FPSO的UPS系统及其蓄电池的设计

慈宏波，魏加旺，李宏伟

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

FPSO主要用于接收来自海底油田生产的油气，并配备工厂设施来处理这些油气流体，稳定它们，并将产出的水和天然气分离。加工过的液体被计量，储存在船舶货物储罐中，并卸载到穿梭油轮中。

产生出的气体经过CO和HS移除、压缩、脱水后，用作FPSO的燃料气和海底生产井的提升气。多余的天然气通过天然气管道出口输送到石油公司的天然气管道系统中，或重新注入储罐。气体处理过程中流出的CO应被压缩，以便将其排入储罐中。采出的水将按照CONAMA的要求进行舷外处理。

这些生产处理流程和消防系统等的所有数据和信息都由中控系统和消防系统来控制、处理、分析、储存；为确保供电的稳定性，避免失控或重大事故，UPS系统可以为负载提供不间断电源。此外，UPS系统还能避免一些大的感性及容性负载、开关电源等负载在失电情况下可能反向作用于电网，造成电网电压的波形畸变以及频率漂移等情况。UPS系统可以避免并保持清洁的供电系统。

1 UPS系统的结构形式

UPS不间断电源（uninterruptible power supply）主要由整流器、逆变器、静态开关、变压器和蓄电池组成。

1）隔离变压器

旁通回路隔离变压器的作用：

（1）将440 V交流三相电源转换成230 V单相交流电源；

（2）消除和隔离交流输入电源的多次谐波，降低交流输入电压的波形畸变度。

2）旁路开关

旁路开关是UPS系统的重要组成部分，在以下2种情况下UPS处于旁路状态：

（1）当负载超载、短路（实际上可以认为是一种严重的超载）或者逆变器故障时，为了保证不中断对负载的供电，旁路开关动作，由主电源通过隔离变压器和稳压电源向负载供电。

（2）维修或测试时，为了安全操作，将维修旁路开关闭合，由主电源通过隔离变压器和稳压电源向负载供电，将UPS隔离。这种切换可保证在UPS检修或测试时对负载供电。

3）静态开关

静态开关为无触点开关，由晶闸管开关器件构成。所谓电子式静态转换开关，是将一对反向关联的快速晶闸管连接起来，由于快速晶闸管的接通时间为微秒级，因此可以对负载实现转换时间为零的不间断供电。

4）蓄电池

当主电源正常时，UPS的整流充电器为蓄电池充电，将电能转换为化学能。主电源中断后，蓄电池将化学能再转换为电能，为逆变器和重要负载提供必要的能量。蓄电池是UPS系统中的一个重要储能元件。

典型图1的UPS系统主要由2个独立的UPS（2套独立的整流充电器和逆变器回路）和1个旁通回路、蓄电池组、静态转换开关及配电盘组成。如果一个整流/逆变回路发生故障或维修的话，另一个整流/逆变回路仍然能在电源不中断的情况下，向负载提供连续电源。如果2个整流/逆变回路都发生故障或维修的话，仍然能通过带有隔离变压器和电压调节器的旁通回路向负载供电。

图1 UPS典型示意图1

典型图2的UPS系统主要由2路独立的UPS供电：一路整流充电器和逆变器回路、蓄电池组，另一路通过旁通变压器向负载供电。静态开关是UPS系统内几路电源相互转换的开关装置。如整流/逆变回路发生故障或维修的话，另一路应急电源经过变压器直接向负载供电。如果都发生故障或维修的话，仍然能通过手动旁通转换开关，通过带有隔离变压器的一路向负载供电。

图2 UPS典型示意图2

UPS的2个输入端的交流电源通常一个连接到应急配电系统，另一个输入电源可以连接到正常440 V配电系统，规范和标准对UPS输入电源没有明确的规定。UPS旁通回路的输入电源连接到应急配电盘。正常情况下，UPS将来自主电源的交流电源经整流充电器转换为直流电，再由逆变器逆变为工频交流电供给负载。整流充电器的输出与蓄电池并联连接。UPS正常工作时，蓄电池处于浮冲状态，UPS系统的负载由UPS的主回路供电。交流电源中断后，UPS系统的蓄电池组经逆变器向负载提供必要的电能。

2 UPS系统的设计

UPS系统设计主要包括UPS总单线图、编制UPS系统的负荷计算书、UPS系统的系统图等，此外还包括蓄电池计算、氢气释放量计算等。

2.1 UPS容量的确定

UPS容量确定，主要是依照UPS的负载清单，将需要UPS系统供电的设备额定功率，一一统计到负载清单中并累加，从而选择合适容量的UPS。

UPS负载清单用于整理UPS配电板上的负载数量和分布情况，以利于UPS厂家进行UPS设计，内容包括负载的编号、名称、功率、断路器框架值、应急切断、电缆类型等信息。对于UPS系统的设计，负载清单是基础，UPS厂家也是依照该负载清单选取UPS的各原器件。船厂需对UPS系统的负载清单进行实时维护，以及查看UPS的负载使用率。

如图3所示FPSO项目其中一个220 kVA UPS负载清单，依照实际负荷统计，最终选用UPS容量为220 kVA。

图3 UPS系统负载清单

下面对UPS系统的蓄电池容量进行计算。

蓄电池容量计算方法参考IEEE 485—1997，以下是FPSO项目中一个220 kVA UPS蓄电池计算实例。

基本参数如表1所示。计算参数如表2所示。

表1 UPS基本参数

蓄电池单体数量

N

按式（1）计算，得蓄电池单体数量为174块。

表2 UPS基本参数

式中：

V

为最小设计DC电压，V；

V

为终止放电电压，V。蓄电池最大放电电流

I

按式（2）计算，得538.03 A。

式中：

C

为蓄电池容量，Ah；

V

为选用的标称DC电压，V；

P

为功率因数；

F

为逆变器效率。

蓄电池尺寸/容量计算方式，按照IEEE 485进行选取，所需要的Ah容量见表3。

表3 蓄电池容量计算方式

蓄电池选取容量

C

按式（3）计算，

C

为1×100%，即588 Ah。

式中：

C

为蓄电池计算容量，

C

=430 Ah；

K

为设计裕度系数，取1.10；

K

为温度修正系数，45℃时

K

取1.08；

K

为老化因子，取1.15。

蓄电池的选择参考铅酸蓄电池，AGM 型目录终端电压在 1.75 伏/块，选择品牌：LEADLINE；蓄电池型号：EVF 150；额定容量（C10）：150 Ah；总容量（C10）：600 Ah；蓄电池单体数量：174块；4组并联。

UPS选择型号：NP4033-220；主AC电源：440（1±6%或−10%）V AC，60 Hz，3相，3线；旁通AC 电源：440（1±6%或−10%）V AC，60 Hz，3相，3线；交流输出电源：220（1±1%）V AC，60 Hz，3相，3线；DC电压：348 V。

2.2 UPS系统的蓄电池氢气释放量计算

规范对于蓄电池储存的要求如表4所示。

表4 蓄电池储存空间及场所要求

如果电池在相同的充电条件下释放的 H比标准铅酸蓄电池更少，则被认为是低氢排放蓄电池LHE。

如LHE蓄电池连接到大于2 kW功率的充电机，提供H计算书，说明在该充电功率下H的释放量不超过标准铅酸蓄电池在2 kW以内充电机的H释放量，则该LHE蓄电池可以依照≤2 kW方案进行布置。

同理，LHE蓄电池连接到0.2 kW≤P≤2 kW充电机，提供H计算书，说明在该充电功率下H释放量不超过标准铅酸蓄电池在≤0.2 kW 以内充电机的H释放量，则该LHE蓄电池可以依照≤0.2 kW的方案进行布置。

对于LHE蓄电池的此类布置，应布置铭牌，告知维护人员，任何替换的电池均应为LHE类型。

目前 UPS系统采用的蓄电池大多采用阀控铅酸式免维护蓄电池，属于LHE蓄电池，所以有必要要求厂家根据UPS系统采用的蓄电池块数、充电功率提供在各种充电状态下氢气释放量计算书。

3 结论

通过对FPSO的UPS系统进行分析和实船验算，详细剖析了UPS系统的作用、配置要求及设计。同时还需要考虑船东规格书和船级社对各个系统UPS电源的要求，如供电时间、冗余度等因素。由于应用UPS的系统较多，在实际的设计过程中，需要随时更新完善负载清单，并检测UPS的使用容量。