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|一用一备式冷凝水泵应急电源的设计与实现


为保障山西通州集团兴益化工有限公司10万吨甲醇工程一用一备式冷凝水泵的安全运行 ， 专门设计动力负载应急电源 。 作者阐述了动力负载应急电源基本原理及其控制系统设计 ， 经现场调试运行 ， 动力负载应急电源很好满足生产现场要求 。
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山西通州集团兴益化工有限公司10万吨甲醇工程冷凝水泵在生产过程中需24小时无间断工作 ， 冷凝水泵电机设有两台 ， 采用一用一备式设计 ， 电机容量：185kW；额定电流：323A；额定转速：2980r/min 。
项目现场一路市电供电 ， 当市电正常时 ， 电机由配电系统中的软起动装置实现冷凝水泵正常运行模式 。 当主用电机检修或发生故障时 ， 由手动转入备泵运行 ， 在市电正常时备泵的运行方式与主泵相同 。 此时电机仍在市电情况下运行并且在市电情况下两台电机仅运行一台 ， 不存在市电情况下两台电机同时运行的情况 。
当市电断电时 ， 由于没有备用电源 ， 将造成凝水泵停转 ， 可能引发生产事故 ， 生产现场需要一台应急电源 ， 当市电断电时 ， 要求由EPS拖动在市电断电前正在运行的电机继续运行 ， 保障冷凝水泵应急运行 ， 根据要求 ， 我公司设计动力负载应急电源 ， 以满足现场的生产要求 。
1 动力负载应急电源基本原理
【|一用一备式冷凝水泵应急电源的设计与实现】动力负载应急电源的基本原理是将直流电能（如蓄电池）通过逆变器件变成交流电能 ， 供交流动力负载使用 。 凝水泵属于动力负载 ， 电网故障后 ， 失去动力的凝水泵由于受到阻力作用 ， 转速将下降 ， 如果直接提供凝水泵稳频稳压380V 50Hz的交流应急电源 ， 将产生巨大的冲击电流 ， 对应急电源不利 ， 所以 ， 针对动力负载应采用频率和电压变化的200kW动力负载应急电源 。 控制原理图如图1所示 。
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图1 动力负载应急电源原理图
市电正常时 ， 控制系统控制接触器KM3、KM5吸合 ， 电机M1、M2由配电系统中的软起动装置实现冷凝水泵正常运行模式 ， 配电控制系统进行两路输出ACI1、ACI2电流检测 ， 作为电源系统辨识主、备泵运行的依据 。
另外 ， 市电给充电机供电 ， 给蓄电池组充电储能；市电故障时 ， 控制系统控制KM3、KM5接触器断开 ， 通过辨识运行的主、备泵 ， 分别控制KM4或KM6接触器闭合 ， 再启动变频电源 ， 实现冷凝水泵应急运行模式 。
为方便应急电源正常检验与维护 ， 增加手动旁路系统断路器QF1与QF1 ，， QF2与QF2 ，， 当电源系统正常运行时 ， 电源通过QF1、QF2向冷凝水泵供电 ， 当应急电源需要维护时 ， 开关切换至QF1 ， 、QF2 ，， 市电通过QF1 ， 、QF2 ， 向冷凝水泵供电 。
2 动力负载应急电源控制设计
2.1 系统控制电源设计
由于市电故障时 ， 整个系统只有蓄电池的直流电能 ， 电源系统中KM3、KM4、KM5、KM6的控制线圈电压为交流220V ， 所以 ， 电源系统设计单独的应急电源（EPS）提供交流220V控制电源供接触器使用 。
在市电故障时 ， 动力负载应急电源控制存在市电故障判断及KM3、KM4、KM5、KM6接触器切换过程 ， 客观上存在2-3秒的切换时间 ， 允许控制电源有间断切换；当市电恢复时 ， 如果EPS控制电源存在切换断电时间 ， KM3、KM4、KM5、KM6接触器将因为控制电源的断电 ， 而将全部断开 ， 这样影响到设备的运行 。
如果采用UPS电源给控制系统供电 ， 无论有无市电 ， UPS电源的整流与逆变一直持续工作 ， 存在器件老化等因素 ， 影响UPS供电质量 。
所以 ， 控制系统的EPS电源采用特殊的控制方法设计 ， 如图2所示 。 当市电故障时 ，KM1先断开 ， KM2后吸合 ， EPS电源将蓄电池的直流电能逆变成交流电能 ， 通过KM2向控制线圈供电；市电恢复正常时 ， 采用逆变同步技术 ， 将市电和逆变两路交流电源的幅度、频率和相位差应控制在一定的范围内 ， 通过“KM1先吸合 ， KM2再断开”的切换方法 ， 实现从逆变电源到电网电源之间不间断转换 ， 这样解决了普通EPS存在恢复市电时的切换有间断时间问题 。
在市电正常时 ， 市电KM1吸合 ， 给控制系统KM3、KM4、KM5、KM6的控制线圈提供电源 ， 逆变停止工作 ， 相对延长逆变器寿命 。 这样应急电源即能够克服UPS电源使用寿命的不足 ， 又能满足动力负载应急电源控制系统要求 。
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图2 控制系统的EPS电源原理图
2.2 控制系统直流开关电源设计
动力负载应急电源控制系统需要不同功率、不同电压等级的直流电源支撑 ， 如控制核心器件需5V电源、逆变模块的驱动需要4路独立的+20V直流电源、采样电路中的运算放大器需±12V供电 ， 另有集成模块需5V直流电源 ， 所以控制系统必须有DC500V转DC20V、DC500V转DC110V、DC110V转DC±12V、DC5V等多个独立的直流电源以满足所需各种直流电源的需要 。
本系统以UC3844电流型PWM集成控制器为核心 ， 构建了单端反激式开关电源 。 DC110V转DC±12V、DC5V原理如图3所示 ， 该开关电源原理为：UC3844输出驱动脉冲 ， 功率开关管Q1交替导通与关断 ， 经过高频变压器T1作用 ， 二次侧产生交流感应电压 ， 经整流、滤波后 ， 可输出稳定的+20V、±12V和+5V直流电压 。
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图3 控制系统直流开关电源原理图
3 动力负载应急电源控制系统软件设计
3.1 主备泵辨识与逻辑判断
实现凝水泵的正确应急切换 ， 控制环节中最重要的是进行主、备运行水泵的辨识与停电时的逻辑判断 。 虽然配电控制系统进行主泵上端ACI1、备泵上端ACI2电流检测 ， 作为电源系统辨识主、备泵运行的依据 ， 但是如果没有设计正确的逻辑关系 ， 将产生违背现场要求的错误切换 。
在市电运行过程中 ，如果检测ACI1有电流 ， ACI2没有电流 ， 那么停电后 ， 闭合KM4 ， 启动主泵；如果检测ACI2有电流 ， ACI1没有电流 ， 那么停电后 ， 闭合KM6 ， 起动备泵 。
但是 ， 还存在特例 ， 如果ACI1没有电流 ， ACI2没有电流；ACI1有电流 ， ACI2有电流 ， 从逻辑上就无法判断应急时应该起动哪个泵 ， 从现场安全考虑 ， 设定闭合KM4 ， 起动主泵 。
如果市电时备泵运行 ， ACI2有数值 ， 当断电后 ， 主泵下端ACI2将减小与消失 ， 如果 ， 此时再进行主、备运行水泵的辨识 ， 将产生错误判断 。 所以 ， 控制系统中 ， 程序主、备运行水泵的辨识间隔时间应该大于市电断电判断时间 ， 在断电判断后 ， 通过程序跳转 ， 避免再次进行主、备运行水泵的辨识 ， 直至市电恢复再次判断 。
3.2 主流程设计
整个动力负载应急电源系统内部设有了电池检测监控及保护电路 ， 可实时监测处于长期备用状态下的蓄电池出现的各种异常并及时报警 ， 以便及时维护 。 此外还设计有输出分路检测电路 ， 可实时监测各输出分路出现的开路与短路故障 。 系统具有历史故障记录、液晶汉字显示和远程在线实时监控功能 ， 主程序控制流程图如图4所示 。
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图4 主控制程序流程图
系统设计中 ， 为安全与方便地实现凝水泵从应急运转过程切换到市电供电运转过程 ， 增设手动停止和系统复位两个按键 ， 通过软件控制KM3、KM4、KM5、KM6和变频电源 ， 实现水泵供电的安全切换 。
4 结论
经过技术设计和制造 ， 10万吨甲醇工程冷凝水泵应急电源顺利完工 ， 经过现场调试使用完全满足现场设备要求 。
（编自《电气技术》 ， 原文标题为“185kW一用一备冷凝水泵应急电源的设计与实现” ， 作者为刘晖、李多山 。 ）


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