分布式计算机过程控制系统不间断电源改造设计方案浅析

朱世薇， 尹万聪

(谦比希铜冶炼有限公司 动力分厂， 赞比亚 卡鲁鲁西)

0 背景

位于非洲赞比亚某中国粗铜冶炼企业，始建于2006年，在2009年2月投产。生产流程采用富氧顶吹艾萨熔炼炉- 沉降电炉- P、S转炉吹炼- 铸锭- 粗铜锭流程。钴合金还原电炉生产钴铜合金，用于钴回收。一期设计生产能力为15万t，随着产能不断扩大，到2017年设计生产能力达25万t。为寻求企业经济效益的最大化，提高企业全员劳动生产率，公司工艺流程的主要车间——配料、熔炼车间、余热锅炉、制酸车间、气体车间、渣浮选、水处理，采用分布式计算机过程控制系统(以下简称DCS)检测和监控，同时把生产过程的信息传输至生产管理及调度中心，实现生产数据共享。DCS由不间断电源(以下简称UPS)供电。

1 UPS使用现状

1.1 在用UPS数量多、型号杂

该公司的熔炼车间、余热锅炉、制酸车间、氧气站、渣浮选、水处理设置有控制室及附属机柜室站点，每个站点均配置独立UPS，UPS进线电源取自附近低压配电室。在用UPS容量及数量如表1所示。

表1 在用UPS容量、数量及品牌统计表

由表1可知，公司在用UPS数量众多，品牌繁杂，配置电池数量和型号也各不相同，给日常备件管理和采购带来较大困难。每个站点的UPS均考虑裕量，装机容量为159 kVA，目前实际使用功率约为50 kW，能耗高、效率低。

1.2 单一UPS配置，安全隐患大

所有DCS站点UPS均为单一配置，一旦出现故障，将造成控制系统失电，特别是艾萨喷枪、转炉及附属锅炉的现场设备(如过程阀门、卷扬装置等)失去控制，会引起艾萨炉喷枪烧损、转炉喷炉等重大生产工艺安全事故。如果更换UPS，相关的生产系统必须全部停止运行，影响2～3小时，造成公司产品产量和利润损失。

1.3 UPS工作环境差，故障率高

所有UPS均放置在生产现场距离较近的机柜室，虽然做了一定的保温及防尘措施，但高温、粉尘、腐蚀性气体无法完全隔绝。UPS内部电路板、电子元件、冷却风扇等部件长期工作在该环境里，故障频发。表2为2016—2019年UPS故障次数统计。

表2 2016—2019年UPS故障次数统计表

1.4 电池无法保养，寿命缩短

图1 UPS供电系统设备配置图

公司所有UPS根据不同型号，均配置相应数量的铅酸蓄电池。查询铅酸蓄电池的容量与温度为正相关的关系，温度每上升1度，相对容量下降约0.8%。铅酸蓄电池在环境温度大于40度的基础上，每升高10度，电池的寿命降低一倍。此外，铅酸蓄电池在使用一定时间后需要做充放电保养维护。由于无法在正常生产过程中断电维护，长时间运行导致电池性能下降、寿命缩短。

2 改造方案

2.1 UPS供电系统功能概述

针对目前UPS存在的弊端，取消各个车间分散的供电方式，根据用电负荷所处位置整体考虑，分别选取东区和西区两个汇聚点。每个汇聚点内，设置两台完全独立的UPS，两台UPS采用在线并行运行方式，为外部负荷供电。UPS设备具体配置如图1所示。

2.2 改善输入电源质量

UPS输入端配置隔离变压器(隔离变压器1、2和旁路隔离变压器)和有源电力滤波器(APF1、APF2)，用以改善UPS进线电源质量，保护UPS内部电子元件，延长UPS使用寿命。隔离变压器输出端与输入端完全隔离，对交流输入电源电压起到了良好的过滤作用。有源电力滤波器采用并联方式，实时检测交流输入电源电流中大小和频率不同的各次谐波，并将幅值相等、相位相反的补偿电流注入到输入母线上，实现实时动态滤除谐波功能，确保输入母线的电流为标准的正弦波。

2.3 UPS和电池冗余配置

本方案供电模式采用两台UPS在线并行运行模式。正常时，两台完全独立的UPS分别为不同负载提供电源，一旦其中一台UPS出现故障，另一台UPS满足全部负载用电需求，并能长期稳定运行。每台UPS配置单独的静态开关和旁路，内置隔离变压器和D级防雷器。旁路的额定容量与整流逆变回路一致，其电源接于与主电源不同母线。

两套后备电池组(电池组1、2)为UPS1、2提供直流逆变电源，通过5个断路器(QF11- 15)不同开关动作组合，可灵活实现任意一套电池组为任意一台UPS提供直流电源组合模式，以便于UPS和电池组的其中一套任何时候都可进行UPS维护保养、电池充放电和维修操作，不影响另一台UPS正常运行。

2.4 各站点STS静态转换开关配置

为确保供电可靠性，UPS1和UPS2分别为每个现场各站点提供两路220 VAC电源，接入各站点配电柜的STS静态转换开关(如图2所示)。STS静态转换开关用于在两路电源之间转换供电，第一路出现故障后STS自动切换到第二路给负载供电，第二路故障则STS自动切换到第一路给负载供电。静态转换开关提供快速电源转换(≤5 ms)，满足DCS供电电源瞬断时间要求，保证DCS各站点电子设备不间断工作。

图2 现场站点STS静态转换开关连接示意图

2.5 远程监控功能

该设计方案实现智能化的计算机监控功能，故障自动诊断以及先进的维护管理功能。远程监控设备能够以结构框图显示UPS系统、以图形方式显示工作状态、电压、电流、频率等；UPS的启动、停止、供电切换均可以在线显示；能对蓄电池组、有源滤波器、输入输出一体柜等设备进行工作状态、负载情况监控，同步刷新；各设备操作和事故进行记录；具有报表生成、图形化显示、打印等功能。

如图3所示，有源滤波器(APF)、UPS主机、电池组和输入输出一体柜，通过外接串行接口卡或内置串口模块提供的RS485接口，采用MODBUS通讯协议，将数据上传至串口服务器，计算机通过监控软件可以访问串口服务器里的各设备运行参数。

图3 UPS供电系统各设备通讯示意图

3 设备选型计算

3.1 UPS容量计算

各站点耗电量统计如表3所示。

由表3可知，两个区域设计功率需求(按目前实际功率2倍计算)分别为23.9 kW和26.1 kW，UPS功率因数为0.8，计算UPS容量分别为：

23.9/0.8=29.9 kVA
26.1/0.8=32.6 kVA

考虑两个汇聚点使用设备型号统一，根据厂家提供的选型手册，最终确定UPS容量为40 kVA。

3.2 电池容量计算

本方案考虑UPS最大负载延时1小时，按照恒功率法计算电池后备时间。计算公式如下：

W=PL/(V×η) (watts/cell)=
(40×1 000×0.8)/(29×12×0.9)=
102.2(watts/cell)

(1)

式中W—所需电池的每单格功率，watts/cell，其中1 h以下备电，W为放电至终止电压1.65 V/cell的恒功率数据；

表3 公司各DCS站点耗电量统计表

PL—负载功率，瓦(watts)，按UPS容量为40 kVA，功率因数为0.8，计算最大负载；

V—电池组额定电压(29只电池，每只电池12 V)；

η—电池逆变效率(由厂家提供，按0.9计算)。

查看厂家提供的铅酸蓄电池定功率放电参数可知：12 V/120 AH电池在终止电压为1.65 V/cell时的功率为141.33(watts/cell)，大于计算所需电池每单格功率102.2(watts/cell)，满足使用要求。

3.3 各站点供电电缆选择计算

由于部分站点距离UPS较远，供电电缆规格的选择需考虑电缆类型、载流量和线路电压损失。

《石油化工仪表供电设计规范》(SH/T 3082—2019)中规定：“UPS输出电压：220 V±11 V，单相”。根据各站点与UPS汇聚点的距离、设计电流以及查手册得到的各种规格电缆的电阻和感抗数据如表4所示，计算电压损失公式如下：

ΔU=(R×cosφ+X×sinφ)×I×l

(2)

式中 ΔU—线路电压损失，V；

R—电缆单位长度的电阻值，Ω/km；

X—电缆单位长度的感抗值，Ω/km；

cosφ—功率因数；

I—负荷计算电流，A；

l—电缆长度，km。

根据计算公式(2)，对各站点选用的供电电缆规格的载流量、线路电压损失进行核算，均满足使用要求，如表5所示。

表4 1 kV交联聚乙烯电力电缆用于380系统时的 电阻值和感抗值表[1]

表5 各站点设计选用电缆电气性能参数表

注：电缆载流量为1 kV交联聚乙烯护套电力电缆空气敷设长期允许载流量。电缆芯数：3芯，护套工作温度：70 ℃、环境温度：30 ℃。

4 结论

改造后的UPS系统投入运行后，供电稳定性和可靠性显著提高，极大降低维护人员日常点检工作量和维护难度，有助于提高火法炼铜企业作业率和生产过程本质安全。为其他火法炼铜企业分布式计算机过程控制系统UPS设计方案提供一些借鉴经验。