電力系統(tǒng)的自動化升級 為石化企業(yè)降低成本
發(fā)布時間：2018-05-23 來源：控制工程網(wǎng)
電力的可靠性、彈性和普遍可用性是美國最大的工程成就之一。 來自美國能源部、美國國家電力可靠性公司（NERC）等機(jī)構(gòu)的報告通常將全國的可靠性定為99.97％。盡管如此，經(jīng)濟(jì)學(xué)家估計，即使是0.03％的電力服務(wù)損失也會對美國經(jīng)濟(jì)造成每年超過1000億美元的損失。
在煉油和石化行業(yè)，電力系統(tǒng)是工廠利潤能力和運行效率的無名英雄。顯示器上的警告信號通常被忽視，包括不良功率因數(shù)、電壓波動或者諧波擾動。在這些系統(tǒng)趨于災(zāi)難性故障之前，它們吸引的資本投資都不足。
儀表盤上看不到的供電中斷及故障會造成不成比例的經(jīng)濟(jì)損失，例如在工廠設(shè)施內(nèi)部。在考慮到閑置的不能工作的人員以及產(chǎn)量損失等因素時，由于供電系統(tǒng)故障導(dǎo)致的工廠停產(chǎn)的成本會是非常驚人的。如果一整天沒有供電，意味著利潤的不同以及一整個月的損失。
在工廠附近找到了備用供電，不過它也一直很脆弱，一個單一事件就能使其斷電。新的變電站和配電站可以獨立連接到一路主供電以及兩路后備電源上。圖片來源：Burns & McDonnell
面臨重要的升級
位于美國密蘇里州堪薩斯城的Burns & McDonnell公司近期為一家主要的尼龍中間產(chǎn)品生產(chǎn)制造商完成了一個電力系統(tǒng)升級項目。這些中間產(chǎn)品對于高端地毯的生產(chǎn)是很重要的。工廠的產(chǎn)品還包括尼龍纖維、樹脂以及其他專用產(chǎn)品。這家超過50年的工廠曾經(jīng)是多產(chǎn)和盈利的，可是近年來卻經(jīng)歷了越來越多的電力系統(tǒng)故障。這些問題最終達(dá)到了一次大的停電事故并發(fā)展為停產(chǎn)，造成的生產(chǎn)損失達(dá)到了數(shù)百萬美元。這個事故讓管理層確信是時候進(jìn)行投資了。
來自于Burns & McDonnell 配電及控制（PDC）公司的團(tuán)隊已經(jīng)在斷電發(fā)生之前研究了該工廠。一項總體規(guī)劃指出在未來20年內(nèi)，系統(tǒng)需要改進(jìn)以解決可靠性，安全性和維護(hù)問題。并提出了一個可以執(zhí)行的行動計劃。首要的是對138 千伏的主輸電線進(jìn)行升級，同時改善保護(hù)及故障隔離系統(tǒng)。
在工廠附近找到了備用供電，不過它也一直很脆弱，一個單一事件就能使其斷電。主電源和后備電源都共用一根相對較短的輸電線路，這條線路采用常閉型二級連接中斷器工作。換句話說，盡管進(jìn)入工廠的電能來自于多個供電源，它仍然有斷電風(fēng)險，原因就是各路供電都流經(jīng)一根輸電線最終進(jìn)入位于工廠范圍內(nèi)的變電站。
138千伏的輸電線被改造了。新的變電站和配電站可以獨立連接到一路主供電以及兩路后備電源上。同樣重要的是，安裝了一個冗余的光纖網(wǎng)絡(luò)，用于連接所有的現(xiàn)場。增強(qiáng)后的網(wǎng)絡(luò)使得每個電源在發(fā)生故障的情況下所進(jìn)行的隔離和更安全的保護(hù)都可以由其各自的變電站變壓器進(jìn)行控制。
有了光纖網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)基于微處理器的針對電流差異的保護(hù)。額外的協(xié)調(diào)信號被發(fā)送到保護(hù)系統(tǒng)中，用來識別故障并減小受影響的區(qū)域。安裝在138千伏供電線路上的微處理器繼電器和保護(hù)設(shè)備可以實現(xiàn)先進(jìn)的故障記錄。
通過使用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)，一套通訊網(wǎng)絡(luò)就可以對工廠內(nèi)的所有現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控。如果發(fā)生光纜被切斷或設(shè)備故障，網(wǎng)絡(luò)流量可以通過完全冗余的光纖網(wǎng)絡(luò)退回去。這會將恢復(fù)時間從幾小時甚至幾天降低到幾秒鐘。
項目實施的過程也揭示出了電力質(zhì)量問題的原因和成本。一定要重視的是，幾乎察覺不到的電源驟降會在具有高度敏感工藝參數(shù)的行業(yè)中造成嚴(yán)重問題。
4個重要的參數(shù)
一套電力系統(tǒng)的主導(dǎo)計劃通常關(guān)注4個電力質(zhì)量方面的問題：功率因數(shù)、諧波、電壓波動以及斷電。
功率因數(shù)是有功功率（驅(qū)動電機(jī)、點亮燈泡以及運行計算機(jī)的能量）與進(jìn)入電路中的視在功率之間的比值。有功功率與視在功率之間的差值就被稱為無功功率。在電氣工程師計算無功功率的時候，其表現(xiàn)為0到1之間的數(shù)值，其中0代表著更多的無功功率，而1代表著更少的無功功率。在一個電路中，如果有更高水平的有功功率，該值接近1。
然而，盡管人們會假定最高的效率出現(xiàn)在沒有無功功率的電路上（意味著所有的電能都在工作），仍然需要無功功率來穩(wěn)定電路。其目標(biāo)是在過多的無功功率（系統(tǒng)沒效率）和過少的無功功率（系統(tǒng)不穩(wěn)定）之間確定正確的比值點。
不良功率因數(shù)也會因為在線路上和變壓器上的發(fā)熱而導(dǎo)致設(shè)備性能退化，因此，改善功率因數(shù)（減少無功功率）在不需要過載或設(shè)備過熱的情況下增加了進(jìn)入工廠的功率。諸如電機(jī)和傳動這種感性負(fù)載是不良功率因數(shù)的主要原因。幾乎所有的生產(chǎn)制造企業(yè)都高度依賴電機(jī)，它們會根據(jù)生產(chǎn)指令啟動或停止。
通過在電機(jī)上或網(wǎng)絡(luò)上安裝電容可以修正不良的功率因數(shù)。一種可行的解決方案是采用電壓源轉(zhuǎn)換器，可以對有不平衡負(fù)載引起的動態(tài)功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。
非線性負(fù)載消耗
諧波的發(fā)生是一個非線性負(fù)載從某個相位的正常電流中吸引出一些電流所產(chǎn)生的波動。 幾乎包括了在家里和企業(yè)里使用的所有運行在60赫茲交流電的裝置在內(nèi)，都可以通過從相位中牽引出電流而制造微小的畸變。在工業(yè)裝置中，諸如電弧加熱爐、焊機(jī)以及其他專用設(shè)備的各種非線性負(fù)載會吸引高負(fù)載并進(jìn)行牽引，將功率從相位中拉出。不良的諧波會導(dǎo)致：
●變壓器過熱；
●斷路器跳閘以及保險絲熔斷；
●控制設(shè)備故障；
●對臨近設(shè)備的干擾；
●通訊干擾；
●數(shù)據(jù)丟失。
電壓的波動發(fā)生在功率流意外地下降或上升的時候。這些波動的發(fā)生可能會顯示在儀表上也可能顯示不出來。在工廠內(nèi)，它們可以由電機(jī)的啟動所引起。在工廠外，天氣原因或者本地配電網(wǎng)上一個區(qū)域出現(xiàn)過載都可能會引起波動。
電壓波動會給機(jī)電繼電器造成特別的問題。一個大型工廠里可能安裝了數(shù)以千計的繼電器，大的電壓波動可能會引起它們以級聯(lián)效應(yīng)跳閘。
無功功率太少會引起電壓波動，總是需要留有一點余量的。無功功率控制設(shè)備通過改善功率因數(shù)而補(bǔ)償電壓的不穩(wěn)定性。柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）設(shè)備可以成為無功功率的來源或接收點，使其保持在正確的比例范圍內(nèi)。FACTS是基于電壓源轉(zhuǎn)換器技術(shù)的，如果對于突然的負(fù)載變化，發(fā)電機(jī)或電容器組所提供的無功功率太慢的情況下，F(xiàn)ACTS通常就可以成為很好的解決方案。
瞬時電壓峰值
斷電很顯然是由瞬時電壓峰值或浪涌引起的問題。大部分的斷電都是由配電網(wǎng)上的問題所導(dǎo)致的，例如風(fēng)暴和事故。然而，工廠內(nèi)的接地不良、感性負(fù)載的切換、或靜電放電都可能引起系統(tǒng)的一部分甚至是全部都會斷電。
即便是小的電磁放電也會導(dǎo)致問題，并且常常是一臺電子設(shè)備或控制盤出故障的原因。解決方案是安裝一套不間斷電源（UPS）來適應(yīng)接入電源。傳統(tǒng)的方法是安裝一個電阻電容，在變壓器內(nèi)作為一個電路，可以成為一個保護(hù)層。
UPS必須要與正確的限流熔斷器相匹配。在一位客戶的煉油廠近期發(fā)生的事故中，一個裝有10安培熔斷器的UPS配電電路和上游的UPS匹配錯誤，導(dǎo)致保護(hù)裝置將整個焦化裝置單元都關(guān)掉了。如果沒有與正確的限流熔斷器匹配好，120伏的UPS配電裝置可能會引起UPS電源波動，這可能會引起電壓下降或者保護(hù)裝置的匹配不當(dāng)，最終會導(dǎo)致更大范圍的停機(jī)。
由先進(jìn)的電池技術(shù)發(fā)展而來的能源存儲選項正在成為UPS的一個解決方案，特別是在數(shù)據(jù)中心，即便是微小的電力波動也是不能承受的。可以使用電池來與備用電源進(jìn)行協(xié)調(diào)實現(xiàn)無縫切換，或者緩慢地將關(guān)鍵的系統(tǒng)停下來。許多工廠都轉(zhuǎn)而使用微電網(wǎng)這個解決方案作為對外部供電中斷的保護(hù)措施。
在石油化工廠項目上的電力質(zhì)量問題通過使用智能控制替換過時的系統(tǒng)而得以解決。檢測和解決問題也更加容易。
如何共享電力
在石油化工廠項目上的電力質(zhì)量問題通過使用更加復(fù)雜的智能控制替換過時的系統(tǒng)而得以解決。檢測到問題更加容易，解決問題也一樣簡單。一旦系統(tǒng)受到冗余電力供應(yīng)的保護(hù)，控制的優(yōu)先順序是： 1）那些需要首先啟動的部分；2）那些對于健康和安全至關(guān)重要的部分。其他的升級是以長期的必要增長為目標(biāo)的。
和絕大多數(shù)工業(yè)項目一樣，成本是一個因素。研究的方向是節(jié)約設(shè)備庫存。哪些是檢修好存置備用的，或者哪些是現(xiàn)場不再需要的？有沒有多家相關(guān)聯(lián)的工廠可以使用的中央存儲的可選方案？這些工廠就不需要各自的空間來存儲相同的部件或設(shè)備了。維修計劃要求設(shè)備一直在現(xiàn)場還是可以控制運輸中的延遲？
思考這些類型問題的答案，可以指導(dǎo)工程和施工人員與工廠的運營和維護(hù)人員一起，優(yōu)化每個解決方案的成本和收益。
建模及分析是非常寶貴的工具。它們可以支持設(shè)定預(yù)算和計算投資回報（ROI）的管理決策，以幫助確定升級的優(yōu)先順序。目標(biāo)是證明在為整個工廠流程改進(jìn)設(shè)定資本預(yù)算時，電力系統(tǒng)不能被忽視。無論工廠出產(chǎn)的是煉油產(chǎn)品還是石油化工產(chǎn)品，對電力分配系統(tǒng)的升級和優(yōu)化都會成為其提升長期競爭力及盈利能力的重要手段。（作者：Mike Zakar）