趙 凱

（安徽華塑股份有限公司，安徽 滁州 239000）

1 事故應(yīng)急電源的重要性

通常狀況下， 化工企業(yè)生產(chǎn)工藝中的低壓電氣設(shè)備均采用380 V/220 V 電源供電。 由于生產(chǎn)流程的連續(xù)性和危險性， 化工生產(chǎn)企業(yè)對供配電的穩(wěn)定性、可靠性要求較高，運行設(shè)備突然的失電可能導(dǎo)致爆炸、 有毒有害物質(zhì)泄漏或局部聚合大量的熱反應(yīng)等事故發(fā)生，因此，在國內(nèi)的一些危險化學品生產(chǎn)單位都應(yīng)該采用相對獨立的雙回路電源供電， 其重要的一點是雙回路電源應(yīng)有自動切換功能。 在生產(chǎn)企業(yè)一級負荷中特別重要的負荷除了由兩個相互獨立的電源供電外，還應(yīng)該增設(shè)一路應(yīng)急電源，應(yīng)急電源有很多種，可以是獨立于兩組電源的發(fā)電機組。

化工企業(yè)配置的應(yīng)急電源一般有EPS 電源、柴油發(fā)電機組、UPS 電源等， 對于化工企業(yè)的不同場所，相對應(yīng)的配置也不同。

1.1 化工企業(yè)配置的應(yīng)急電源分類及特點[1]

（1）EPS 應(yīng)急電源系統(tǒng)主要由蓄電池、 開關(guān)組、逆變器、充電器、隔離變壓器等裝置組成，系統(tǒng)在運行中可以把DC 電源反向轉(zhuǎn)換為交流電源。 適用于斷電時間大于0.25 s 的負載。

（2）UPS 不間斷電源是一種靜態(tài)交流不間斷電源裝置，主要由功率變換器儲能裝置（電池）和開關(guān)（電子和機械）組成，保證供電的連續(xù)性。適用于允許電源中斷ms 級的負載。

（3）企業(yè)內(nèi)自備應(yīng)急柴油發(fā)電機組是用柴油機為運行動力拖動工頻交流同步發(fā)電機的發(fā)電裝置。該發(fā)電機組適用于停電15 s 以上的建筑物。 在日常生產(chǎn)中，使用應(yīng)急電源的工作時間應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)工藝允許的停電時間來進行綜合考慮，此發(fā)電機組與自啟動發(fā)電機組相互配合使用時應(yīng)該大于10 min。

（4）具有獨立于正常電源的自動切換裝置的單獨使用的饋電電路。 此應(yīng)急電源合用在自動開關(guān)裝置的機械動作時間一般條件下應(yīng)該滿足其允許的斷電時間，此時間一般為1.5 s 或0.6 s 以上。 若現(xiàn)場設(shè)備允許的可以斷電時間為ms 級、 容量較小的及重要的一些負載一般可以使用DC 電源， 應(yīng)該使用電池組當作應(yīng)急電源。

（5）自備應(yīng)急燃氣輪機發(fā)電機組是一種用燃氣輪機作為工作運行動力， 用以驅(qū)動工頻交流同步發(fā)電機的發(fā)電設(shè)備。

1.2 選用自備應(yīng)急柴油發(fā)電機組的必要性

應(yīng)急柴油機發(fā)電機組是采用一種特殊的自動控制系統(tǒng)的柴油機發(fā)電機組， 可以自動檢查供電線路的電流情況，若遇見現(xiàn)場緊急停電的情況，此機組可以自動切換到需要的頻率上面持續(xù)供電。 自備應(yīng)急柴油發(fā)電機組是給一級、二級負荷提供電源的。一二級負荷是指不能停電或者一旦停電將造成無法彌補損失的用電負荷。

（1）使用功率較大、電壓相對穩(wěn)定、燃油價格低、熱效高，在現(xiàn)場工況發(fā)生變化時，燃油的消耗率曲線變化相對比較平緩，在低負荷情況下運行經(jīng)濟可靠。

（2）工作效率可靠、耐久度強。 因為沒有點火系統(tǒng)，其故障率比較低。

（3）使用范圍比較廣泛，在國內(nèi)化工企業(yè)和礦場、醫(yī)療、銀行等都會使用。

（4）有害排放物較低。

（5）防火安全性好，非常適用于化工企業(yè)等高用電要求的場所。

2 事故應(yīng)急電源系統(tǒng)在化工企業(yè)的設(shè)計優(yōu)化配置

2.1 設(shè)計狀況

隨著科技的發(fā)展， 國內(nèi)化工行業(yè)中一些新的工藝技術(shù)不斷更新， 電氣控制系統(tǒng)在危險化工生產(chǎn)過程中對生產(chǎn)安全起著重要作用， 所以對供電安全的可靠性和穩(wěn)定性的要求越來越高。目前，國內(nèi)化工廠多數(shù)的化工生產(chǎn)裝置有著高壓、高溫、易燃易爆、工藝流程24 h 連續(xù)生產(chǎn)的特點。 如果生產(chǎn)裝置突然失電導(dǎo)致生產(chǎn)不受控制，則易發(fā)生裝置爆炸、有毒有害氣體泄漏、工藝設(shè)備報廢等極其嚴重的結(jié)果，所以供電系統(tǒng)的安全可靠對化工裝置的安全有著舉足輕重的作用，化工企業(yè)建設(shè)設(shè)計時，要把其可靠、安全、穩(wěn)定等相關(guān)特性作為研究的重點。

在安徽華塑股份有限公司二期氯堿項目燒堿裝置、PVC 裝置、VCM 裝置中一些重要的設(shè)備除采用雙回路供電外， 均分別設(shè)置了一路獨立于市電的應(yīng)急電源，此路電源為柴油發(fā)電機組獨立供電段。這套機組在現(xiàn)場設(shè)備正常運行過程中， 所用的市電發(fā)生故障而造成停電之后的應(yīng)急備用電源的提供者，在市電供電正常時此套發(fā)電機組處于待機備用狀態(tài)下，現(xiàn)場市電只要發(fā)生停電，此時就需要備用發(fā)電機組“起得動，供得上”。 如果起不到上述作用，那么此機組就失去了備用的意義， 會給生產(chǎn)造成很大的損失。 柴油發(fā)電機組的供電響應(yīng)時間是確保事故響應(yīng)的關(guān)鍵節(jié)點。

以PVC 裝置供電系統(tǒng)為例，未設(shè)置柴油發(fā)電機組供電系統(tǒng)圖見圖1， 設(shè)置柴油發(fā)電機組供電系統(tǒng)圖見圖2。

設(shè)置柴油發(fā)電機組后供電系統(tǒng)工作方式如下。

雙進線（1#變壓器、2#變壓器）分別向I 母線、II母線供電，母聯(lián)開關(guān)（備自投）斷開，Ⅰ母線、Ⅱ母線分列運行。 當I 母失電后母聯(lián)開關(guān)合，由II 母供電；當II 母失電后母聯(lián)開關(guān)合，由I 母供電。當I 母線、II母線全部失電、 在現(xiàn)場設(shè)備上的雙電源開關(guān)內(nèi)部的控制器做出其相應(yīng)的邏輯判斷后， 立即發(fā)出一系列啟動柴油發(fā)電機組的指令， 并將應(yīng)急電源直接供給應(yīng)急段的設(shè)備； 而應(yīng)急段饋出柜內(nèi)安裝了具有抗晃電功能的模塊， 在設(shè)定的時限內(nèi)自行再啟動， 或在DCS 后臺通過預(yù)先程序設(shè)置啟動其他備用泵進行事故應(yīng)急處理。 柴油發(fā)電機起動過程流程圖見圖3。

2.2 雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的分類與選擇

在現(xiàn)場運用中，雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，總的來說分兩大類，主要分為ATS 和STS。

STS（Static Transfer Switch），靜態(tài)開關(guān)，又稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，為電源二選一自動切換系統(tǒng)，第一路電源出現(xiàn)故障后STS 自動切換到第二路電源給負載供電 （前提第二路電正常且和第一路電基本同步）， 第二路電源故障的話STS 自動切換到第一路電源給負載供電（前提第一路電正常且和第二路電基本同步），適用于UPS-UPS，UPS-發(fā)電機，UPS-市電，市電等任意兩路電源的不斷電轉(zhuǎn)換，上面所說的幾種所使用的電源間都需要使用相應(yīng)的同步裝置來保證這兩路電源基本同步， 否則STS 無法進行切換。這個開關(guān)主要由智能控制板、高速可控硅、斷路器組成，使用中的標準切換時間一般≤8 ms，正常運行時不會造成IT 類負載斷電，既可以對其負載進行安全可靠的供電，也可以保證STS 在不同相切換時的安全性。

圖1 （以PVC裝置供電系統(tǒng)為例）未設(shè)置柴油發(fā)電機組供電系統(tǒng)圖

圖2 （以PVC裝置供電系統(tǒng)為例）設(shè)置柴油發(fā)電機組后供電系統(tǒng)圖

圖3 柴油發(fā)電機啟動過程流程圖

ATS 又稱為ATSE （Automatic transfer switching equipment 的英文縮寫），自動轉(zhuǎn)換開關(guān)。ATS 在現(xiàn)場一般用于比較緊急的供電系統(tǒng)之中， 在使用過程中可以把負載使用的電路從一路電源自動換到另外一路（備用）電源的開關(guān)電器，用來保證現(xiàn)場一些極其重要負荷可以連續(xù)、 可靠運行，ATS 為機械結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)換時間一般在100 ms 以上，會造成負載斷電。

雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)一般由開關(guān)本體和控制器兩部分組成， 而開關(guān)本體又分為PC 級雙電源開關(guān)（整體式）和CB 級雙電源開關(guān)[2]（雙斷路器式）。

（1）PC 級雙電源自動切換開關(guān)

PC 級雙電源自動切換開關(guān)在現(xiàn)場使用過程中可以進行接通、承載，但一般不使用在分斷短路電流的雙電源中使用過程中雙電源， 如果使用沒有過電流脫扣器的負荷開關(guān)作為執(zhí)行器， 就是PC 級自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，沒有相應(yīng)的保護能力，但擁有非常高的耐受與相應(yīng)的接通能力，可以保證開關(guān)自身的安全，不會因為在使用過程中出現(xiàn)過載或短路等故障而造成開關(guān)損壞，可以保證開關(guān)安全可靠地接通回路。

（2）CB 級雙電源自動切換開關(guān)

CB 級雙電源自動切換開關(guān)是內(nèi)部自身擁有過電流脫扣器的雙電源， 開關(guān)的主觸頭可以接通并應(yīng)用于分斷短路電流， 此時雙電源應(yīng)使用僅僅擁有短路電流脫扣器的斷路器作為執(zhí)行器， 屬于CB 級自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，擁有選擇性的相應(yīng)保護能力，可以對開關(guān)下端的負荷和電纜提供一定的短路保護， 其接通和分斷能力遠遠大于接觸器和繼電器等其他元器件。

2.3 雙電源自動切換開關(guān)的選擇

在現(xiàn)場設(shè)備使用時自動切換開關(guān)在發(fā)生故障切換備用電源時有一定延時， 此延時作用在由主電源向備用電源轉(zhuǎn)換上。 有些用電設(shè)備對雙電源自動切換開關(guān)的轉(zhuǎn)換時間是有嚴格要求的， 因此雙電源自動切換開關(guān)選型時一定要達到用電設(shè)備的轉(zhuǎn)換時間的要求。

（1）雙電源自動切換開關(guān)在使用自動投切功能時，現(xiàn)場使用的主電源市電恢復(fù)其正常工作的供電后，現(xiàn)場使用的此開關(guān)在經(jīng)過延時后， 應(yīng)該自動切換回市電主回路電源供應(yīng)。

（2）雙電源自動切換開關(guān)在日常使用過程中不能用來啟動功率較大的電動機或者高感抗負載轉(zhuǎn)換，這一類型的負載在設(shè)備日常工作運行中切換， 此時兩個回路電源相位差比較大的時候， 電動機將會承受極大的機械應(yīng)力。同時，電動機產(chǎn)生的反電勢引起的過流會造成熔斷器熔斷或斷路器脫扣。 所以現(xiàn)場正常運行中當此開關(guān)帶功率較大的電動機或高感抗負載轉(zhuǎn)換， 兩組動觸頭在轉(zhuǎn)換之前應(yīng)該增加一個延時，選取延時轉(zhuǎn)換型雙電源自動切換開關(guān)，這個開關(guān)使用的延時時間應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場使用負載的情況來決定。

（3）在現(xiàn)場使用中采用發(fā)電機組作為應(yīng)急照明電源， 發(fā)電機的啟動和電源轉(zhuǎn)換二者相加的時間小于15 s。此開關(guān)應(yīng)該選用“市電-發(fā)電機轉(zhuǎn)換”專用型。

（4）在日?，F(xiàn)場使用中當變電室低壓配電系統(tǒng)為單母線分段運行時，并設(shè)母聯(lián)開關(guān)時，此雙電源自動切換開關(guān)總動作時間應(yīng)與變電室母聯(lián)開關(guān)設(shè)定的動作時間整定值二者相互配合， 現(xiàn)場使用過程中應(yīng)大于聯(lián)絡(luò)開關(guān)動作時間在0.5～1.0 s。 國內(nèi)的一些變電室母聯(lián)開關(guān)的動作時間一般為2.5 s，此時雙電源自動切換開關(guān)總動作時間最適合設(shè)置在3 s 以上。

3 設(shè)備現(xiàn)狀及存在的問題

二期燒堿裝置10 kV/400 V 配電室內(nèi)400 V 應(yīng)急段選用的是施耐德公司生產(chǎn)的雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，該開關(guān)由控制器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、控制線纜等3 部分組成。 控制器正常對S1（市電）、S2（柴油機應(yīng)急電源）進線檢測，正常時K1 開關(guān)對S1 供電，在失電后K2 開關(guān)在控制器的電氣聯(lián)鎖和邏輯保護電路下先斷開K1 開關(guān)， 再根據(jù)S2 電源供電品質(zhì)進行投入，并保證S1、S2 電源不會并列運行。 其控制器電源和開關(guān)K1、K2 適配器檢測電源由市電和柴油發(fā)電機備用電源分別予以提供。

在進行二期裝置系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中， 電氣人員對應(yīng)急段進行失電模擬測試發(fā)現(xiàn)， 燒堿400 V 配電室在雙回路失電后， 柴油發(fā)電機組自啟后應(yīng)急段的運行設(shè)備無法進行再啟動， 應(yīng)急段不能滿足使用要求。

4 原因分析及改進措施

經(jīng)排查后發(fā)現(xiàn)故障的原因是柴油機啟動時間、控制器反應(yīng)時間疊加后超過了抗晃電模塊25.5 s 的上限，故該應(yīng)急段設(shè)備在失電后不能自行再啟動，失去了增加應(yīng)急電源的意義，在PVC 車間、VCM 車間也存在同樣的問題。 首先柴油發(fā)電機自啟動過程時長為13 s， 而在柴油發(fā)電機啟動完成后并達到允許合閘的安全電壓前，控制器也在失電狀態(tài)，在控制器通電及通電自檢完成后再進行切換邏輯判斷時長已達到12 s，即使不考慮中間的3 個開關(guān)自動合閘（發(fā)電機組供電開關(guān)）-分（市電）-合（應(yīng)急電源），也已超過了開關(guān)柜應(yīng)急段再啟動的上限時間，因為柜內(nèi)的電機綜合保護器的晃電保護時間范圍為0～25.5 s。

在對應(yīng)急段失電模擬預(yù)演失敗原因進行分析后，再對控制線路進行分析，發(fā)現(xiàn)是雙電源切換裝置的電源選取存在問題。 雙電源裝置示意圖見圖4。 柴油發(fā)電機組從零怠速到額定轉(zhuǎn)速下的額定電壓的時長可調(diào)整的范圍不大，屬于設(shè)備機械特性，唯一可行的方案是確保雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)控制器及轉(zhuǎn)換開關(guān)的操作電源在現(xiàn)場使用的設(shè)備的市電失電的情況下依舊可以連續(xù)供電。 通過從EPS電源系統(tǒng)提供控制器電源后進行應(yīng)急段失電模擬測試成功， 節(jié)約了控制器失電和通電后自檢需要的12 s 時長， 實現(xiàn)了燒堿應(yīng)急段的失電后設(shè)備再啟動功能。 經(jīng)過多次分析與模擬試驗，改造方案是將備用電源開關(guān)K2 適配器P 端的電源引入變更為從EPS 電源的引入， 從而保證了控制器及開關(guān)的操作電源不再有間隙的失電現(xiàn)象發(fā)生。 成功優(yōu)化了控制回路，解決了該問題，并在其他裝置進行了同樣的改造，保證了應(yīng)急段設(shè)備的快速再啟動，為二期設(shè)備的安全運行奠定了重要的技術(shù)支持。改造后示意圖見圖5。

5 結(jié)語

對于設(shè)計定型的成套設(shè)備， 所用的控制方式因為關(guān)鍵的核心原件被批量選用， 改造將變得非常困難。在不改變原有的設(shè)計基礎(chǔ)上能夠拓展思路，使用技術(shù)手段處理一系列問題， 用極小的消耗達到最大限度的性能優(yōu)化。

圖4 雙電源裝置示意圖

圖5 改造后示意圖

在晃電模塊保護時長設(shè)置范圍的制約下， 設(shè)計單位僅考慮了正常供電失電和失電后再由發(fā)電機自啟供電， 沒有考慮到從不間斷供電電源UPS 或應(yīng)急照明電源EPS 的電源引入，其最大的問題是雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)在失電期間會有部分模塊的顯示終端失電，導(dǎo)致不能快速驅(qū)動相關(guān)設(shè)備，影響關(guān)鍵設(shè)備的快速響應(yīng)。

由于二期工程氯堿項目PVC 裝置聚合工序設(shè)備由660 V 電源供電，EPS 電源系統(tǒng)只能提供400 V電源，通過增加隔離變壓器升壓至660 V，也解決了該問題， 在二期工程氯堿項目VCM 裝置進行了技術(shù)改造并達到了同樣的效果，運行至今穩(wěn)定可靠。