石化行业重要负荷供电解决方案.docx

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石化行业重要负荷供电解决方案

石化行业重要负荷供电可靠性

与解决对策

宁波理工电力电子设备有限公司

2014年01月

一、石化供配电特点

石化产业关系到国家能源战略安全和经济社会发展，在国民经济中起着举足轻重的作用。

石化企业的显著特点是规模化连续性生产、生产装置多、工艺复杂、技术密集，且大量采用DCS、ESD、现场总线等国际先进水平的自动化控制技术。

物料多为易燃易爆、有毒有害物质，生产设备经常在高温高压、低温深冷环境下，工作条件极为苛刻。

企业电网不仅具有电力行业的基本特点，而且还有针对炼油化工的特性，这些特点对企业电力系统的安全供电提出了极高的要求。

我国的大型石化企业一般都是国有大中型企业，一般石化电网具有两个以上独立电源供电，运行方式一般是双电源单运行或双电源双运行。

如果其中一个电源出现问题就要进行电源切换。

负荷的特殊性导致其供电系统有如下特点：

●供电系统容量大。

一般在500MVA以上，是国家电力网中的用电大户；

●自发电能力强。

自备发电机容量一般在200MW以上；

●电力网结构复杂，供电电压等级多。

变配电站多而分布很散，高压输电线路纵横交错，电缆配电系统很大；

●炼油化工生产工艺的特殊性对企业内部电力网的安全供电要求很高很严。

石化行业负荷特点：

●设备使用率高、一般设备的使用率在90%以上；

●受电可靠性要求高、一类负荷在85%以上；

●重要敏感负荷与污染型负荷共存

Ø负荷密集且种类多，电气距离很近

Ø具有大型冲击性负荷，如负荷在4MW以上的压缩机机、离心泵等

Ø部分负荷具有高温高压过程，用电要求高

●电机类负荷众多

二、石化行业电能质量问题

正是因为石化配电网的特点和负荷的特殊性，导致石化供配电网络会面临以下问题的挑战：

●大型冲击性负荷造成电能质量问题

Ø感性负荷——功率因数低，一般在0.85左右

Ø负荷冲击性大——电压波动情况严重

Ø谐波干扰严重——规则和不规则谐波

●供电可靠性问题

Ø保护配合困难：

电气距离短—保护选择性差（以过压过流保护为主）

Ø局部故障很容易扩展

Ø外来电力比例高——失去外来电源时的切负荷方案

Ø电能质量（如谐波、冲击性负荷）影响保护装置的可靠性

电能质量包括电压、频率、谐波、三相不平衡度、电压的骤升或骤降等等。

石化系统经常所说得“晃电”，其实涵盖了大部分得电压质量问题，包括了电压暂降、波动与闪变、停电、电压冲击等。

“晃电”的原因多种多样，其危害均是通过电网电压波动或电源的短时消失使工厂生产受到影响的。

引起“晃电”的因素有多种多样，有自然界因素引起、有电网本身引起、有用电负荷引起的等等，一般是电网由于雷击、对地短路、发电厂故障及其他外部、内部原因造成电网短时故障，引起的电网电压短时大幅度波动、甚至短时断电数秒钟的现象，只是“晃”一下即过，但如果设备和系统抵御“晃电”的能力较差，将给生产带来不应有的损失。

图1单相电压暂降

根据EPRI（美国电科院）权威数据92%的电能质量问题都是由于电压暂升和暂降引起的，其他电能质量事件比例不超过8%。

目前，石化企业解决供电可靠性的主要办法是一次系统采用双路或多路供电，再辅以二次系统采用备自投装置（BZT），但实际运行中，化工企业等要求连续供电的企业，备自投的使用效果并不理想。

主要是传统的备自投动作时间长，无法满足企业对电源供电可靠性和连续性的要求。

尽管高压电机可通过调整低电压保护延时来躲避“晃电”现象，但对变频器负荷来讲，仍然无法避免发生欠压保护。

而对400V系统而言，低电压将造成接触器脱扣，变频器停止工作。

总之，看起来司空见惯的备自投实际上并没有真正起到保障供电连续性的作用。

一旦发生系统停电或事故，将直接导致设备停运和工艺流程中断，极易造成人员伤害、重大环境污染和巨大经济损失，甚至带来较为严重的政治影响。

石油化工行业自动化程度高，DCS控制系统及仪表对电源连续性要求很高，备自投的缺陷不能保证供电的连续性，所以设计上均考虑为其配置不间断电源（UPS）。

然而因为UPS系统故障停机造成机组停运的情况时有发生，已经严重影响到石化企业的安全运行。

针对于石化企业电压暂降现象、备自投切换时间长、UPS可靠运行时间短等问题，宁波理工电力电子设备有限公司提出了全新的技术方案，即使用基于电力电子技术的智能快速切换稳压装置，实现负荷供电电压稳定不间断。

应用先进的电力电子技术的智能切换稳压装置，当电源电压下降在70%以内使用稳压系统稳定负荷电压在额定范围之内，当电源电压下降至70%以下，在1/4周波之内完成主备电源之间的切换，确保用户用电负荷供电连续，带来了良好的经济效益和可靠的安全保证。

三、智能切换稳压装置解决方案

目前应用于石化电网的电能质量解决方案有以下几种，通过对比可以发现，智能切换稳压装置具有明显技术优势。

电能质量问题

电能质量解决方案

SSTS固态切换开关

UPS不间断电源

DVR动态电压恢复器

SVG静止无功补偿装置

智能切换稳压装置

电压突降＜50％

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电压突降＞50％

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电力中断＜60秒

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电力中断＞60秒

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电压闪变

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谐波

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供电电压偏差

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功率因数低

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石化电网结构简图如下，现场应用中智能切换稳压装置可作为重要或敏感负荷集中供电电源，一方面完成主备电源的无缝切换，防止敏感或重要负荷停机，另一方面提高敏感或重要负荷的供电质量，如稳定供电电压、滤除谐波、提高功率因数等作用。

●相对于备自投开关，智能切换稳压装置切换速度快，可以实现无缝切换，防止设备因供电中断停机，本装置可以全面取代备自投开关；

●对于UPS电源，智能切换稳压装置切换时间短，可以减少UPS电源充放电次数，降低UPS电源电池容量，高的供电质量提高UPS使用寿命，从而减少了投资成本。

●智能切换稳压装置供电容量大，可以给电机、变频器、UPS电源、DCS等重要负荷集中供电，增加了可靠性。

分别从400V两段母线引入两路电源，利用智能切换稳压装置对石化企业的敏感负荷和重要负荷集中供电，如UPS、变频器、直流屏、DCS、ESD、现场总线等电源。

四、智能切换稳压装置

4.1、技术原理

智能切换稳压装置基本原理图如下，主要由稳压模块和快速切换模块组成，由智能控制器统一控制装置的切换和稳压功能。

其中快速切换部分由两段开关臂组成，每段开关臂由TS1、TS2晶闸管开关和PS1、PS2快速开关并联组成，稳压功能模块则直接并联于设备输出侧母线上，通过智能控制器统一控制。

图4-1智能切换稳压装置基本原理图

智能控制器检测到电源发生电能质量问题，当电压骤降≥70%、存在电压波动、电压偏低、电压偏高等问题，都可以通过稳压模块补偿负荷电压在额定电压附近，从而提高设备的使用寿命和安全性。

如果系统谐波污染比较严重，用户也可以选择具有滤波功能的稳压模块，滤除谐波，免除谐波造成的危害。

当电源电压骤降＜70%、进线电源故障等问题，此时快速切换模块主动把负荷电源在1/4个周波之内切换到备用电源，实现用电负荷的不间断供电。

4.2、快速切换模块技术原理

快速切换模块每只开关臂由晶闸管开关（TS1、TS2）与高速真空开关PS1、PS2并联组成。

正常运行时电流被并联在晶闸管阀体两端的开关PS旁路掉，晶闸管没有电流通过所以没有损耗；当电源发生电能质量问题时，晶闸管瞬间导通电流立即转移到晶闸管阀体，这时打开开关PS几乎不产生电弧，在随后的第一个电流过零点，晶闸管自然关断。

快速切换模块可以快速切换至备用电源，从而保证负载供电的连续性和可靠性。

图4-2快速切换原理图

快速切换模块附加功能：

可作为大容量高速开关使用，在12ms内断开60～200kA之间的任意短路电流，防止事故扩散，不影响上游电网供电安全，同时保护本地设备安全。

避免加装故障限流设备或更换短路电流能力强设备的额外投资。

提高经济效益和供电安全。

4.3、稳压模块技术原理

稳压模块并联于负载母线侧，智能控制器持续监控供电电压，一旦供电电压偏离额定电压水平，智能控制器就会控制稳压模块的IGBT逆变器通过连接电抗器注入补偿电压，稳压模块不需要类似UPS的储能单元，整机效率≥99%。

图4-3电压补偿原理图

针对于谐波含量高的场合，用户还可与选择具有滤波功能的稳压模块滤除谐波。

同时本装置可以配合固定电容补偿进一步提高功率因数。

4.4、智能切换稳压装置技术参数：

Ø输入电压：

线电压400V，三相三线，两路独立电源；

Ø输入频率：

50Hz；

Ø额定电流：

最大至1600A（其他电流等级可以根据客户要求定制）；

Ø切换时间：

先开后合模式＜5ms，先合后开模式＜12ms；

Ø稳压范围：

±5%Un；

Ø谐波滤除（可选）：

可以滤除50次及以下谐波；

Ø负荷短路故障时：

不切换。

同时可附带高速切断短路电流功能，12ms内分断20～50kA之间的任意短路电流。

4.5、技术优势

●高速切换，不影响负载供电；

●可以解决电压骤降、波动、谐波污染、功率因数低等诸多电能质量问题；

●额定电流达1600A，可以对重要电机、变频器、PLC等设备集中供电，降低投资成本，提高可靠性；

●可以提高UPS输入侧电源质量，从而提高UPS的可靠性、使用寿命，降低UPS电池组容量；

●双备份冗余设计，配备完善的保护系统；

●控制电路电磁兼容性良好，光电触发，免受外界干扰；

●可以实现远程监测与控制，手动/自动切换

●免维护

五、智能切换稳压装置的经济效益与社会效益

作为国民经济的支柱产业部门，目前中国石油和化工行业规模以上企业共有一万七千多家。

石油和天然气的生产与加工、乙烯、合成树脂、合成橡胶、合成纤维、化肥、纯碱、烧碱、涂料、染料、农药、轮胎和部分精细化学品的生产规模和产量都居世界前列。

石油和化学行业的发展水平己成为衡量中国经济实力和科技水平的重要标志之一，也是中国在今后若干年内重点发展产业之一。

对于整个石化系统而言，生产自动化设备的失电，意味着设备停运和工艺流程中断，其后果及其严重，轻者造成一定的经济损失，重者可导致重大人员伤亡和环境污染事故。

智能切换稳压装置可以全面替代低压备自投开关，并大大提高UPS、变频器及其他敏感重要负荷的运行可靠性，能够有效的解决晃电、谐波等电能质量问题，提高石化企业供电的可靠性和安全性，保证安全平稳生产，具有很好的经济效益和社会效益。