30万t/a合成氨UPS系统设计及计算分析

芦剑敏

（江苏华兴化学工程建设有限公司南京设计院，江苏南京 210003）

1 项目概况及负荷分类

2016年山东华鲁恒升化工集团有限公司新建的30万t/a合成氨装置主要包括氨合成系统、合成气净化压缩系统、氨冷冻系统、控制室共四个单元。其中合成气净化压缩系统的CO2压缩机及合成气压缩机系统和氨冷冻系统的氨气压缩机系统自带控制系统。氨合成系统单独设置DCS系统，合成气净化压缩及氨冷冻系统所有操作均在DCS系统中实现。整个DCS系统需配置UPS电源系统，备用时间为1h，UPS电源系统的供电负荷见表1。

表1 供电负荷

2 UPS系统结构选择及配置

2.1 UPS结构选择

UPS系统结构分为在线式、互动式和后备式三大类。本项目采用在线式结构，当在线式UPS在电网供电正常时，电网输入的电压一路经过噪声滤波器去除电网中的高频干扰，以得到纯净的交流电，进入整流器进行整流和滤波，并将交流电转换为平滑直流电，然后分为两路，一路进入充电器对蓄电池充电，另一路供给逆变器，而逆变器又将直流电转换成220V，50Hz的交流电供负载使用。当发生市电中断时，交流电的输入已被切断，整流器不再工作，此时蓄电池放电把能量输送到逆变器，再由逆变器把直流电变成交流电，供负载使用。因此，对负载来说，尽管市电已不复存在，但此时负载并未因市电中断而停运，仍可以正常运行。UPS系统结构见图1。

图1 系统结构图

2.2 UPS容量计算及选择

UPS的额定容量是指逆变器交流输出的视在功率，在确定UPS额定容量时需考虑动态稳定系数、直流电压下降系数、温度补偿系数、设备老化系数及设计裕度系数。本项目中UPS的容量计算见式（1）。

其中，Ki为动态稳定系数；Kd为直流电下降系数；Kt为温度补偿系数；Ka为设备老化及设计裕度系数。可选择40kVA的UPS。

3 蓄电池组容量选择及计算

UPS后备蓄电池容量计算方法很多，各行各业都有相应的计算方法选择的侧重点，主要有恒功率法（查表法）、估算法、电源法、阶梯法。

3.1 恒功率法

根据实际负载确定单体电池的输出功率，再根据放电终止电压及备用时间查找蓄电池的恒功率表，计算确定电池组数。如果恒功率表中所给的额定功率小于计算输出功率，可考虑采用多组电池并联方式，但并联组数最多不超过5组。单体电池的输出功率计算公式为：

其中，N为单体电池的cell数量；n为UPS配置的电池数量。

3.2 估算法

根据放电终止电压和备用时间（放电时间）计算确定直流电池组的事故放电时间内的放电电流，并换算至10h放电率标称容量，一般还考虑0.75的校正系数。计算公式为：

3.3 电源法

电源法考虑了环境温度的影响，首先根据UPS的额定容量计算放电电流，然后根据计算放电电流确定蓄电池组总容量。计算公式为：

其中，U逆变器输入为放电时，逆变器的输入电压，单体电池电压取1.85V；α为电池温度系数，当放电小时率≥10时，α=0.006/℃，当放电小时率在[1,10)时，α=0.08/℃，当放电小时率＜1时，α=0.1/℃；T为放电小时数。

3.4 阶梯法

阶梯法常用于放电时间不同的多种直流负荷共用一套直流电源系统，事故供电时，不同负荷在不同的放电阶段依次退出直流供电系统。此方法最大的特点是放电电流阶梯递减。一般程序是：

（1）按事故放电时间分别统计定事故放电电流，确定负荷曲线。

（2）根据蓄电池型式、放电终止电压和放电时间，确定相应的容量换算系数。

（3）根据事故放电电流，按事故放电阶段逐段进行容量计算，一般还应考虑随机负荷，将随机负荷叠加至初期冲击负荷以外的计算容量最大的阶段。

（4）选择与最大计算容量接近的蓄电池标称容量C10或C5作为蓄电池的选择容量。

第n阶段的放电电流计算为

选择放电电流最大的阶段作为确定蓄电池组容量的依据。

本项目采用恒功率法计算蓄电池的容量，系统标称电压为220V，备用时间1h，采用山特城堡C12V系列阀控式密封铅酸电池，浮充总电压为230V，单体电池浮充电压为13.5V，单体单格电池放电终止电压为1.8V

查表2，选择2组C12-200蓄电池并联，共需要34个C12-200蓄电池，采用2个电池柜。

表2 蓄电池规格

4 充电装置、电源整流模块、主回路母线及设备的选择计算

4.1 充电装置的选择计算

充电装置的选择计算主要包括充电装置的额定电流、输出电压。充电装置的额定电流需满足浮充电要求、蓄电池充电要求、蓄电池均衡充电要求。

蓄电池组脱开直流母线时输出电流：

均衡充电时输出电流：

充电装置的额定电压应根据充电末期单体蓄电池电压计算确定。

选择额定电流为50A的充电装置，充电装置回路的直流断路器额定电流取63A

4.2 高频开关电源整流装置的选择计算

本UPS的蓄电池组采用一组高频开关电源，选用单个模块额定电流为7A的产品。

4.3 蓄电池回路主母线及设备的选择计算

根据DL/T5044—2014《电力工程直流电源系统设计技术规程》附录A中表格A.5-5及附录F中表格F.1有蓄电池出口选择额定电流为250A，短时耐受电流为5.5kA的断路器，蓄电池组母线选择60×6的铜母线。

5 配电系统

整个系统采用三路市电，UPS的主电源及手动维修旁路电源分别取自1#变压器的低压柜AC-104和2#变压器的低压柜AC-204。另有一路市电取自2#变压器的低压柜AC-208，经隔离变压稳压后直接给各控制站供电。各控制站均设有两块相互热备份的电源模块及电源接口，一路接经UPS来的电源，一路接2#变压器低压柜AC-208来的电源。整个系统的供电系统图见图2。

图2 供电系统图

6 结论

华鲁恒升化工集团有限公司2016年的30万t/a合成氨项目DCS控制系统采用单回路在线式UPS，UPS的主电源回路和手动维修旁路取自不同的变压器低压柜出线，并从其中1台变压器的不同于UPS进线的低压柜中取一路市电直接给DCS系统供电。这种供电方式不仅保证了系统供电安全性、可靠性和稳定性，同时也节约了电源系统的投资。

在选择计算蓄电池组容量时有多种方法，不同厂家计算方法有所不同。山特城堡C12V城堡阀控式铅酸电池常采用恒功率法，这种算法在成本控制及性能满足上能够得到很好的配置。