针对化工企业UPS的蓄电池性能分析及负载
针对化工企业UPS的蓄电池性能分析及负载优化
商勇，刘菲（中国石油兰州石化分公司电仪事业部.）
摘要：
UPS是化工厂变电所供电系统的重要组成部分，UPS的稳定运行影响着供电系统波动时的供电稳定性，通过对UPS的结构、蓄电池容量、维护方法及负载效率的分析，从理论上为UPS优化运行提供依据。通过对化工变电所的UPS进行主机更新、蓄电池报废更换及负载优化改造工作，保障了装置的平稳运行。
关键字：UPS；蓄电池；负载率；寿命
0引言
甘肃某大型炼化企业是集炼油、化工、装备制造、工程建设、检维修及矿区服务为一体的大型综合性炼化企业，是中国西部重要的炼化生产基地，能源战略地位十分重要，现有各类炼化生产装置90余套。供电系统的稳定可靠对企业的生产具有极其重要的意义，因此必须要求供电系统的应急供电及时、可靠。企业中，供电系统的应急供电措施广泛采用UPS供电。
高压聚乙烯V变电所和聚丙烯V变电所共有3套UPS，容量分别为KVA、80KVA及40KVA。各自负责相对应装置的仪表机柜间、现场分析仪表等设备的供电。自年装置建设以来，已投入使用13年，目前性能已有所下降，故障情况开始增多，并且因为多年的更新改造，负载率常年处于低负荷状态，使用效率较低。
1UPS的结构、性能及电源需求分析
石化企业在UPS的选择上主要有2种方式：单机UPS及1+1冗余式UPS供电系统。在高压聚乙烯变电所和聚丙烯变电所的3台UPS分别选用梅兰日兰银河系列KVA、40KVA、80KVAUPS，均以单机UPS供电方式运行。
1.1单机UPS供电系统结构
如图1所示，单机UPS供电系统[1]的组成包括：UPS主机及旁路单元。其中，UPS主机单元包括整流和逆变模块、蓄电池组、旁路单元等。由于UPS是将交流电先整流，再逆变对负载进行供电，当主电源过低、过高、电压波动时，UPS都能稳定的对负载进行供电。
图1单机UPS供电系统图
1.2单机UPS供电系统工作原理
当主电源正常时，主电源经整流单元对电池进行充电，并对逆变器供电，逆变器在直流转换为交流电对负载进行供电。当主电源异常时，电池通过逆变器对负载进行供电；当电池电量不足或逆变器故障时，则通过静态开关切换到旁路对负载不间断进行供电；当UPS故障或检修时，可通过外部检修旁路对负载持续供电。
1.3UPS供电方式和配置
两聚变电所UPS的主回路电源和旁路电源分别取自变电所不同段的2个抽屉柜，分别供给输入电源，旁路都设置在UPS内部。UPS电池选用免维护铅酸蓄电池，此类蓄电池质量相对较好，目前大多数UPS电源都采用这种方式。
2变电所UPS主要问题
变电所所使用UPS在运行的13年中，主要有如下问题需要优化：
a.UPS蓄电池运行时间长，蓄电池容量是否符合要求，部分蓄电池不满足寿命要求，需更新负荷技术要求的新电池。
b.UPS运行中，负荷率影响着UPS效率的高低，需核定UPS负载率并进行优化。
c.UPS主机长期运行，内部元器件已有所老化，从未进行过优化，已不符合当前运行的实际情况。
3UPS蓄电池分析
UPS的备用蓄电池运行状况[2]直接关系到UPS整体的性能，装置变电所的3台UPS蓄电池分别选用33节HOPPECKEAh、30节西恩迪79Ah的蓄电池、30节阳光A/66Ah的蓄电池。
3.1UPS蓄电池使用现状及特点
免维护铅酸蓄电池具有体积小、重量轻、放电性能高、维护量小等特点。由于中小容量密封电池的单节电池电压为12V，一旦电网失电，若整组蓄电池中某1节或多节蓄电池容量不合格，会造成电池的反充，直接导致电池组整体电压下降超过24V，进而使逆变器关机，UPS失去应急供电的作用。
3.2UPS蓄电池容量分析
以高压聚乙烯MGEKVAUPS为例，一般情况下，UPS的功率因数为0.8，UPS的电池直流电压为V,计算蓄电池容量。
梅兰日兰KVA型号为GALAXYPW系列，UPS的功率因数为0.8，因此，此UPS的实际功率为000VA*0.8=W。
根据W=UI,因此I=W/U=/=A，可得出电流为A，也就是说延时1小时需要A，根据制度要求，装置用UPS至少保证供电0.小时以上，因此，蓄电池选用要求至少Ah的电池。
年，高压聚乙烯装置更换蓄电池为荷贝克Ah12V的蓄电池，根据UPS的电池电压为V，因此至少需要33节。
从而可验证，高压聚乙烯KVAUPS所更新的电池满足要求。同理计算可知，两聚装置3套UPS所选用蓄电池均满足要求，并且有一定的余量。
3.3UPS蓄电池寿命分析
UPS蓄电池的使用寿命会受到环境温度、放电次数等条件的影响，蓄电池寿命等级如表1所示。
表1蓄电池寿命等级对照表
电池寿命等级
等级1
等级2
等级3
等级4
使用年限
3-年
-8年
8-10年
10年以上
两聚变电所采用的荷贝克SBFRAh、西恩迪12-90G79Ah的蓄电池以及德国阳光A/6蓄电池根据表2所示，西恩迪蓄电池设计寿命为7年以上，属于2级寿命，其他2款为4级寿命等级，设计寿命为12年以上，均符合至少年使用要求。变电所UPS自投用以来，于年、年先后分别更换电池，保障了蓄电池在寿命周期内的使用性能。
表2变电所用3款蓄电池对比表
荷贝克SBFR
西恩迪12-90G
阳光A/6
容量
Ah
79Ah
6Ah
尺寸大小
**
**
33*17*
重量（Kg）
4.
24
23
设计寿命（年）
12
7
12
寿命等级
4级
2级
4级
3.4蓄电池充放电试验及保养
在UPS的正常运行过程中，对UPS蓄电池定期使用充放电仪进行充放电试验，通过内阻值及电池电压的变化情况判断蓄电池的性能。
铅酸蓄电池的充电模式有恒流充电、恒压充电、脉冲充电、恒压限流充电等方式，两聚变电所的免维护铅酸蓄电池采用的是恒压限流充电方式，也是目前最主流的充电方式。
3.4.1恒压限流充电
电池的充电周期分为两个阶段，如图2所示。
第一阶段:以10小时放电率为放电标准放电至电池容量的十分之一的恒定电流对电池进行充电。电流不变，同时电压升高至强充电压。
第二阶段:以强充电压对蓄电池进行恒压充电。充电电流减小至浮充电流。
图2蓄电池充电阶段
3.4.2放电
电池放电时间视电池容量和电池端电压而定，通常放电达到容量的30%～0%即可，要避免80％以上过度放电。还应注意测量电池组端电压，以电压为12V的电池为例，放电后每节电池的平均电压不应小于10.V，低于10.V时，电池或深度放电将不再恢复储电能力。因此，在年大检修中，当高压聚乙烯40KVAUPS蓄电池放电1.小时后，部分电池出现低于10.8V的情况下，立即停止放电，避免对其余电池的损害。
3.4.3电池活化
蓄电池在运输、储存和安装过程中若时间很长会失去一定容量。为保证电池有足够的容量，每年要进行1次容量恢复试验，让电池内的活化物质活化，恢复电池的容量。
图V蓄电池放电曲线
从电池的放电曲线我们可以总结出12V电池的以下放电特征：
1.电池总容量的8%是在11.7到12.7V之间；
2.电池电压随着容量的减少逐步大幅度的下降；
3.放电至10.V时，蓄电池基本已放电结束；
4.电池寿命越短的蓄电池，电压下降越快。
年装置大检修中，对高压聚乙烯40KVAUPS蓄电池进行充放电试验，试验前测量出多块蓄电池内阻超标，如表3所示，开始放电后，蓄电池电压在不到1小时时，有2块蓄电池电压已下降至10.8V以下，在脱开不合格电池后，放电至1.小时，又有多块电池电压降至合格标准以下。
表3高压聚乙烯40KVAUPS蓄电池放电试验记录
蓄电池序号
0.小时
1小时
1.小时
14号
12.9
11.8
10.7
17号
12.4
10.76
-
4UPS使用效率
UPS电源负载功率[3]一般须控制在额定功率的0％～80％，不可以私自添加用电设备，否则会加重UPS运行负担，缩短使用寿命；当负载过轻时，UPS的效率降低，输入电压、电流的畸变率增大，不利于设备长周期运行。
如图4所示是一台传统大功率UPS的效率曲线和效率参数表及变电所所使用梅兰日兰UPS的效率曲线图。
图4大功率UPS效率曲线及梅兰日兰UPS效率曲线
表4UPS负载率与使用效率关系表
负载率
10%
2%
0%
7%
%
使用效率
77%
83.%
92.4%
92.8%
93.1%
通过图4的效率曲线参数及表4数据分析，我们可以了解UPS负载率为40％到80％的区间，UPS运行效率最高。
高压聚乙烯40KVAUPS的额定输出电流为61A，负载电流常年仅有10A左右，负载率仅为16%左右，因此40KVAUPS输出效率较低，常年处于不经济运行状态，需对其负荷状况进行改造。
UPS优化改造措施
高压聚乙烯变电所设有KVA及40KVAUPS各一套，40KVAUPS负责仪表机柜间照明、风扇、风送除尘控制器、醋酸乙烯分析表等设备的供电以及励磁柜控制电源、综保电源、主挤、辅挤变频器控制电源，但随着装置的运行，醋酸乙烯等单元已停用，负载逐渐减少，并且KVA及40KVAUPS长期处于低负荷运行状态，平均输出电流分别为3A、10A。
.1UPS负荷转移改造
按照如图所示，对高压聚乙烯KVAUPS进行负荷转移改造工作，并将40KVAUPS进行停用处理。
图高压聚乙烯UPS负荷改造图
.1.1提前告知KV乙烯变电站、仪表将开展检修工作。确认负载已处于停机状态，高压综保、主挤压机、辅助挤压机控制电源、供仪表电源等已断开。
.1.2停KVA及40KVAUPS；
.1.3确认KVA及40KVAUPS已处以停机状态；
.1.4验电后，拆除KVA及40KVAUPS前侧盖板；
.1.拆除40KVAUPSQN输出电缆及配电柜总空开上侧电缆；
.1.6新增36米*16电缆，一端连接至KVAUPSQN输出侧，另一端连接至配电柜总空开上侧。
.1.7配电柜内将原负荷接于配电柜A分空开下侧，将原仪表机柜间空开容量更换为A。
经过改造，高压聚乙烯KVAUPS的负载率升至41.7%，效率上升至90%以上，提高了经济性。
.2UPS蓄电池改造
高压聚乙烯40KVAUPS所使用蓄电池已使用13年未更换，本次充放电试验，部分蓄电池已不合格，同时1个蓄电池组内不能新旧电池串联，选择将此批30节蓄电池报废处理。同时，将KVAUPS蓄电池进行更新，使用荷贝克Ah的蓄电池，通过试验及测量，电池达到良好的效果。
.3聚丙烯80KVAUPS主机更新
聚丙烯80KVAUPS同样已使用13年，在运行期间发现多个元器件老化问题，为保证UPS的稳定运行，对聚丙烯80KVAUPS进行主机更新改造，新UPS选用施耐德APC00系列，新UPS相比原机型具有高电源质量、高级架构体系、更加安全可靠及使用简便等功能。PFC整流器配有SixpackIGBT模块用以避免上游失真，且功率因数PF接近1。
6UPS蓄电池日常使用及维护
6.1保持适当的环境温度
蓄电池对环境温度要求较高[4]，可以在20～0℃内使用，最佳的使用寿命应在12℃环境。环境温度一旦超过2℃，每升高10℃，电池的寿命就要缩短一半。
两聚变电所UPS室的室温基本保持在22℃，能够保障了电池的最佳运行条件。
6.2定期的充电和放电
UPS所使用的蓄电池和其他充电电池一样，不能长期处于空载或浮充的运行条件，但由于UPS的功能是长期后备供电，因此UPS蓄电池需要定期进行充放电。目前变电所使用专业蓄电池充放电仪进行此项工作，充放电仪可根据设置的放电时间和参数，自动计算所需要的放电电流，并且在电池电压下降至报警电压时，及时停止工作，确保了蓄电池不因人为原因导致的破坏。
6.3电池电压及内阻检测
每月应测1次电池单体电压及电池内阻，有条件的应加装电池监测系统，对每节电池的电压及内阻进行监测；如没有的话，应定期对电池进行一次人工的电压及内阻检测。
6.4电池及时更换
尽管目前电池组所选用的电池寿命都在7年以上，但随着使用环境及负载的变化，个别蓄电池性能下降较快，若单节或多节蓄电池性能已不合格，不得仅更换不合格电池，而需要整体更换蓄电池组。
7结束语
通过以上对石化供电系统中UPS技术特点及蓄电池性能分析及保养方法总结，正确使用UPS不仅改善了电网质量，同时也提高了用电系统的可靠性，真正做到不间断的为设备提供安全、可靠地电源，保障了装置的稳定运行。
[参考文献]
［1］张雷.浅谈UPS电源及蓄电池选型配置维护保养[J].电子世界，(10)：-.
［2］张健，柯新，张铁军.UPS电源蓄电池的使用和维护解析[J].通信电源技术，,3(12)：80-81.
［3］吴秋月.浅谈UPS在石化领域中的应用与维护[J].建筑工程技术与设计，,(31)：2-3.
［4］张彬.化工厂UPS不间断电源系统改造[J].电工技术，,(12)：91-92,9.
END
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