多样化供电方式在氯碱厂的应用

崔 旸

（唐山三友氯碱有限责任公司，河北 唐山 063305）

唐山三友氯碱有限责任公司是唐山三友集团的支柱企业，主要生产烧碱及PVC，目前生产规模为烧碱53 万t/a、PVC 43.5 万t/a、特种树脂7 万t/a。在生产过程中存在温度高、压力高且易燃易爆的危险，对部分设备的供电电源可靠性有着极高的要求。鉴于公司生产工艺的特点以及高度的自动化控制要求，部分设备在突然失去有效电力供应后，可能会发生系统联锁停车甚至爆炸事故，会严重影响正常生产。因此，为保证公司内各设备拥有可靠的电力供应，为不同性质的设备设置合理最优的不同类型的供电电源。确保这些设备能够得到可靠电力供应成为日常工作中的重中之重。

根据负荷等级要求分级，首先对全厂设备进行统一的负荷等级划分，再根据不同负荷等级对供电电源的要求分别采取有效的、相适应的供电方式，在满足不同负荷要求、经济实惠、且易于实现的前提下，提供稳定、持续、纯净、可靠的高质量电源。另外，各用电单元的供电电压应根据其用电负荷容量、用电负荷特性、供电线路的回路数、距离等进行合理的选择。

1 变电站及变电所增加联络

变电站及变电所是整个厂区的电力枢纽，其供电的可靠性、连续性影响到工厂的正常生产。

1.1 变电站部分

10 kV 供电电源的Ⅰ段和Ⅱ段之间采用母联的方式连接，Ⅲ段和Ⅳ段之间的连接方式与Ⅰ段和Ⅱ段相同，见图1。在正常运行的情况下，母联开关处于分开的状态，Ⅰ段和Ⅱ段、Ⅲ段和Ⅳ段分别为独立运行的四段10 kV 供电电源段。当母联开关检测到其中一段发生故障失去电压且失去电流时，将首先自动切断这段的进线开关，并自动合入母联开关，保证失压段的电力供应。

图1 变电站联络示意图1

另外，10 kV 供电电源的Ⅰ段和Ⅲ段之间加上联络柜、Ⅱ段和Ⅲ段之间同理。在正常运行的情况下，Ⅱ段母联开关和Ⅲ段母联开关全部处在合闸位置，Ⅰ段母联开关和Ⅲ段母联开关全部处于工作位置。如果10 kV 母线Ⅰ段和Ⅱ段全部发生故障失去电压且进线失去电流时，Ⅰ段联络柜母联开关备自投自动断开Ⅰ段和Ⅱ段进线开关，并且自动合上Ⅰ段联络柜母联开关；如果10 kV 母线Ⅲ段和Ⅳ段全部发生故障失去电压且进线失去电流时，Ⅲ段联络柜母联开关备自投自动断开Ⅲ段和Ⅳ段进线开关，并且自动合入Ⅲ段联络柜母联开关和Ⅲ段、Ⅳ段之间母联开关。

在变电站内[1]，每一段内均装设了备自投设施，当某一段突然失电后，其余段可作为失电段备用应急电源使用，确保短时间内供电的可靠性。待失电段恢复正常供电后，系统自动断开联络开关及母联开关，合入进线开关，恢复分段运行。

以上为10 kV 电压供电系统的连接方式，在其上级变电站中，供电系统的连接方式类似，且上级变电站由更高一级变电站提供4 路不同市电电源，保证了公司总电源的可靠性和持续性。

1.2 变电所部分

变电所联络示意图见图2，Ⅰ段和Ⅱ段之间采用母联的方式连接，并装设了备自投设施。在正常运行情况下，母联开关处于分开状态，Ⅰ段和Ⅱ段为独立运行的两段380 V 供电电源段。当母联开关检测到其中一段发生故障失去电压且失去电流时，将首先自动切断这段的进线开关，并自动合入母联开关，保证失压段的电力供应。待失电段恢复正常供电后，系统自动断开母联开关，合入进线开关，恢复分段运行。

图2 变电所联络示意图1

图2 所示的系统连接方式为对供电电源要求较高的设备供电的连接方式。对于对供电电源要求非常高的设备的供电方式，采用图3 的系统连接方式。如图3 所示，由于部分设备对供电电源要求非常高，一旦停电将会造成停车事故，甚至导致人员伤亡。针对这种情况，除了在Ⅲ段、Ⅳ段和Ⅴ段之间增设带备自投的母联开关外，还增设了应急发电机组。

图3 变电所联络示意图2

公司现阶段使用的应急发电机组为柴油式发电机组，作为应急电源设备以及备用电源设备的重要设施之一，其启动迅速、效率高，日常维护操作简单，普通电工经过系统培训后均可进行维护工作.。

公司应急发电机组分为手动启动和自动启动两种模式，平时机组设置为自动启动模式，而发电机组例行试车时调到手动启动模式。当系统全部停电后，应急发电机组自动启动运行，为此部分设备提供可靠的电力供应[2]。

当检测到Ⅲ段失去电压且失去电流时，将首先自动切断Ⅲ段的进线开关，然后自动合入母联开关，由Ⅳ段变压器为Ⅲ段设备供电，保证失压段的电力供应。待失电段恢复正常供电后，系统自动断开母联开关，合入进线开关，恢复分段运行。

当检测到Ⅳ段失去电压且失去电流时，将首先自动切断Ⅳ段的进线开关，然后自动合入母联开关，由Ⅴ段变压器为Ⅳ段设备供电，保证失压段的电力供应。待失电段恢复正常供电后，系统自动断开母联开关，合入进线开关，恢复分段运行。

当检测到Ⅲ段、Ⅳ段和Ⅴ段全部失去电压且失去电流时，应急发电机组处于自动启动状态，应急发电机组接收到自动启动信号后会自动启动运行，自动启动完成后系统延时4 s，自动断开Ⅲ段、Ⅳ段和Ⅴ段进线开关1QF、2QF 和3QF，延时1 s，应急发电机组断路器4QF 将自动合闸向Ⅲ段、Ⅳ段和Ⅴ段提供电力供应。待电网恢复正常供电，失电段恢复正常供电后，由操作人员确认供电确已恢复的，手动切除应急发电机组供电，合入进线开关，恢复分段运行。

2 DCS（集散控制系统）部分

氯碱公司为高度自动化控制的危险化学品生产企业，各界区内操作自动化水平较高，提高了操作的快速便捷性，同时节省了劳动力。但由于生产工艺的复杂性及出于安全考虑的各种安全生产措施，DCS控制系统涉及的联锁程序日益错综复杂。在这种情况下，一旦遇到紧急情况，必须确保DCS 系统供电的可靠性。无论是联锁停车还是事故状态下的DCS紧急处理，都需要为DCS 控制系统提供可靠、持续、不可间断的电力供应。前述电力供应方案显然已无法满足DCS 控制系统的要求，为解决这一情况，公司采用不间断电源设备（UPS）为该系统供电[3]。

不间断电源设备（UPS）能够把输入电源存在的电压以及频率的波动问题、谐波失真问题和其他干扰问题有效地消除，为DCS 控制系统提供稳定、持续、纯净、可靠的高质量电源。根据公司实际情况，为保证市电失电状态下DCS 控制系统能够紧急操作处理，不间断电源设备（UPS）需配备蓄电池组，且蓄电池组的放电时间不小于30 min。

UPS 不间断电源为DCS 控制系统供电示意图见图4，所用的UPS 电源均要求配置满足DCS 系统所需供电时长的蓄电池。KM 为4 极交流接触器，要求主触点为2 个常开触点和2 个常闭触点。第一种供电模式，即正常运行的情况下，由主市电为UPS电源提供380 V 交流电源，由UPS 内部装置转换为交流220 V 电源后，为DCS 控制系统提供电力供应，此时的蓄电池一直保持充电状态以备不时之需。第二种供电模式，即当主市电发生故障失去电力供应后，由蓄电池继续为DCS 控制系统提供电力供应。如果在蓄电池电量耗尽之前，主市电恢复正常的电力供应，那么蓄电池将自动退出对外供电模式改为充电状态。第三种供电模式，即当主市电发生故障失去电力供应且蓄电池电量已耗尽，此时由备用市电直接为DCS 控制系统提供电力供应。在主市电恢复电力供应后，系统自动恢复到第一种供电模式[4]。

图4 UPS供电示意图

以上3 种供电模式切换所需时间极短可忽略不计，能够充分保证DCS 控制系统对电力供电的可靠性要求，确保DCS 控制系统的操作，保证工艺生产的安全稳定运行。由于UPS 电源价格较贵，此种供电方式仅应用在DCS 控制系统中。

在以上基础上，部分DCS 控制系统采用并联冗余的不间断电源设备（UPS）。并联冗余的UPS 由2台间断电源设备组成，共同分担全部负载电流，这2 台UPS 系统的输出并联在一个用电系统。每台UPS 系统的总容量大于整个用电体统的总容量，当1 台UPS 系统因出现故障等原因退出运行时，另1台UPS 系统仍可为整个供电系统提供稳定、持续、纯净、可靠的高质量电源。

3 与消防相关的重要设施

作为危险化学品生产企业，首先必须有足够的消防安全保障。消防设施运行要求发生事故时能够提供足够的电力供应，即在前述基础上，为消防设施整体提供2 路不同的供电电源，且在电源末端设置自动电源转换装置，见图5。正常运行的情况下，由主电源提供电力供应，当主电源断电时，自动电源转换装置自动将电源切换至备用电源供电。待主电源恢复电力供应后，自动电源转换装置自动将电源切换回主电源供电[5]。同时要求电机、风机类设备过载时，只报警不脱扣，险情结束前保证电力持续供应。

图5 消防设施供电示意图

在对应急照明系统的改造过程中，为保证事故状态下应急照明的正常使用，应急照明设置集中控制系统，除了设置双回路供电以外，同时配备逆变应急电源（EPS）。当市电失电且发电机故障无法启动时，能够为人员撤离危险区域提供保障。

4 单台设备的供电方案

公司在生产过程中使用的氯氢处理风机、油压机等，一旦因系统失去电力供应停机时，会造成氯气泄漏，导致生产系统联锁停车、人身伤亡事故等。此类设备归为特别重要的设备。为防止其因失去电力供应而停机，除了将其设置在图3 所述的供电系统中，对该设备的控制单元也进行了改造。

常见的交流接触器在线圈得到电压后，通过线圈中电流产生的磁力使主触点闭合，并带动辅助触点闭合或者断开。当电力系统发生晃电或断电事故时，交流接触器的线圈因为失去外部电压，会主动释放闭合的主触点，此时一次回路变成开路状态，造成设备停机。将此类设备的交流接触器更换为带机械锁扣线圈的交流接触器，当电力系统发生晃电或断电事故时，交流接触器的线圈由于被机械锁扣牢牢锁住，线圈不会因为失去电压而释放。待晃电结束或者应急发电机组运行后，交流接触的线圈重新得到电压，设备恢复到正常状态下运行。此类方法在系统运行中极大可能地避免了因失去电力供应而停机。

聚合釜反应器是重要的生产设备之一，由于其在生产过程中遇到突然断电存在爆炸危险，是氯碱公司重大危险源之一。鉴于聚合釜反应器的重要性和危险程度，为其配置图3 所描述的供电系统。

聚合釜反应器的搅拌电机功率大、搅拌速度需精确控制，如果电器元件因为内部或者外部的故障原因停机，仍然存在设备停机的危险，故为聚合釜反应器搅拌电机设置了备用变频器回路，见图6，多台电机共用一台备用变频器，降低了变频器故障停机的频率。

图6 备用变频器回路图

备用变频器设置了双电源自动切换装置，1# 电源和2#电源分别来自不同的变压器，当变压器在突然失电的情况下，由应急发电机组进行紧急状态下的供电，变压器与应急发电机组之间设置防止并列运行的措施。通过二次回路的联锁控制，当搅拌电机自有配电回路出现失电等故障时，联锁自动切断自有回路供电，改为备用变频器回路供电，保证搅拌电机运转。而备用回路因为成本较高，且多台聚合釜搅拌电机供电回路同时出现故障的概率很低，一个备用变频器回路能够满足生产需求。

5 其他措施

除了上述有效提高供电电源可靠性的方式外，还采用了其他辅助措施。（1）特别重要设备的供电电缆及信号电缆，采用耐火型，保证一定时间内的电力供应及信号传输，为操作人员进行紧急处理赢得宝贵时间。（2）测温电缆按照“S”敷设在电缆层及电缆沟内，对电缆的温度进行24 h 监测，温度超出范围时测温装置发出报警信号，维修人员及时紧急处理，防止事故扩大导致电源切断。（3）电缆夹层内设置悬挂式自动灭火装置，内置干粉。发生火灾时，温度升高，灭火装置内的液体受热发生膨胀，促使密封片掉落，内置干粉自动喷出，达到灭火目的，将火灾事故影响降到最低。（4）电缆头、消防安全重要线路等涂刷防火涂料，能够在一定程度上减小失电带来的影响。（5）浪涌保护器的设置，保护各种仪器、电子设备、电缆线路等免受瞬时过电压带来的冲击，保证设备正常运转。

6 结语

在厂区内，存在各种各样的用电设备，每个设备的负荷等级都不尽相同，有的设备在失去电源后并不会产生影响，而有些设备一旦失去电力供应则可能引发工艺联锁停车，甚至引起爆炸事故。针对设备的特点，对每个用电设备进行归类整理，为其配置相适应的电源。多样化的供电方式既满足了不同设备的供电要求，又最大程度地使电力资源得到合理利用，避免了电力资源浪费。