660V 动力应急电源系统(MEPS)在低密度聚乙烯装置上的应用

[摘要] 动力应急电源系统(MEPS)具有智能判断和先进控制功能，对应急电源的变频启动、应急启动、直流母线投切、变频运行等监控均由主控单元完成。系统不经过中间环节直接与应急电机电源线相接，在网电正常情况下由网电供电，在网电不正常（过高、过低、失电）时由蓄电池组逆变输出，保证压缩机系统安全、可靠和不间断运行。 关键词：动力应急电源 、主控单元 、直流母线 1 工艺概况 循环气压缩机是 100 万吨/年乙烯线性低密度装置聚合反应的核心设备，一旦停车，将造成整个低密度聚乙烯装置停车，损失难以估量。循环气体压缩机系统由循环气体压缩机、主电机 MM、应急电机 EM、联锁控制与保护系统组成。主电机 MM 功率为 4900kW额定电压为10kV，同轴连接 710kW 额定电压为660V小功率应急电机 EM。主电机 MM 与应急电机EM中问有离合器联结。 正常情况下由主电机 MM 驱动循环气体压缩机运转，离合器处于分离状态，循环气压缩机以主机为动力在近3000r/min转速下满载运转。当网电异常引起联锁保护时，主机高压断路器跳间，主电机 MM由于惯性缓慢减低转速。动力应急电源系统（MEPS）的主控单元收到主机高压断路器跳闸信号后，立即启动应急电机 EM 的变频器，变频器根据预先设置好的控制模式输出，使应急电机在3.5s内上升到1500r/min，主电机和应急电机在此转速下使离合器耦合，系统稳定在1500r/min 运行。此时应急电机的电源来自后备蓄电池的直流电源，保证应急电机运行15min。当网电恢复时，主电机得电升速，主电机与应急电机的离合器分离，最后分别在 3000、1500r/min上运行，再经程序延时后，应急电机停机。工艺与动力应急电源(MEPS)系统连接示意图如图1所示   图1工艺与动力应急电源连接示意图 2 MEPS 系统功能 根据工艺要求， MEPS 系统能采取及时、有效、安全的应急措施。针对工艺工况及操作要求。正常情况下，主电机MM驱动压缩机运转，在主电机失电时，压缩机转速开始下降，需要快速启动应急电机(恒转矩变频启动)，在3.5s内达到额定转速，并确保在压缩机传动轴转速下降至应急有机额定转速时能通过离合器与应急电机转矩可靠软连接。此时压缩机系统由蓄电池供电，应急电机EM实现网电失电保持运行15Min。 3 MEPS系统组成 MEFS系统由整流逆变单元、主控系统、蓄电池单元、辅助放电单元、辅助电源系统组成。MEPS 系统图如图2所示。 图2 MEPS系统图 （1） 整流逆变单元 整流逆变单元包括整流变压器和ABB工业传动ACS880系列变频器。变压器采用油浸式全密闭三圈变压器，容量为1000kVA。变频器整流部分采系 12 脉冲整流，容量为900kW，输出电压为AC660V。 (2)主控系统 主控系统采用PLC为核心的中央控制系统、数据采集单元和人机交互界面。PLC是整个MEPS系统的主控单元，综合监视全系统的各模块工作状态，管理全系绕的所有信息。数据采集模块使用霍尔传感器采集基本电量，包括：直流每组蓄电池电压、充电器浮充电压 、蓄电池总电压、三相交流电压、充放电电流，蓄电池环境温度、功率器件工作温度等模拟量。PLC 主要完成继电器控制，应急启动信号，充放电启动信号、显示与报警信号、联锁保护信号 、保护性放电信号等。主控系统的人机界面采用12英寸液晶显示整个MEPS系统的动态系统图。运行动态、各种开关量状态、测量值、报警信息、事件信息。MEPS装置主控系统与DCS系统的连接均为无源干接点，并通过RS-485运信口MEPS系统的各种信息上传给监控系统。 (3)蓄电池单元 该单元包括电池组、蓄电池充放电控制模块、电池管理/监控模块，电池采用荷贝克全密封免维护铅酸蓄电池，单节电池容量为200A•h。电池分为2组，每组76节。蓄电出充放电模块由电源优化组合子模块、恒流恒压充电子模块、放电控制子模块组成。电源优化组合模块可在线调整直流母线电压、浮充电源电压，在恒流恒压充电子模块的协调配合下，以小纹纹恒流、恒压和浮充模式对蓄电池进行合理有效的充电控制，并能进行温度补偿。放电控制子模块完成应急放电功能。电池管理/监控块采用蓄电池单体在线巡检仪对蓄电池组及单节电池电压、内阻、温度进行实时监测及报警。 (4)辅助放电单元 辅助放电单元也称保护性智能型放电单元，在智能监控系统的控制下，根据实际情况以放电设备为载体提供放电回路，一方面实现对电池浅放电的自动维护，延长电池寿命；另一方面监管系统的备用状态，定期检查系统功能是否正常。 (5)辅助电源系统 MEPS配套2个UPS电源，采用1+1冗于方式运行，保证辅助电源的可靠。MEPS系统内部的DC24V电源均为UPS电源经过AC/DC24V电源模块转换而来，保证系统控制电源可靠及不间断。 4 MEPS 系统输入/输出控制原理 MEPS 系统在压缩机主电机运行正常时一直处于热备备用状态。配套MEPS系统的专用三圈变压器提供AC660V交流电源， ABB变频器采用12脉冲整流单元，经整流模块整流滤波后的中间直流母线电压为DC 930V。而变频器逆变单元处于热备用状态，没有电压输出。 充电回路AC380V电源引自低压开关柜， 当网电异常时，主电机失电，DCS发送应急电机启动命令，MEPS的主控系统立即响应、断开电池充电回路接触器；并且触发静态无触点开关导通，由电池组向系统供电，启动信号同时传递给ABB变频器。ABB变频器启动，输出AC 660V，并按照预先设定好的控制模式恒转矩变频启动应急电机，在3.5s内逆变器输出达到额定转速1500r/min。 5 系统关键点 5.1 整流与逆变环 为了提高 MEPS 系统运行的可靠性，系统选用 ABB的ACS880工业传动变频器。该变频器专为工业应用设计，特别适用于工业过程控制领域，具备结构紧凑、内置谐波抑制、宽电压频率等特点。MEPS系统的核心问题为直流母线接触系统、直流母线电压等级、应急电机控制方式。考虑大容量蓄电池与直流母线接通、分断特性，采用2 500A大功率静态无触点开关作为接触元件。直流母线电压等级对输出电源电压稳定性影响极为重要，在蓄电池单体开路电压为13.5～13.8V时，为输出交流660V变频电源，选用76只蓄电池构成的串联电池组为直流母线供电，即电池组开路电压为1030V，保证应急运行时输出电压正常。在主控板的智能控制下，整流模块和逆变模块可保持安全、高效的工作状态。 5.2 蓄电池管理技术 MEPS系统中间直流电压比较高，充放电工作模式切换无规律可循。该系统采用初充（电池馈电严重时）恒流、间充（电量至85%~90%时）恒压、浮充高压（高于电池串联额定电压）间歇的三阶段自动调整的充电方式，自动跟踪电源、蓄电池和环境状况，优化充电方式，实时在线调整充电曲线，从而对蓄电池进行有效而安全的充电。维护性定期浅放电技术能够对蓄电池进行防极化和防板结处理，这一功能对延长电池寿命，减少重复投资至关重要。 6 结束语 目前，UPS电源、EPS电源 都只发挥了电源不间断的作用，对外不参与监控、联动、连锁、管理及配电等，不提供动力电源、变频电源，带载率和抗冲击能力较差。而 MEPS 作为变频器加蓄电池型的在线式应急电源系统，应用电力电子技术、智能控制技术、智能充电技术、精密霍尔传感器件对蓄电池电压、直流母线电压、充电电流进行采集，实现蓄电池充电管理与控制；同时应用功率电子技术实现充电、应急、变频运行等状态的无触点切换，保证了负载设备长期、连续、全自动运行。 参考文献 [1]李方园。 变频器自动化工程实践[M]北京：电子工业出版社，2007 [2]贺益康，潘再平.电力电子技术[M 北京：科学出版社，2004 [3]吴忠智，吴加林,变頻器应用手册[M] 北京：机械工业出版社，2004 [4]肖朋生，张文，王建辉。变频器及其控制技术[M]北京：机械工业出版社，2008 [5]张润和,，等。 电力电子技术与应用[M]北京：北京大学出版社，2008