Zasilanie awaryjne w odległych lokalizacjach

Źródło: Pixabay/John R Perry

Wiele osób kojarzy zasilacze awaryjne UPS (Uninterruptible Power Supplies) z dużymi i hałaśliwymi urządzeniami, ukrytymi w klimatyzowanych pomieszczeniach, gdzie utrzymuje się odpowiednią temperaturę otoczenia i pracy tych układów.

A jednak niektóre jednostki są zaprojektowane do zabezpieczania zasilania w aplikacjach wrażliwych na takie warunki otoczenia, które wymagają zasilaczy awaryjnych pracujących ze 100-procentową niezawodnością w szerokich zakresach temperatur.

Technologia UPS online – czyli z podwójną konwersją napięcia poprzez ciągłą regenerację napięcia wyjściowego AC – zapewnia najwyższy poziom kondycjonowania i zabezpieczania zasilania. Jest idealna do wykorzystania jako połączenie kondycjonera sieciowego o wysokich parametrach i akumulatorowego systemu zasilania awaryjnego. Zasilacz typu UPS online, stosowany w klimatyzowanym pomieszczeniu, w zakresie temperatur 040°C (32104°F), powinien spełniać niezbędne wymagania temperaturowe, ponieważ większość dostępnych modeli testuje się dla jeszcze szerszego przedziału temperatur – czynią to jednostki certyfikacyjne, takie jak działające w Stanach Zjednoczonych Underwriters Laboratories (UL).

Dzieje się tak zresztą nie przypadkiem, bowiem zasilacze UPS rzeczywiście muszą niekiedy pracować w lokalizacjach, w których temperatury zmieniają się w granicach od 30 do 65°C (od 22 do 149°F). Przykładem jest zasilanie awaryjne działające na odległych polach naftowych, polach gazowych i przy rurociągach.

Pamiętajmy, że zwykle zasilacz UPS instaluje się w obudowie o odpowiednim stopniu ochrony typu NEMA, umieszczonej na zewnątrz i wyposażonej w niewielką klimatyzację lub zabezpieczenie wnętrza – a i to nie zawsze. Tymczasem w aplikacjach dla przemysłu naftowego i gazowego wymagania dotyczące zasilania awaryjnego są sprawą zasadniczą. Układy te bowiem zapewniają niezbędne zasilanie dla systemów SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition – systemów informatycznych nadzorujących przebieg procesów technologicznych lub produkcyjnych) oraz do wzbudzania zaworów sterujących, po zaniku zasilania z sieci energetycznej.

UPS utrzymuje przepływ paliw

Węglowodory w głowicy odwiertu znajdują się pod bardzo wysokim ciśnieniem. Aby kontrolować przepływ ropy i gazu, w głowicy tej zainstalowany jest zawór z napędem elektrycznym (Motor Operated Valve – MOV), sterowany przez system SCADA. Sterowanie tym zaworem jest sprawą kluczową, ponieważ zawsze musi on być zabezpieczony w położeniu zamkniętym, gdy SCADA wykrywa nieprawidłowości w głowicy odwiertu. Z powodu odległych lokalizacji wielu głowic zasilanie pochodzi albo z lokalnej sieci energetycznej, albo z własnego generatora znajdującego się w danej lokalizacji. Zaniki zasilania nie należą do rzadkości i mogą doprowadzić do tego, że zawór MOV pozostanie w położeniu otwartym, co spowoduje niekontrolowany przepływ węglowodorów. Skutkiem tego będzie konieczność poniesienia dodatkowych kosztów usunięcia rozlanej ropy i oczyszczenia instalacji lub nawet wymiany głowicy odwiertu. Aby zabezpieczyć się przed tym problemem, powszechnie stosuje się w takich instalacjach przemysłowe, wysokotemperaturowe zasilacze UPS, włączone do systemu SCADA i układu sterowania zaworem MOV.

Poza sterowaniem wspomnianym zaworem system SCADA monitoruje ciśnienie w głowicy odwiertu, steruje oddzielaniem lokalnych wód gruntowych od ropy naftowej, monitoruje poziomy w różnych zbiornikach oraz zbiera niezbędne dane z różnych czujników na polu naftowym/gazowym. Za pomocą stacji bazowej – komórkowej lub bezprzewodowej – nieprzerwanie przesyła w czasie rzeczywistym dane dotyczące statusu pola do centrali monitorującej. Zasilanie awaryjne UPS jest w tej sytuacji kluczowe dla utrzymywania komunikacji systemów SCADA podczas zaniku zasilania z sieci energetycznej.

Bezpieczeństwo przede wszystkim

Źródło: Emerson Process Control

W aplikacjach związanych z obsługą rurociągów kontrola jakości wyrobu jest sprawą nadrzędnej wagi. Zdalny monitoring i sterowanie przepływem na całej długości rurociągu są kluczowe dla zapewnienia dostaw produktu na czas i zapobiegania uszkodzeniom rurociągu. System SCADA obsługuje zdalny monitoring i sterowanie w tego typu aplikacjach. Wszędzie tam wymagane jest niezawodne zasilanie awaryjne, umożliwiające ciągły zdalny monitoring i zasilanie zaworów, w celu ustawienia danej sekcji rurociągu w stanie bezpiecznym aż do powrotu zasilania z sieci energetycznej.

Nawet jeśli UPS jest zainstalowany wewnątrz obudowy odpornej na warunki atmosferyczne zgodnie z klasyfikacją NEMA, to zakres temperatur pracy większości zasilaczy UPS podaje się we wspomnianych granicach 040°C. Większość tych zasilaczy została zaprojektowana do użytku wewnątrz pomieszczeń, w otoczeniu o regulowanej temperaturze. Ponadto w jednostkach certyfikujących poddano je testom na działanie w temperaturach deklarowanych przez producentów i otrzymały one certyfikaty ETL lub UL dla użytkowania w temperaturach ponad deklarowane zakresy.

Jako część procedury testowej jednostki certyfikującej podczas pracy zasilacza UPS sprawdzane są zakresy temperatur pracy kluczowych podzespołów elektronicznych, wyświetlaczy, tworzyw sztucznych, materiałów płytek drukowanych, materiałów izolacyjnych, magnesów i akumulatorów – pod względem zgodności z danymi deklarowanymi przez producenta zasilacza. Zasilacz UPS przeznaczony do niezawodnej pracy na polu naftowym musi mieć konstrukcję trwałą i wysoce odporną na uszkodzenia oraz zmienne parametry pracy.

Większość produktów UPS o mocy znamionowej poniżej 10 kVA wykorzystuje jako źródło energii do zasilania awaryjnego szczelne akumulatory ołowiowo–kwasowe, z regulacją zaworów. Zakres temperatur roboczych akumulatora wykorzystywanego w zasilaczu UPS o temperaturowym zakresie znamionowym 040°C powinien się mieścić w następującym przedziale:

-> tryb wyładowania: 1550°C

-> tryb doładowania: 1540°C

-> przechowywanie: 1540°C

-> tworzywo sztuczne akumulatora: maks. 60°C

Typowy zakres temperatur na polu naftowym może wynosić od 30 do 60°C. Deklarowane przez producenta „widełki” nie są więc wystarczające dla zapewnienia niezawodnego działania w aplikacjach, w których temperatura otoczenia zmienia się od 30 do 65°C. Ponadto producent akumulatora otrzymuje od jednostki certyfikującej dokument potwierdzający prawidłowe działanie akumulatora w tych samych zakresach temperatur.

Dla zasilacza UPS mogącego pracować w szerokim zakresie temperatur, odpowiedniego do działania na polu naftowym, zakres minimum powinien wynosić od 30 do 60°C. Wymaga to użycia droższych akumulatorów o szerszym zakresie temperatur pracy, które zwykle nie są instalowane w większości dostępnych w handlu produktów UPS.

Dla aplikacji, których zakres temperatur pracy mieści się w zakresie temperatur pracy akumulatora, należy wziąć pod uwagę wpływ podwyższonych temperatur zarówno na żywotność akumulatora, jak i szybkość samorozładowania. Producenci akumulatorów zwykle deklarują ich oczekiwaną żywotność dla temperatury 25°C, czyli przeciętnej temperatury w domu, biurze czy serwerowni. Przyjmując, że akumulator przez cały czas eksploatacji znajduje się w otoczeniu o temperaturze 25°C, jego oczekiwana żywotność wynosi pięć lat. Jednak, jeżeli w tym samym okresie pracuje on w otoczeniu o temperaturze 50°C, to żywotność ulega zmniejszeniu do okresu krótszego niż rok. Ciepło w bardzo dużym stopniu skraca działanie większości akumulatorów – z powodu przyspieszenia zachodzących w nich reakcji chemicznych.

Dla pracy w otoczeniu o zakresie temperatur od 30 do 60°C muszą być wzięte pod uwagę także parametry innych podzespołów zasilacza UPS, aby zapewnić, że również zakres temperatur ich pracy mieści się w granicach podanych dla całego urządzenia. A zatem temperatury podzespołów muszą być zweryfikowane podczas pracy zasilacza UPS w warunkach zarówno pełnego obciążenia, jak i bez obciążenia. W następnej kolejności trzeba wykonać testy niezawodności w deklarowanym zakresie temperatur pracy, aby zweryfikować długotrwałą niezawodność zasilacza UPS.

W zależności od miejsca zainstalowania zasilacza UPS, przed jego wysyłką do odbiorcy może się okazać konieczne uwzględnienie przez producenta innych danych dotyczących środowiska pracy urządzenia. Jeżeli zasilacz ma być zainstalowany w obudowie o stopniu ochrony NEMA 3R, to dane, takie jak punkt rosy, wilgotność, zasolenie powietrza lub możliwość dostania się do wnętrza np. mrówek, mogą spowodować konieczność naniesienia odpowiednich powłok zabezpieczających na płytki drukowane i podzespoły elektroniczne.

Wysokotemperaturowy zasilacz UPS powinien także zostać poddany testom w deklarowanym przez producenta zakresie temperatur pracy od 30 do 60°C przez jednostkę certyfikującą (taką jak wspomniany UL) i otrzymać odpowiedni certyfikat. Urządzenia UPS wysłane do laboratoriów UL są testowane według normy UL1778, dotyczącej zasilaczy awaryjnych. Gdy zasilacz UPS ma być zainstalowany wewnątrz przemysłowego panelu sterowania, wówczas certyfikat na zgodność z UL1778 może nie być wystarczający. Przemysłowe panele sterowania i całe zainstalowane wewnątrz wyposażenie podlegają normie UL508. Tak więc zasilacz UPS powinien mieć wówczas dodatkowo certyfikat UL508, aby uniknąć problemów związanych z niezgodnością z normami.

Rada dla inżynierów

Nigdy nie należy stosować zasilacza UPS, który ze względu na dane znamionowe nie jest odpowiedni do pracy w otoczeniu o wysokiej temperaturze lub nie gwarantuje niezawodności działania w planowanym miejscu instalacji. Wobec trudnych warunków środowiskowych należy zawsze wybierać taki model, który został dla nich właśnie zaprojektowany i ma odpowiedni znak jednostki certyfikującej.

Autor: Michael A. Stout jest wiceprezesem do spraw technicznych w firmie Falcon Electric.

Tekst pochodzi z dodatku “ENEGIA 2016”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.