPS及蓄電池組均已投入運(yùn)行12年，目前UPS中的元器件老化現(xiàn)象顯著，已經(jīng)多次觸發(fā)故障報(bào)警機(jī)制；此外，部分關(guān)鍵配件已停止生產(chǎn)，設(shè)備維修及備件更換面臨重重困難，這些因素共同導(dǎo)致UPS運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性嚴(yán)重降低。

2）制氫控制系統(tǒng)UPS兩路交流輸出回路共用同一段母線，該段母線為全站兩套制氫控制系統(tǒng)的所有負(fù)荷供電。然而，原設(shè)計(jì)存在一定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生故障，例如短路或接地，母線電壓會(huì)迅速下降，進(jìn)而影響到母線上所有制氫系統(tǒng)設(shè)備供電。

3）原UPS容量偏低。原UPS容量為20 kVA，氫氣站經(jīng)過擴(kuò)建及改造，現(xiàn)制氫控制系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表1所示。

經(jīng)計(jì)算，兩套制氫控制系統(tǒng)總負(fù)荷P=（14.5+4.7+4.93）×0.6+（2.1+2.8）×0.8≈18.4 kW。UPS三相負(fù)載率η=18.4/20=92%。

通常情況下，UPS的負(fù)載率應(yīng)維持在40%～80%。這樣的負(fù)載范圍不僅可以讓UPS達(dá)到最高的效率，還能確保在電力中斷時(shí)提供足夠的備用電力。在實(shí)踐中，將負(fù)載率控制在30%～80%可以得到最佳的穩(wěn)定性和效率[3]。

4）原站內(nèi)僅有一套UPS及一套交流分配單元，無法滿足“N-1”的運(yùn)行要求，一旦唯一的UPS出現(xiàn)故障，將影響到全站兩套制氫控制系統(tǒng)的供電，可靠性低，且檢修和維護(hù)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，難以滿足制氫系統(tǒng)的運(yùn)維需求。

2" " UPS電源改造與優(yōu)化

2.1" " UPS改造方案

更換原有UPS并新增一套UPS，兩套UPS均選擇施耐德E3SUPS30k3I型在線式UPS。在線式UPS是指不管電壓是否正常，負(fù)載所用的交流電壓都要經(jīng)過逆變電路，逆變器一直處于工作狀態(tài)。當(dāng)停電時(shí)，UPS能馬上將其存儲(chǔ)的電能通過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，從而達(dá)到輸出電壓零中斷的切換目標(biāo)[4]。新UPS配有LCD顯示屏，可顯示輸入/輸出電壓、電源頻率、輸出負(fù)載百分比、運(yùn)行狀態(tài)以及故障報(bào)警等信息，且在單套UPS發(fā)生過流、接地或逆變器故障等情況下，UPS可給直流母聯(lián)開關(guān)發(fā)出合閘信號(hào)。成套UPS電源內(nèi)部集成電力電子元件，在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，其工作環(huán)境溫度實(shí)測(cè)最高40 ℃，UPS電源對(duì)環(huán)境溫度有較高的要求，若未能采取有效的散熱措施，會(huì)使其使用壽命大幅縮短。原UPS屏柜體的設(shè)計(jì)并未充分考慮散熱問題，缺乏專門的散熱結(jié)構(gòu)，散熱主要依靠屏頂部通風(fēng)網(wǎng)格，但此種散熱方式的效果并不理想。新UPS屏柜頂部裝有散熱風(fēng)扇，前后柜門均為網(wǎng)格門，散熱方式為主動(dòng)散熱，這樣既提高了UPS電子元件散熱效率，同時(shí)也有助于運(yùn)維人員更方便地進(jìn)行設(shè)備巡視及維護(hù)工作。

更換原有直流蓄電池組，單套蓄電池組容量由原20 Ah擴(kuò)容至40 Ah。原蓄電池組服役時(shí)間長，內(nèi)部電阻增高，存儲(chǔ)容量下降，蓄電池組無法滿足制氫控制系統(tǒng)的后備時(shí)間要求，即在停電后蓄電池組的供電時(shí)間須大于2 h。

新UPS采用在線式UPS，兩套UPS進(jìn)線為兩路獨(dú)立進(jìn)線，每套UPS為單個(gè)作業(yè)區(qū)的制氫控制系統(tǒng)提供電源，兩套UPS在正常運(yùn)行方式下獨(dú)立運(yùn)行。按照設(shè)計(jì)方案，每套新UPS電源容量為30 kVA，由兩面屏柜組成。兩套UPS交流輸入電源采用雙回路供電方式，兩路電源取自不同回路。電源進(jìn)線1取自站內(nèi)自用Ⅰ段，電源進(jìn)線2取自站內(nèi)自用Ⅱ段，兩路進(jìn)線電源均具有備自投功能，能充分保障供電系統(tǒng)可靠性。

在兩套新UPS電源交流輸出回路處增加母聯(lián)斷路器，兩套UPS設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，母聯(lián)斷路器處于分閘狀態(tài)，其中一套UPS設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可自動(dòng)或手動(dòng)合閘該母聯(lián)斷路器，由另一套UPS設(shè)備同時(shí)給兩套制氫控制系統(tǒng)供電。

改造后的UPS電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2" " UPS改造過程

改造前測(cè)試新UPS整機(jī)各項(xiàng)功能，確保新UPS系統(tǒng)無跳閘、停機(jī)等現(xiàn)象，經(jīng)過測(cè)試，新UPS輸出直流電壓滿足220×（1±3%）V的要求，但在合閘UPS進(jìn)線380 V斷路器時(shí)，偶爾UPS會(huì)產(chǎn)生負(fù)載短路、逆變異常等故障報(bào)警。針對(duì)上述問題，分析原因?yàn)樾耈PS進(jìn)線變壓器低壓側(cè)未增加濾波器，在進(jìn)線斷路器合閘瞬間形成尖峰電壓，使UPS產(chǎn)生故障報(bào)警。為此，在新UPS系統(tǒng)進(jìn)線變壓器低壓側(cè)增加濾波電容，吸收并消除尖峰電壓。

改造時(shí)須保證全站制氫管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定，因在全廠大修期間，現(xiàn)場(chǎng)大部分機(jī)組停產(chǎn)，制氫管網(wǎng)壓力需求較小，制氫站煤壓機(jī)可短時(shí)間停機(jī)。根據(jù)測(cè)算停機(jī)時(shí)間不得超過20 min，因此，改造時(shí)間定在大修期間，項(xiàng)目改造分為三個(gè)階段實(shí)施：

第一階段：原UPS僅一路進(jìn)線電源，在全站制氫控制系統(tǒng)停電后，拆除原UPS，此時(shí)制氫站所有煤壓機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，接著進(jìn)行臨時(shí)交流電源的搭接，原UPS所帶的作業(yè)區(qū)1制氫控制系統(tǒng)段的負(fù)荷由臨時(shí)交流電源供電，檢查控制系統(tǒng)負(fù)荷運(yùn)行正常后啟動(dòng)作業(yè)區(qū)1的4臺(tái)煤壓機(jī)，保證大修期間氫氣管網(wǎng)壓力需求。

第二階段：在氫氣管網(wǎng)壓力穩(wěn)定后，繼續(xù)安裝、調(diào)試新2# UPS及配套直流蓄電池組；其次對(duì)交流220/380 V母線進(jìn)行分段改造，增加母聯(lián)斷路器，在新2# UPS安裝、調(diào)試完畢后，由改造后的2# UPS交流母線段對(duì)作業(yè)區(qū)2制氫控制系統(tǒng)供電，此時(shí)，停止作業(yè)區(qū)1的4臺(tái)煤壓機(jī)運(yùn)行，并拆除臨時(shí)電源；啟動(dòng)作業(yè)區(qū)2的4臺(tái)制氫煤壓機(jī)，保證全廠大修期間的氫氣管網(wǎng)壓力需求。

第三階段：安裝、調(diào)試新1# UPS及配套直流蓄電池組，并將新1# UPS交流電源輸出端連接至作業(yè)區(qū)1制氫控制系統(tǒng)段，在所有改造工作完成后，停作業(yè)區(qū)2兩臺(tái)制氫煤壓機(jī)，并啟動(dòng)作業(yè)區(qū)1兩臺(tái)制氫煤壓機(jī)，此時(shí)所有負(fù)荷已依據(jù)平均分配與分段運(yùn)行的原則，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷的合理分配，安裝調(diào)試工作已全部完成。

3" " 改造成效

1）UPS改造完畢至今，無故障發(fā)生，UPS由原來的一套新增至現(xiàn)在的兩套；交流輸出回路由原來的一段改造為現(xiàn)在的兩段，供電回路的可靠性得到了極大提升，在緊急情況下，若其中一套不間斷電源（UPS）出現(xiàn)故障，為保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全，母聯(lián)斷路器將自動(dòng)進(jìn)行合閘操作，由另一套UPS同時(shí)給兩套制氫控制系統(tǒng)供電，待故障處理完畢后，由專業(yè)人員手動(dòng)斷開母聯(lián)斷路器，滿足故障時(shí)“N-1”的運(yùn)行要求。

2）在兩套UPS投入運(yùn)行后，使用電能質(zhì)量分析儀檢測(cè)掉電后切換直流時(shí)的電壓波形。分析儀波形顯示：交、直流切換時(shí)，輸出電壓波動(dòng)＜5%，切換時(shí)間＜1.5 ms，輸出波形失真度＜2.5%，無尖峰電壓，滿足制氫控制系統(tǒng)對(duì)不間斷電源的各項(xiàng)技術(shù)要求[5]。

3）改造后平均每段直流母線負(fù)荷P=18.4/2=9.2 kW，改造后單套UPS三相負(fù)載率η=9.2/30≈31%，負(fù)載率由原來的92%降低至31%，在最佳性能區(qū)間。同時(shí)UPS的冗余容量有明顯增加，滿足武鋼有限配電管理和技術(shù)要求。

4）對(duì)UPS蓄電池組進(jìn)行了擴(kuò)容，蓄電池組容量由原20 Ah擴(kuò)容至40 Ah，實(shí)測(cè)電池組事故放電時(shí)間由原來不足1.5 h提升至2.5 h以上，制氫站的生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行得到了更為堅(jiān)實(shí)的保障。

4" " 結(jié)束語

UPS設(shè)備在保障制氫站穩(wěn)定生產(chǎn)方面具有不可或缺的重要作用，我們秉持著安全可行的原則，成功對(duì)制氫站UPS實(shí)施了改造，該項(xiàng)目不僅解決了站內(nèi)UPS設(shè)備老化、輸出容量不足、無備用回路的問題，同時(shí)還提高了站內(nèi)控制系統(tǒng)的可靠性，保障了制氫站的穩(wěn)定運(yùn)行。本文系統(tǒng)地介紹了制氫站UPS升級(jí)改造的完整流程，也為今后冶金行業(yè)UPS的設(shè)計(jì)、改造及實(shí)施提供了參考和借鑒。

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收稿日期：2024-06-03

作者簡介：馬?。?986—），男，湖北人，工程師，研究方向：電氣工程及電氣自動(dòng)化。