摘要
无论工厂出产的是炼油产品还是石油化工产品，对电力系统的升级和优化都会成为其提升长期竞争力及盈利能力的重要手段。
电力的可靠性、弹性和普遍可用性是美国最大的工程成就之一。来自美国能源部、美国国家电力可靠性公司（NERC）等机构的报告通常将全国的可靠性定为99.97％。尽管如此，经济学家估计，即使是0.03％的电力服务损失也会对美国经济造成每年超过1000亿美元的损失。
在炼油和石化行业，电力系统是工厂利润能力和运行效率的无名英雄。显示器上的警告信号通常被忽视，包括不良功率因数、电压波动或者谐波扰动。在这些系统趋于灾难性故障之前，它们吸引的资本投资都不足。
仪表盘上看不到的供电中断及故障会造成不成比例的经济损失，例如在工厂设施内部。在考虑到闲置的不能工作的人员以及产量损失等因素时，由于供电系统故障导致的工厂停产的成本会是非常惊人的。如果一整天没有供电，意味着利润的不同以及一整个月的损失。
在工厂附近找到了备用供电，不过它也一直很脆弱，一个单一事件就能使其断电。新的变电站和配电站可以独立连接到一路主供电以及两路后备电源上。图片来源:Burns & McDonnell
面临重要的升级
位于美国密苏里州堪萨斯城的Burns & McDonnell公司近期为一家主要的尼龙中间产品生产制造商完成了一个电力系统升级项目。这些中间产品对于高端地毯的生产是很重要的。工厂的产品还包括尼龙纤维、树脂以及其他专用产品。这家超过50年的工厂曾经是多产和盈利的，可是近年来却经历了越来越多的电力系统故障。这些问题最终达到了一次大的停电事故并发展为停产，造成的生产损失达到了数百万美元。这个事故让管理层确信是时候进行投资了。
来自于Burns & McDonnell 配电及控制（PDC）公司的团队已经在断电发生之前研究了该工厂。一项总体规划指出在未来20年内，系统需要改进以解决可靠性，安全性和维护问题。并提出了一个可以执行的行动计划。首要的是对138 千伏的主输电线进行升级，同时改善保护及故障隔离系统。
在工厂附近找到了备用供电，不过它也一直很脆弱，一个单一事件就能使其断电。主电源和后备电源都共用一根相对较短的输电线路，这条线路采用常闭型二级连接中断器工作。换句话说，尽管进入工厂的电能来自于多个供电源，它仍然有断电风险，原因就是各路供电都流经一根输电线最终进入位于工厂范围内的变电站。
138千伏的输电线被改造了。新的变电站和配电站可以独立连接到一路主供电以及两路后备电源上。同样重要的是，安装了一个冗余的光纤网络，用于连接所有的现场。增强后的网络使得每个电源在发生故障的情况下所进行的隔离和更安全的保护都可以由其各自的变电站变压器进行控制。
有了光纤网络，可以实现基于微处理器的针对电流差异的保护。额外的协调信号被发送到保护系统中，用来识别故障并减小受影响的区域。安装在138千伏供电线路上的微处理器继电器和保护设备可以实现先进的故障记录。
通过使用数据采集与监视控制（SCADA）系统，一套通讯网络就可以对工厂内的所有现场进行监控。如果发生光缆被切断或设备故障，网络流量可以通过完全冗余的光纤网络退回去。这会将恢复时间从几小时甚至几天降低到几秒钟。
项目实施的过程也揭示出了电力质量问题的原因和成本。一定要重视的是，几乎察觉不到的电源骤降会在具有高度敏感工艺参数的行业中造成严重问题。
4个重要的参数
一套电力系统的主导计划通常关注4个电力质量方面的问题:功率因数、谐波、电压波动以及断电。
功率因数是有功功率（驱动电机、点亮灯泡以及运行计算机的能量）与进入电路中的视在功率之间的比值。有功功率与视在功率之间的差值就被称为无功功率。在电气工程师计算无功功率的时候，其表现为0到1之间的数值，其中0代表着更多的无功功率，而1代表着更少的无功功率。在一个电路中，如果有更高水平的有功功率，该值接近1。
然而，尽管人们会假定最高的效率出现在没有无功功率的电路上（意味着所有的电能都在工作），仍然需要无功功率来稳定电路。其目标是在过多的无功功率（系统没效率）和过少的无功功率（系统不稳定）之间确定正确的比值点。
不良功率因数也会因为在线路上和变压器上的发热而导致设备性能退化，因此，改善功率因数（减少无功功率）在不需要过载或设备过热的情况下增加了进入工厂的功率。诸如电机和传动这种感性负载是不良功率因数的主要原因。几乎所有的生产制造企业都高度依赖电机，它们会根据生产指令启动或停止。
通过在电机上或网络上安装电容可以修正不良的功率因数。一种可行的解决方案是采用电压源转换器，可以对有不平衡负载引起的动态功率因数进行补偿。
非线性负载消耗
谐波的发生是一个非线性负载从某个相位的正常电流中吸引出一些电流所产生的波动。 几乎包括了在家里和企业里使用的所有运行在60赫兹交流电的装置在内，都可以通过从相位中牵引出电流而制造微小的畸变。在工业装置中，诸如电弧加热炉、焊机以及其他专用设备的各种非线性负载会吸引高负载并进行牵引，将功率从相位中拉出。不良的谐波会导致:
变压器过热；
断路器跳闸以及保险丝熔断；
控制设备故障；
对临近设备的干扰；
通讯干扰；
数据丢失。
电压的波动发生在功率流意外地下降或上升的时候。这些波动的发生可能会显示在仪表上也可能显示不出来。在工厂内，它们可以由电机的启动所引起。在工厂外，天气原因或者本地配电网上一个区域出现过载都可能会引起波动。
电压波动会给机电继电器造成特别的问题。一个大型工厂里可能安装了数以千计的继电器，大的电压波动可能会引起它们以级联效应跳闸。
无功功率太少会引起电压波动，总是需要留有一点余量的。无功功率控制设备通过改善功率因数而补偿电压的不稳定性。柔性交流输电系统（FACTS）设备可以成为无功功率的来源或接收点，使其保持在正确的比例范围内。FACTS是基于电压源转换器技术的，如果对于突然的负载变化，发电机或电容器组所提供的无功功率太慢的情况下，FACTS通常就可以成为很好的解决方案。
瞬时电压峰值
断电很显然是由瞬时电压峰值或浪涌引起的问题。大部分的断电都是由配电网上的问题所导致的，例如风暴和事故。然而，工厂内的接地不良、感性负载的切换、或静电放电都可能引起系统的一部分甚至是全部都会断电。
即便是小的电磁放电也会导致问题，并且常常是一台电子设备或控制盘出故障的原因。解决方案是安装一套不间断电源（UPS）来适应接入电源。传统的方法是安装一个电阻电容，在变压器内作为一个电路，可以成为一个保护层。
UPS必须要与正确的限流熔断器相匹配。在一位客户的炼油厂近期发生的事故中，一个装有10安培熔断器的UPS配电电路和上游的UPS匹配错误，导致保护装置将整个焦化装置单元都关掉了。如果没有与正确的限流熔断器匹配好，120伏的UPS配电装置可能会引起UPS电源波动，这可能会引起电压下降或者保护装置的匹配不当，最终会导致更大范围的停机。
由先进的电池技术发展而来的能源存储选项正在成为UPS的一个解决方案，特别是在数据中心，即便是微小的电力波动也是不能承受的。可以使用电池来与备用电源进行协调实现无缝切换，或者缓慢地将关键的系统停下来。许多工厂都转而使用微电网这个解决方案作为对外部供电中断的保护措施。
在石油化工厂项目上的电力质量问题通过使用智能控制替换过时的系统而得以解决。检测和解决问题也更加容易。
如何升级过时的电力系统
在石油化工厂项目上的电力质量问题通过使用更加复杂的智能控制替换过时的系统而得以解决。检测到问题更加容易，解决问题也一样简单。一旦系统受到冗余电力供应的保护，控制的优先顺序是: 1）那些需要首先启动的部分；2）那些对于健康和安全至关重要的部分。其他的升级是以长期的必要增长为目标的。
和绝大多数工业项目一样，成本是一个因素。研究的方向是节约设备库存。哪些是检修好存置备用的，或者哪些是现场不再需要的？有没有多家相关联的工厂可以使用的中央存储的可选方案？这些工厂就不需要各自的空间来存储相同的部件或设备了。维修计划要求设备一直在现场还是可以控制运输中的延迟？
思考这些类型问题的答案，可以指导工程和施工人员与工厂的运营和维护人员一起，优化每个解决方案的成本和收益。
建模及分析是非常宝贵的工具。它们可以支持设定预算和计算投资回报（ROI）的管理决策，以帮助确定升级的优先顺序。目标是证明在为整个工厂流程改进设定资本预算时，电力系统不能被忽视。无论工厂出产的是炼油产品还是石油化工产品，对电力分配系统的升级和优化都会成为其提升长期竞争力及盈利能力的重要手段。
--------- THE END ---------
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2018年5月刊《应用案例》栏目，原标题为:电力系统的自动化升级为石化企业降低成本
————本期杂志封面————