郭治貴,姚小華

(上海利策科技股份有限公司,上海 200233)

海洋平臺(tái)UPS選型計(jì)算研究

郭治貴,姚小華

(上海利策科技股份有限公司,上海 200233)

不間斷電源(UPS)是海洋石油平臺(tái)供電系統(tǒng)的重要設(shè)備,在正常電源及應(yīng)急電源失效后,滿(mǎn)足通信、儀表控制、電氣保護(hù)、關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備的控制盤(pán)或工作站等重要負(fù)荷的供電要求。論述了UPS選型計(jì)算方法，并以某海洋石油平臺(tái)UPS選型為例，進(jìn)行了工程計(jì)算。所提出的計(jì)算方法簡(jiǎn)便易行，可用于海洋石油平臺(tái)的電氣設(shè)計(jì)。

海洋平臺(tái)；供電系統(tǒng)；不間斷電源；重要負(fù)荷；選型計(jì)算

0 引 言

海洋石油平臺(tái)上不間斷電源(UPS)作為臨時(shí)應(yīng)急電源，當(dāng)主發(fā)電機(jī)停運(yùn)并且應(yīng)急發(fā)電機(jī)失效時(shí)，為平臺(tái)上儀表的工藝控制系統(tǒng)(PCS)、緊急關(guān)斷(ESD)、火氣系統(tǒng)(F&G)、通信系統(tǒng)設(shè)備、電氣系統(tǒng)控制保護(hù)設(shè)備和重要機(jī)械設(shè)備的控制盤(pán)或工作站等重要設(shè)備供電。這些設(shè)備直接關(guān)系到人員及設(shè)施的安全[1]。因此，正確進(jìn)行UPS的選型計(jì)算在海洋平臺(tái)電氣設(shè)計(jì)中極為關(guān)鍵。科學(xué)的UPS選型計(jì)算方法及計(jì)算實(shí)例在海洋石油平臺(tái)的電氣設(shè)計(jì)工作中具有十分重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 本文詳細(xì)介紹了UPS的選型計(jì)算方法，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行核實(shí)計(jì)算，證明該計(jì)算方法簡(jiǎn)便易行。

1 計(jì)算方法

UPS的選型計(jì)算一般包括UPS容量、蓄電池容量、充電機(jī)額定電流和逆變器額定電流的確定。其中UPS容量的確定又要以負(fù)荷計(jì)算為依據(jù)。下面分別加以說(shuō)明。

1.1 UPS預(yù)期負(fù)荷計(jì)算

首先確定UPS系統(tǒng)支持的負(fù)荷類(lèi)型及數(shù)量，再將需要UPS供電的用電設(shè)備額定功率逐一輸入到負(fù)荷計(jì)算書(shū)內(nèi)，然后進(jìn)行累加[2]。 在此基礎(chǔ)上繪制負(fù)荷輪廓曲線、計(jì)算UPS容量及相應(yīng)的電池容量。

使用自持法構(gòu)建UPS系統(tǒng)負(fù)荷輪廓曲線。將自持時(shí)間內(nèi)需要UPS 供電的瞬時(shí)負(fù)荷體現(xiàn)在曲線圖中,利用負(fù)荷輪廓曲線計(jì)算出UPS設(shè)計(jì)負(fù)荷(Sd)和設(shè)計(jì)能量需求(Ed),其中的自持時(shí)間是指電力系統(tǒng)供電中斷后,用電設(shè)備需要UPS支持供電的小時(shí)數(shù)。自持時(shí)間可按如下經(jīng)驗(yàn)取值:儀表設(shè)備(PCS、ESD、F&G、現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)、儀表盤(pán)) 自持時(shí)間取0.5 h；所有電氣盤(pán)柜的保護(hù)回路，需要的自持時(shí)間取0.5 h；所有通信設(shè)備的自持時(shí)間取1 h。

負(fù)荷曲線的具體構(gòu)建方法如下：將收集的負(fù)荷清單轉(zhuǎn)化為電氣負(fù)荷表，不考慮負(fù)荷的性質(zhì)分類(lèi)(連續(xù)、間斷、備用)，將所有負(fù)荷視為連續(xù)工作負(fù)荷，并將有功率換算為視在功率(S)，其中負(fù)荷功率因數(shù)按0.5計(jì)算。將負(fù)荷表中的負(fù)荷容量及負(fù)荷的自持時(shí)間單獨(dú)列表，形成負(fù)荷計(jì)算表，其中負(fù)荷用視在功率。再以時(shí)間(單位h)為橫軸,用電負(fù)荷容量(單位V·A或kV·A)為縱軸構(gòu)建坐標(biāo)圖；然后對(duì)每一個(gè)用電負(fù)荷以其自持時(shí)間為寬度，以其容量為高度構(gòu)建能量方塊(這個(gè)能量方塊直觀地反映了用電設(shè)備消耗的能量)；最后將各個(gè)能量方塊在坐標(biāo)圖中堆疊起來(lái)就構(gòu)成了負(fù)荷輪廓曲線。在堆疊能量方塊時(shí)，先放自持時(shí)間最長(zhǎng)的方塊，再依次按時(shí)間由大到小的順序?qū)⒏鞣綁K堆疊起來(lái)，所有方塊左邊與縱軸對(duì)齊。

接下來(lái)計(jì)算設(shè)計(jì)負(fù)荷及能量需要。設(shè)計(jì)負(fù)荷是整流器、逆變器、電纜、熔斷器、斷路器等功率轉(zhuǎn)換、分配、保護(hù)裝置的瞬時(shí)功率，計(jì)算公式為

Sd=Sp(1+kg)×(1+kc)，

(1)

式中：Sp為UPS總用電負(fù)荷的視在功率峰值，來(lái)源于負(fù)荷輪廓曲線的頂部縱坐標(biāo)；kg為未來(lái)增長(zhǎng)系數(shù)，主要是考慮未來(lái)負(fù)荷增長(zhǎng)的可能性，按10%考慮；kc為計(jì)算裕量系數(shù)，主要是考慮在負(fù)荷統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，可能存在評(píng)估不準(zhǔn)確問(wèn)題及由于維修不當(dāng)引起的不理想的運(yùn)行條件，其取值為10%。

設(shè)計(jì)能量需求計(jì)算公式為

Ed=Et(1+kg)×(1+kc)，

(2)

式中：Et為用電設(shè)備總的能量需求， 由負(fù)荷曲線下的面積求和得出。

1.2 蓄電池選型及計(jì)算

1.2.1 選擇電池類(lèi)型及其特性

蓄電池選型應(yīng)考慮如下幾個(gè)因素：蓄電池的物理特性(如尺寸、重量、容器材料、內(nèi)部電池聯(lián)接、接線端子)、應(yīng)用設(shè)計(jì)壽命、各電池預(yù)期壽命、放電的頻繁度及深度、環(huán)境溫度、充電特性、維修要求、通風(fēng)要求、電池定位要求和振動(dòng)因素。

目前應(yīng)用于UPS的蓄電池主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是鎘鎳蓄電池(堿性蓄電池)，另一類(lèi)是閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA)，后者又分為膠體電池(GEL)和吸液式或貧液式電池(AGM)，貧液式電池比膠體電池用得更多。

與鉛酸蓄電池比較，堿性蓄電池有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、維護(hù)簡(jiǎn)便、腐蝕性小、壽命長(zhǎng)、耐過(guò)充電和過(guò)放電能力強(qiáng)、自放電電流小等優(yōu)點(diǎn)，并且可以用不同的板極結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)不同倍率電流的放電,但其造價(jià)比鉛酸蓄電池高。

在工程設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)業(yè)主規(guī)格書(shū)要求及項(xiàng)目的具體情況確定蓄電池的類(lèi)型。

蓄電池的特性可由制造商的數(shù)據(jù)表獲得，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要收集如下特性數(shù)據(jù)： 蓄電池容量、電池溫度、滿(mǎn)充時(shí)電極密度(對(duì)鉛酸蓄電池而言)、電池浮充電壓和電池終止放電電壓(EODV)。

1.2.2 確定串聯(lián)電池?cái)?shù)量

對(duì)于特定的具體蓄電池組額定電壓，對(duì)應(yīng)的串聯(lián)電池?cái)?shù)量是確定的,如表1所示。

表1 蓄電池組中的電池?cái)?shù)量Table 1 Number of cells in battery group

1.2.3 確定蓄電池組的容量

在整個(gè)指定的自持時(shí)間內(nèi)，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)負(fù)荷要求的情況下，要求的最小的蓄電池容量取值可按以下公式計(jì)算:

(3)

式中:Cmin為蓄電池最小容量；Ed為整個(gè)自持時(shí)間內(nèi)的設(shè)計(jì)能量需求；ka為電池老化系數(shù)(或衰減系數(shù))，為了確保蓄電池在其使用壽命期內(nèi)滿(mǎn)足容量要求，考慮1.25的衰減系數(shù)；kt為溫度修正系數(shù)，蓄電池的容量一般是按25 ℃的標(biāo)準(zhǔn)操作溫度給出的，而安裝現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境溫度可能不同，因此需要考慮溫度修正系數(shù)，對(duì)通氣型電池,IEEE485給出了指導(dǎo)值；kc為容量倍率系數(shù)，考慮到蓄電池放電期間的電壓降低，引入該系數(shù)，其值可用制造商的推薦值[對(duì)于鎳鎘電池,IEEE1115的附錄C對(duì)浮充電使用的情況建議取值為額定容量的安時(shí)值除以放電電流的安培值(針對(duì)指定的放電時(shí)間和終止放電電壓)]；Vdc為蓄電池組所聯(lián)接的直流母線標(biāo)稱(chēng)電壓；kdod為蓄電池的最大放電深度系數(shù)。

選擇蓄電池組的容量時(shí)，其值應(yīng)大于按式(3)計(jì)算的結(jié)果，同時(shí)應(yīng)指定蓄電池的放電率，也就是蓄電池的規(guī)格應(yīng)包括安時(shí)容量和放電率(如500 A·h,C10)

1.3 UPS選型計(jì)算

1.3.1 UPS容量選擇

根據(jù)UPS的所有用電負(fù)荷并不同時(shí)工作的實(shí)際情況, 在考慮整個(gè)UPS的額定容量時(shí)，需要引入一個(gè)同時(shí)系數(shù)ks[3],一般按0.8～1.0考慮。按照前面的計(jì)算步驟算出設(shè)計(jì)負(fù)荷后,再乘以同時(shí)系數(shù),由此來(lái)選擇UPS的額定容量。一般的供貨商有標(biāo)準(zhǔn)的額定容量,因此,只要在其標(biāo)準(zhǔn)序列中選比計(jì)算負(fù)荷大的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值即可。

1.3.2 整流器/充電器的選型

根據(jù)以滿(mǎn)負(fù)荷給逆變器供電的同時(shí)又以最大的充電電流給蓄電池充電的要求來(lái)選擇整流器/充電器。設(shè)計(jì)直流負(fù)荷電流的計(jì)算公式為

Il,dc=S/Vdc，

(4)

式中：Il,dc為設(shè)計(jì)直流負(fù)荷電流(滿(mǎn)負(fù)荷)，A；S為選擇的UPS額定容量，V·A；Vdc為蓄電池組所聯(lián)接的直流母線標(biāo)稱(chēng)電壓，V。

最大的蓄電池充電電流計(jì)算公式為

Ic=C×kl/tc,

(5)

式中：Ic為最大的直流充電電流，A；C為UPS相對(duì)應(yīng)的蓄電池選型容量，A·h；kl為蓄電池的再充電效率(損失系數(shù))，典型取值是1.1；tc為蓄電池最小充電時(shí)間，h。

整流器/充電器的最小電流為Idc=Il,dc+Ic。選擇額定電流大于計(jì)算結(jié)果的整流器/充電器即可滿(mǎn)足要求。

1.3.3 逆變器選型

為了持續(xù)為UPS負(fù)荷供電，逆變器的額定參數(shù)可使用設(shè)計(jì)交流負(fù)荷電流(基于UPS額定容量,kV·A)來(lái)選取[4]:

(6)

式中：Il為滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)的設(shè)計(jì)交流負(fù)荷電流，A；Vo為標(biāo)稱(chēng)輸出電壓。選取額定電流超過(guò)設(shè)計(jì)交流負(fù)荷電流的逆變器可滿(mǎn)足要求。

2 計(jì)算實(shí)例

以BZ34-1 油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中的WHPE平臺(tái)的UPS選型為例，進(jìn)行實(shí)際工程計(jì)算。

2.1 UPS預(yù)期負(fù)荷計(jì)算及負(fù)荷輪廓曲線

UPS用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表2所示。按表2的信息可以構(gòu)建如圖1所示負(fù)荷輪廓曲線。

表2 UPS負(fù)荷表Table 2 UPS loads

圖1 負(fù)荷輪廓曲線Fig.1 Contour line of loads

圖1中負(fù)荷峰值Sp=32.766 kV·A ，則設(shè)計(jì)負(fù)荷為

Sd=Sp(1+kg)×(1+kc)=32.766×(1+0.1)×(1+0.1)=39.647(kV·A).

2.2 設(shè)計(jì)能量需求

圖1中負(fù)荷曲線下的面積為Et=21.746 kV·A·h,則設(shè)計(jì)能量需求即用電設(shè)備總的能量需求為

Ed=Et(1+kg)×(1+kc)=21.746×(1+0.1)×(1+0.1)=26.313(kV·A·h).

2.3 蓄電池選型及計(jì)算

BZ34-1 WHPE平臺(tái)根據(jù)項(xiàng)目環(huán)境條件，選用鎳鎘電池，蓄電池組電壓選用250 V,查表1可知電池個(gè)數(shù)可為192只。取ka=1.25;根據(jù)該項(xiàng)目的最高環(huán)境溫度34.6 ℃，按IEEE485取kt=0.93;取kc=1.1;取kdod=0.8;Vdc=250 V。因此有

=168.24(A·h).

顯然，選取200 A·h,C10較為合理。

2.4 UPS選型計(jì)算

首先是UPS容量選擇。BZ34-1 WHPE UPS的設(shè)計(jì)負(fù)荷Sd=39.647 kV·A，同時(shí)系數(shù)ks取0.85時(shí)的實(shí)際計(jì)算負(fù)荷為

Sdr=Sd×ks=39.647×0.85=33.70(kV·A),

選用40 kV·A的UPS即可滿(mǎn)足要求。

其次是整流器/充電器的選型。直流負(fù)荷電流

最大的蓄電池充電電流在tc=2 h時(shí)為

因此，整流器/充電器的最小電流為

Idc=Il,dc+Ic=160+110=270(A).

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可選300 A的整流器/充電器。

最后是逆變器選型。WHPE平臺(tái)的UPS的230 V母線為單相二線制，則

選取額定電流200 A的逆變器即可滿(mǎn)足要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

UPS是海洋石油平臺(tái)上的臨時(shí)應(yīng)急電源，其選型計(jì)算直接關(guān)系到生產(chǎn)安全。本文針對(duì)UPS選型計(jì)算給出了簡(jiǎn)便易行的計(jì)算方法。對(duì)已完成的BZ34-1油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中的WHPE平臺(tái)上UPS選型進(jìn)行了核實(shí)計(jì)算，驗(yàn)證了該計(jì)算方法。本研究可為今后海洋石油平臺(tái)的電氣設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 中國(guó)船級(jí)社. 海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范[S].2005.

[2] 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南編寫(xiě)組.海洋石油工程設(shè)計(jì)指南(第三冊(cè))[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[3] 任會(huì)元 .工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2005.

[4] Open Electrical. AC UPS sizing [EB/OL]. http://www.openelectrical.org/wiki/index.php?title=AC_UPS_Sizing.

UPSSizingCalculationforOffshorePlatform

GUO Zhi-gui, YAO Xiao-hua

(ShanghaiRichtechEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200233,China)

Uninterruptible power supply (UPS) is a key device in the electrical system on the offshore oil platform. It supplies the key loads such as the communication equipment, instrument control, electric protection, and control panels or workstation for the key machines when the normal and the emergency power supplies both fail. We deal with the calculating method for sizing of UPS and perform engineering calculation on the UPS sizing of a certain offshore platform. It is proved that the calculating method is simple and convenient, and can be used for the electrical design of other offshore oil platforms.

offshore platform; power supply system; uninterruptible power supply; key loads; calculation for sizing

2015-05-04

郭治貴(1964—)，男,工程師,主要從事海洋石油平臺(tái)電氣設(shè)計(jì)研究。

TE54;TM744

A

2095-7297(2015)03-0201-04