化工仪表UPS配置管理及维护探讨

黄开强

（海洋石油富岛有限公司，海南三亚 572600）

1 概述

我司共四套化工装置，主要生产尿素及甲醇。各主装置按工艺流程功能划分区域较多，DCS控制室及仪表机柜间较为分散，四套化工装置合计约22套仪表用UPS电源，均是在线式UPS （online UPS），其中有四套特别重要的UPS是大功率在线工业级工频机，其余都是小功率在线式高频商业机。四套大功率UPS当中有一套容量为80 kVA，型号为PEW 1080-220/220-EAN，投用18年后我司对此UPS进行全面评估，认为此设备存在元器件老化，主要功率模块等核心备件停产，无备件更换，电池容量衰减严重，电池电压差异大等诸多问题，决定对此UPS进行升级改造。在升级改造过程中，因条件所限制，主要在主从热备份，共用电池组1+1冗余并机两种方案中比选，经比选最终采用共用电池组1+1冗余并机方案进行升级改造，此1+1冗余并机UPS系统每个单机UPS系统中都有静态开关，在正常方式下，两个UPS同步运行均分负载，当其中一个UPS故障时，这个UPS不转旁路而是自动地脱离系统，此时由另一个UPS为负载供电。当两个UPS均故障或UPS系统过载时，各单机UPS系统的静态开关同时将负载转换到由旁路电源供电，如图1所示。

图1 共用电池组1+1冗余并机

1.1 优点

两台UPS并机运行，UPS电源输出过载能力增强；负载功率平均分配；两台机器可以轮流安排检修，不影响负载正常供电。

1.2 缺点

两台UPS并机运行，当母线电压不均衡，回路会产生环流；共用一套电池组，可靠性降低。

综合上述，共用电池组1+1冗余并机系统因考虑到1+1并联冗余技术较为成熟，且应用广泛，整体可靠性比主从热备份并机方案可靠性高，符合化工装置对UPS设备较高可靠性的要求。

1.3 遗留的问题

1.3.1 两台UPS电池组共用问题

两台UPS，只配置一套电池组，这是非典型的配置方式。在电池组共用的运行方式下，会明显降低UPS整体供电的可靠性。一方面当电池离线性能考核或检修时，两台UPS均没有电池保证后备电源，容易因市电故障，造成UPS整体断电的风险；另外一方面，当一市电故障的情况下，电池会同时工作在既充电又放电的异常工况中，在短时间内就能够造成电池发热，温度上升，甚至引起电池极柱密封圈老化，电池电解液泄漏，电池损坏或报废。

1.3.2 三路交流输入集中在同一6 kV母线段问题

1#UPS主路输入、2#UPS主路输入、UPS旁路输入来自同一6/0.4 kV变电站两台变压器下的三个配电间隔，如果从6 kV系统看，实际上三个输入电源在同一6 kV母线上，供电的可靠性明显降低，当上一级电网一个电源断电的情况下，就会造成UPS整个市电失电情况。

1.4 改进措施

（1）按照1+1冗余并机的标准配置，再增加一套电池组，两套电池组分别带一套主机。升级改造投运后UPS第一次检修，增加了一套电池组，两套主机分别带一套电池组运行。

（2）把1#UPS主机交流输入电源转移到对侧6 kV母线段对应的变压器上。升级改造后，趁UPS检修时，已把1#UPS主机交流输入电源转移到对侧6 kV母线段对应的变压器上，有效避免三路市电输入电源过于集中带来的风险。

2 化工仪表UPS配置

2.1 UPS配置方案

从图1的UPS配置系统图看，化工仪表之所以引入UPS电源，除了确保负载供电的不间断，改善供电电源质量外，更重要的目的是电源的隔离，减少干扰。化工行业属于受控的高危行业，在装置运行过程中，设备存在高温、高压、有毒可燃等危险因素；为了安全控制生产过程，使用DCS、PLC、SIS联锁等控制系统，这些系统的负荷均属于重要负荷。按照设计规范要求，需配置两电源供电，且要有后备电源，因此在化工行业典型的配置中，重要负荷一路由具有后备电池的UPS供电，一路由市电通过隔离变压器隔离后的电源作为备用电源。两路电源可实现自动切换，从而提高重要负荷供电的可靠性。后来在此典型配置方案基础上，根据不同的需求又衍生出UPS并机方案，如主从热备份、互动热备份、互动热备份ATS、冗余并联方案等。无论是UPS单机配置，还是UPS并机从化工仪表供电设计规范要求，都需要隔离变压器来进行隔离。而这往往是大多数商业UPS电源不具备的功能。

2.2 UPS的选择

（1）选用在线式正弦波UPS。

（2）UPS电池应选用铅酸蓄电池或镍镉电池，其后备时间一般为15～30 min。

（3）按单台UPS带载，负载率60%。

2.3 UPS电源质量

石油化工仪表供电设计规范要求，如表1所示。

表1 石油化工仪表供电设计规范

3 化工仪表UPS管理

1）UPS安装在空调房内，电池室通风良好，运行环境温度25±5 ℃，相对湿度40%～70%。

2）建立UPS及电池的设备检修台账，记录UPS运行、事故、测试情况，统一人员管理。

3）根据UPS制造厂编制的维护手册，编制定检项目及计划。

4）定期对UPS进行检查评估。

5）UPS的故障报警信号应引入电仪报警系统。

6）UPS电池每季度进行1次内阻检测，每年进行一次容量检查及活化充放电试验。

7）交直流电容器一般5～6 a一更换。

8）风扇一般2～3 a一更换。

4 UPS维护

UPS是化工生产装置中关键的电源设备，其运行的安全稳定性直接影响着仪表控制系统乃至化工装置的安全稳定性，因此，确保UPS的安全稳定长期运行，在设备管理中起着重要的作用。要充分学习用户手册，科学维护管理，尽其所能延长UPS的使用寿命。

4.1 核心元器件维护

UPS核心元器件的寿命与UPS整机的寿命息息相关。对核心元器件的维护要做好以下方面内容。

（1）确保UPS/逆变器周围通风和清洁。

（2）每季度至少一次检查输入、输出、旁路电缆及其终端。清洁前门及后门上的滤尘器。

（3）每1～2 a（视条件）至少一次打开 UPS/逆变器，检查电源变压器的电缆连接，检查功率元器件，检查、清扫、紧固直流母线。

4.2 电池维护

因蓄电池缺乏维护而导致设备故障在UPS的故障占比中比较高，例行对UPS蓄电池进行维护，将很大程度上降低电池故障率，延长蓄电池的使用寿命。电池的维护包括预防性维护和矫正性维护。通过定期的电池表面清洁，环境温度检测，电解液液位检查，电池电压及内阻检测，日常测温，极柱检查紧固，电池离线三充两放容量考核等方式来实现对电池全寿命周期管理。

4.3 易耗件维护

在以往的运行维护中，往往只注意对电池的充放电、控制模块及功率模块的清洁维护等工作，而对UPS中交流电容器、直流电容器、风扇等易损件的关注度不足，而这些价值较低的易损件往往也对UPS的稳定性、安全性起着重要的作用。

4.3.1 直流电容

UPS直流电容器并接在整流器后端、逆变器前端的直流母线的正负极之间，主要作用是储能、滤波、降低直流母线纹波，为逆变及电池充电提供稳定的直流电压。目前设备所选用直流电容器均为电解电容器，电解电容器在使用过程中电解液会不断的损失，容量下降，耐压降低。如果超期使用，特别是在高温环境下，可能会产生漏液，外壳鼓胀，引起UPS功率部件故障，造成生产事故。目前直流电容器的设计寿命只能达到5～6 a，所以对UPS直流电容器必须进行定期检查，及时更换到期的电容器。

4.3.2 交流电容

交流电容器与直流电容器结构相似，它与电感器组成了输入输出滤波器，输入滤波器降低了整流器对电网的谐波，UPS逆变器输出通过输出滤波器为负载提供标准的正弦交流电，交流电容器超龄运行，容量会不同程度降低。

4.3.3 容器漏液

容量差异较大会造成输出三相电压出现偏差，导致UPS故障及并机系统的不均流等问题，存在安全隐患。

4.3.4 风扇

UPS在启动以后，风扇在长年累月不间断运行。它的主要作用是为UPS的核心功率模块散热。整流器、逆变器、旁路逆变静态开关、输入输出滤波电感器、隔离变压器等都是UPS的主要发热部件，如果风扇故障或由于超龄运行速度降低，直接会影响到这些发热部件的散热，温度会急剧上升，UPS会由于热过载而停机，严重情况下会造成功率器件的损坏甚至会引起烧毁等严重的事故。

风扇、交流电容器、直流电容器等易损件相比于控制模块、功率模块等在UPS成本中只占很小的比例，但它的故障往往会引起功率部件和控制部分的故障，导致维修和使用成本的大幅上升。因此，为增强UPS系统的安全性和降低维修使用成本，应定期更换超龄运行的易耗件。一般情况下，风扇更换周期一般在2～3 a，交、直流电容器的更换周期在5～6 a。

5 结语

化工装置仪表UPS电源设备是核心设备，对装置的安全稳定运行起到关键作用。UPS的配置、管理、维护环节密切相关，相辅相成，缺一不可。要设计一套完整的UPS供电方案，除了需考虑前后级供电系统，系统总容量及电池容量配备，电气隔离和接地，系统的可靠性、灵活性，还要考虑节省投资，以及不同用电设备对供电系统的各项指标和数据要求，才能设计一套最佳的UPS供电方案。但即使有一套最佳的UPS供电方案，UPS的管理、维护不到位，UPS供电系统也不能达到安全、稳定运行。因此化工装置仪表UPS不管是新增还是技改项目，从UPS配置方案开始就要仔细论证，并通过科学的管理和维护，达到UPS安全、稳定、长寿命运行。