Zapoznaj się z urządzeniami, projektem systemu oraz procedurami konserwacji, które mają wpływ na systemy gwarantowanego zasilania odbiorów krytycznych.
Chociaż niezawodność układów zasilania gwarantowanego jest ważna dla każdego obiektu, to jednak cecha ta jest szczególnie ważna dla obiektów o znaczeniu strategicznym, takich jak: szpitale, instytucje przetwarzania danych, obiekty telekomunikacyjne, obiekty rządowe oraz zakłady uzdatniania i oczyszczania wody. Dodatkowo liczne przedsiębiorstwa zdają się na układy niezawodnego zasilania w celu zachowania ciągłości pracy i ograniczenia utraty pieniędzy z powodu przerw w dostawach prądu z zakładów energetycznych.
Aby zwiększyć niezawodność, kierownictwo firmy musi zrozumieć i przemyśleć kluczowe czynniki, które mają wpływ na specyfikację, instalację oraz konserwację układu zasilania gwarantowanego. Czynniki te można podzielić na cztery kategorie:
- projekt układu zasilania gwarantowanego i jakość wykonania,
- dobór parametrów agregatu prądotwórczego i projekt układu zasilania,
- odbiór i szkolenie obsługi,
- konserwacja i badania okresowe.
Co oznacza „niezawodność”?
Towarzystwo Niezawodności z Instytutu Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) tak definiuje niezawodność: Jest to dziedzina projektowania, która wykorzystuje wiedzę naukową by zapewnić, że dany produkt będzie wykonywał swoją zamierzoną funkcję, w wymaganym czasie i określonym środowisku. Do tego zalicza się także projektowanie umożliwiające konserwację, testowanie oraz utrzymywanie produktu przez cały okres jego eksploatacji.
W dużym stopniu niezawodność może być zaprojektowana w generatorach prądotwórczych, przełącznikach, rozdzielnicy i układach sterowania w celu zwiększenia prawdopodobieństwa bezawaryjnej pracy tych urządzeń. Oczywiście druga część definicji odnosi się do konserwacji, testowania i utrzymania – wszystkie czynności, które muszą być wykonane jako część całego planu zwiększania niezawodności.
Dla organizacji, w których istnieje ryzyko utraty życia lub poniesienia dużych strat finansowych z powodu awarii układu zasilania gwarantowanego, rozważnym krokiem byłoby zainwestowanie dodatkowych środków w celu osiągnięcia większego stopnia niezawodności. W praktyce oznacza to na przykład zaprojektowanie redundancji N+1 w układzie zasilania zakładu, agregatach prądotwórczych i systemach UPS. Chociaż takie podejście do projektowania z dodatkową redundancją jest początkowo droższe, to w zamian otrzymujemy poprawę niezawodności i dostępności zasilania. Redundancja N+1 umożliwia także okresową konserwację wyposażenia bez wpływu na dostępność systemu zasilania awaryjnego.
Rzeczywiste pomiary gotowości do pracy systemów zasilania w aplikacjach składowania danych o znaczeniu krytycznym wahały się od 99,67% do ponad 99,99% wg badań z 2006 r. wykonanych przez Uptime Institute. Najwyższy współczynnik dostępności otrzymały systemy z redundancją N+1. Aczkolwiek Uptime Institute zauważył w swoim badaniu, że rzeczywista dostępność była poniżej spodziewanej wartości „Pięć dziewiątek” (99,999%), oczekiwanej przez wiele systemów o krytycznych wymaganiach co do niezawodności.
Każda organizacja musi określić poziom niezawodności, na jaki może sobie pozwolić, lub odwrotnie – poziom tolerowanego ryzyka. Chociaż zwiększony wydatek na redundancję w celu eliminacji możliwych punktów wystąpienia awarii prowadzi do zwiększenia niezawodności, to jednocześnie zwiększa się również złożoność układów. Może to wówczas przynieść odwrotny skutek i prowadzić do osłabienia niezawodności. Po określeniu, jaki poziom niezawodności może być akceptowalny i możliwy do zakupienia, firma musi dokonać wyboru wyposażenia i jego dostawcy.
Projekt układu zasilania gwarantowanego
Silniki
Silniki Diesla są jednymi z najbardziej niezawodnych źródeł napędowych, jakie kiedykolwiek zostały zaprojektowane, i jednocześnie są najczęściej wybierane do układów zasilania awaryjnego. Dla największej niezawodności należy szukać układów zasilania z silnikami, które na tabliczce znamionowej alternatora mają zapisaną rezerwową moc maksymalną (kW) oraz niskie średnie ciśnienie użyteczne (BMEP – brake mean effective pressure). Norma ISO 8528-5 identyfikuje większe pojemności skokowe silników i niższe BMEP, jako kluczowe czynniki możliwości niezawodnych agregatów prądotwórczych podczas przyjmowania obciążenia bez nadmiernego spadku napięcia wyjściowego i częstotliwości. Producenci silników różnią się w podejściu do zgodności z normą ISO 8528-5. Dlatego też, kiedy w aplikacjach o zwiększonych wymaganiach co do niezawodności wymagana jest jedynie akceptacja obciążenia, wtedy należy wybrać producenta, który może dostarczyć silnik napędowy generatora z największą pojemnością skokową i najniższym średnim ciśnieniem użytecznym w stosunku do mocy na tabliczce znamionowej.
Alternatory
Jako jeden z ważniejszych komponentów w systemie zasilania gwarantowanego, zdolność alternatora do zasilania swojego obciążenia (kVA) i zapobiegania uszkodzeniom od stanów nieustalonych to podstawa niezawodności systemów zasilania. Podczas gdy widący producenci wykorzystują standardowe schematy zabezpieczeń alternatorów, to bardziej nowoczesne mikroprocesorowe układy regulacji podnoszą poziom zabezpieczenia przed stanami nieustalonymi na wyższy poziom.
Typ wybranego alternatora zależy nie tylko od wielkości zasilanego obciążenia, ale także od typu tego obciążenia. Czynniki, które należy wziąć pod uwagę podczas specyfikowania alternatorów do najbardziej niezawodnych systemów zasilania, są następujące: przyrost temperatury, odporność na uszkodzenia, zagadnienia reaktancji (szczególnie z dużymi, nieliniowymi obciążeniami takimi jak systemu UPS) oraz duże silniki. W celu ograniczenia odkształcenia napięcia i potencjalnej niestabilności systemu spowodowanej przez nieliniowe odbiory, reaktancja przejściowa wstępna powinna zostać ograniczona maksymalnie do poziomu 12%.
Dobór systemu zasilania gwarantowanego i projekt systemu
Właściwy dobór agregatu prądotwórczego dla danej aplikacji ma zasadniczy wpływ na niezawodność systemu zasilania. Jeśli nie wszystkie odbiory krytyczne są odpowiednio zasilane w ciągu 10 s, tak jak to jest wymagane przez NFPA 110, wówczas układ niezawodnego zasilania nie może być uważany za niezawodny dla zastosowań o zwiększonej niezawodności. Podczas planowania kolejnych etapów należy skontaktować się z producentem agregatów prądotwórczych, aby upewnić się, że układ będzie w stanie zapewnić właściwe zasilanie oczekiwanego odbioru nieliniowego.
Opcje projektowe, takie jak redundancja N+1 generatora, dobór przełączników, układ sterowania i warunki otoczenia, odgrywają ogromną rolę w podnoszeniu niezawodności.
Projekt systemu N+1
Uptime Institute opracował klasyfikację zwaną Tier Classification I-IV w celu opisania topologii projektu systemów zasilania gwarantowanego wykorzystywanych w aplikacjach składowania danych o znaczeniu krytycznym. Topologia Tier I (rys. 1) pokazuje projekt systemu zasilania bez redundancji – typowy dla większości rynkowych instalacji systemów zasilania gwarantowanego. Schemat ten prowdzi praktycznie do około 99,67% dostępności zasilania rocznie.
Rysunek 2 pokazuje topologię Tier IV, która jest zalecana dla aplikacji składowania danych o znaczeniu krytycznym z największą potrzebą dostępności zasilania. Od systemów z redundancją N+1 w zasilaniu zakładu, generatorami zasilania gwarantowanego i systemami UPS oczekuje się 99,99% pewności zasilania.
Systemy zasilania rezerwowego z wieloma układami zasilania (tworzącymi układy równoległe lub zasilającymi własne obciążenia) poprawiają niezawodność, ponieważ schemat zwiększa prawdopodobieństwo tego, że większość generatorów zasilania rezerwowego uruchomi się i będzie pracować w zamierzony sposób. W układach z równoległą redundancją z reguły wszystkie generatory uruchamiają się w chwili wystąpienia zaniku zasilania w sieci energetycznej. Przy prawidłowej konfiguracji rozdzielnicy dodatkowy agregat prądotwórczy przerwie pracę po upływie nastawionego czasu, jeśli wszystkie pozostałe agregaty uruchomią się i będą pracować normalnie.
Przełączniki
Wybór przełącznika zależy od rodzaju obciążeń. Wybierając właściwy tryb pracy (otwarty, zamknięty lub programowany) dla danej aplikacji, przełącznik może przejść długą drogę, żeby zmniejszyć oddziaływanie załączanego obciążenia na układ agregatu prądotwórczego.
Systemy sterowania
Układy sterowania znajdują się wśród najszybciej rozwijających się komponentów systemów zasilania. Zarówno systemy analogowe, jak i systemy cyfrowe oferują wysoką niezawodność. Możliwość monitorowania systemów elektronicznych zwiększa niezawodność całego systemu poprzez identyfikowanie zdarzeń, mogących powodować problemy.
Warunki otoczenia
Podczas projektowania i instalowania systemu zasilania gwarantowanego należy wziąć pod uwagę środowisko pracy. Systemy zasilania w regionach przybrzeżnych prawdopodobnie wymagają częstszych konserwacji i przeglądów z powodu większej ilości soli w powietrzu. Podobnie wysokość i temperatury są ważnymi czynnikami podczas specyfikacji i projektowania systemu, które mogą wpłynąć na parametry układu zasilania gwarantowanego.
Odbiór systemu i szkolenie
Celem odbioru jest sprawdzenie, czy wszystkie komponenty systemu zasilania funkcjonują tak, jak zostały zaprojektowane na wypadek przerwy w dostawie prądu. Układ zasilania rezerwowego musi zacząć pracować i zasilić odbiory, a także muszą zostać sprawdzone i zweryfikowane wszystkie funkcje alarmowe. Jeśli system nie funkcjonuje poprawnie, należy wówczas podjąć środki zaradcze.
Odpowiednie przeszkolenie obsługi jest kluczowe dla systemów niezawodnego zasilania, ponieważ ludzkie błędy lub zaniedbania są przyczyną większości awarii systemów zasilania. Personel musi zostać zaznajomiony ze wszystkimi komponentami systemu, warunkami alarmowymi oraz procedurami obsługi i konserwacji. Częste powtarzanie szkoleń jest również potrzebne dla pewności, że obsługa utrzymuje historię pracy systemu zasilania. Należy skonsultować się z producentem agregatu prądotwórczego o możliwościach szkoleń dla klientów.
Utrzymanie i testowanie
Gdy układ zasilania został już odpowiednio zaprojektowany i odebrany, najważniejszym czynnikiem dla jego długiej niezawodności jest regularna konserwacja i testowanie. Profilaktyczne utrzymanie układów zasilania powinno zawierać następujące operacje:
- oględziny,
- wymiany oleju,
- serwis systemu chłodzenia,
- serwis układu paliwowego,
- testowanie akumulatorów rozruchowych,
- regularne testowanie silnika pod obciążeniem.
Również okresowe testowanie jest wymagane w aplikacjach o podwyższonych wymaganiach co do niezawodności. Najlepiej jest przetestować układ w warunkach rzeczywistego obciążenia zakładu po wystąpieniu awarii. Testowanie przy rzeczywistym obciążeniu zakładu może czasami powodować ryzyko krótkich przerw w zasilaniu podczas przełączania, w zależności od typu rozdzielnicy i systemu sterowania. Z tego powodu wiele firm przeprowadza testowanie przy pełnym obciążeniu tylko kilka razy w roku.
Działanie układu awaryjnego zasilania bez obciążenia może negatywnie wpłynąć na jego długoterminową niezawodność, jeśli generator nie jest w stanie uzyskać temperatury spalin ok. 340°C zanim skończy się test. Bardzo ważną sprawą jest to, aby zarówno silnik, jak i generator osiągnęły tę minimalną temperaturę pracy po to, by pozbyć się jakiejkolwiek zgromadzonej wilgoci, która mogła skondensować się w systemie. Przy dużym obciążeniu silniki Diesla dochodzą do temperatury pracy w ciągu kilku minut.
Większość producentów zaleca, aby testować układy generatorowe okresowo, przy co najmniej 30% obciążenia znamionowego po to, aby w ten sposób zapobiec gromadzeniu się wilgoci i paliwa w układzie wydechowym. Jeżeli w praktyce testowanie z rzeczywistym obciążeniem obiektu nie jest możliwe, wówczas w początkowym etapie projektowania systemu należy rozważyć zastosowanie zainstalowanych na stałe układów obciążenia lub należy podpisać kontrakt z profesjonalnym serwisem, który może przywieźć przenośne odbiorniki do prawidłowego obciążania generatora podczas przeprowadzania testów. Dodatkowo do wymogów zapisywania nastaw i warunków testowania NFPA 110 wymaga cotygodniowych oględzin i comiesięcznych testów pracy generatora przy minimalnym 30% obciążeniu w ciągu 30 minut lub do chwili osiągnięcia przez silnik stałej temperatury pracy.
Co najmniej raz w roku wszystkie obiekty powinny przećwiczyć system zasilania rezerwowego w warunkach rzeczywistego obciążenia obiektu i przy pełnych warunkach zagrożenia, aby sprawdzić, czy system wystartuje, będzie pracował i przyjmie obciążenie znamionowe. NFPA 110 określa coroczny test przy pełnym obciążeniu w sposób ciągły w czasie dwóch godzin. Ponieważ zatkane filtry paliwa i zabrudzenie paliwa należą do czołowych przyczyn awarii systemu zasilania, praca okresowa i odświeżanie paliwa jest ważnym krokiem w zapewnieniu niezawodności całego systemu.
Ostatnie przepisy dotyczące jakości powietrza, które zostały wprowadzone na południowym wybrzeżu Kalifornii, wprowadzają restrykcje związane z niektórymi układami generatorowymi, aby pracowały nie dłużej niż 30 minut na miesiąc. Przepisy te mogą wpłynąć na długoterminową niezawodność układów zasilania gwarantowanego poprzez zredukowanie częstotliwości testowania układów zasilania i możliwe uszkodzenia generatorów poprzez uniemożliwienie im osiągnięcia minimalnej temperatury pracy. W takich przypadkach należy skonsultować się z producentem układu zasilania w celu ustalenia procedur testowania.
Dauffenbach jest specjalistą do spraw szkoleń z zakresu układów zasilania gwarantowanego w fabryce MTU Onsite Energy. Ma w sumie 32 lata doświadczenia na rynku układów generatorowych, z czego 26 lat zajmował się techniką układów generatorowych.
Autor: Michael Dauffenbach
