油氣站場電控一體化裝置的研發(fā)及應(yīng)用

西安長慶科技工程有限責任公司

油氣站場電控一體化裝置的研發(fā)及應(yīng)用

任曉峰 王登海 譚 濱 馮亞軍

西安長慶科技工程有限責任公司

將電氣、儀表及通信等設(shè)備集成為電控一體化裝置（以下簡稱電控橇），可進一步提高站場橇裝化水平，進一步優(yōu)化流程，簡化地面設(shè)施，全面提升裝置技術(shù)水平，有效降低建設(shè)造價和運行成本。電控橇的研發(fā)是為了取消常規(guī)配電室、控制值班室、宿舍等建（構(gòu)）筑物，實現(xiàn)站場快速、高質(zhì)量的橇裝化建設(shè)，并通過裝置的智能供電、自動控制、數(shù)據(jù)采集、智能預(yù)警、遠程緊急切斷、視頻監(jiān)控、站間通信等功能，實現(xiàn)站場無人值守、定期巡檢，在作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心統(tǒng)一遠程監(jiān)控的數(shù)字化管理。長慶首臺電控裝置于2013年11月中旬在長慶油田某集氣站安裝，實現(xiàn)了單日吊裝、次日投產(chǎn)。裝置運行滿足現(xiàn)場各種生產(chǎn)工況的要求，還縮短了安裝周期近30天，節(jié)約站占地面積30%以上。

油氣站場；一體化；橇裝化；電控橇；集成

將電氣、儀表及通信等設(shè)備集成為電控一體化裝置（以下簡稱電控橇），實現(xiàn)簡化設(shè)計、采購、安裝及調(diào)試，降低現(xiàn)場施工工作量，是解決工程新難題的好方法，也是對地面建設(shè)新模式的充實和完善。電控橇是實現(xiàn)站場建設(shè)全橇裝化、一體化的重要組成部分和數(shù)字化管理的核心裝置。油氣站場采用電控橇與工藝橇配合，可進一步提高站場橇裝化水平，優(yōu)化流程，簡化地面設(shè)施，全面提升裝置技術(shù)水平，有效降低建設(shè)造價和運行成本。

1 裝置設(shè)計思路

電控橇的研發(fā)是為了取消常規(guī)配電室、控制值班室、宿舍等建（構(gòu)）筑物，實現(xiàn)站場快速、高質(zhì)量的橇裝化建設(shè)，并通過裝置的智能供電、自動控制、數(shù)據(jù)采集、智能預(yù)警、遠程緊急切斷、視頻監(jiān)控、站間通信等功能，實現(xiàn)站場無人值守、定期巡檢，在作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心統(tǒng)一遠程監(jiān)控的數(shù)字化管理。

電控橇與工藝橇的連接方式如圖1所示。圖中：Y1～Yn為工藝裝置，DYX為電控裝置，虛線為信號與控制線，實線為電力線，雙點劃線是光信號。Y1～Yn與DYX之間通過電纜連接，橇裝工藝站場與作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心之間通過光纜連接。

圖1 橇裝站系統(tǒng)連接框圖

DYX完成工藝裝置的供電、數(shù)據(jù)采集、自動控制及連鎖保護、站場視頻信號采集與數(shù)據(jù)傳輸，并由所屬作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心通過DYX完成橇裝站的遠程監(jiān)視、報警和控制。

電控橇在研發(fā)過程中，要突破兩個觀念：一要突破專業(yè)界限，打破電氣、儀表及通信3個專業(yè)限制，按裝置功能需要，統(tǒng)籌考慮、統(tǒng)一布局，在同一平臺進行設(shè)備集成、系統(tǒng)布置、綜合布線等設(shè)計；二要突破設(shè)計界限，打破傳統(tǒng)設(shè)計思路，由工程應(yīng)用設(shè)計向設(shè)備制造設(shè)計轉(zhuǎn)變，由產(chǎn)品選型設(shè)計向設(shè)備定制設(shè)計轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)設(shè)備統(tǒng)一、功能融合。

在此基礎(chǔ)上，從集成和安全方面進行充分研究，評估裝置性能，保證裝置本體的安全和穩(wěn)定。

2 裝置設(shè)計的關(guān)鍵點

2.1 系統(tǒng)的集成

2.1.1 與工藝橇控制方式的統(tǒng)籌考慮

工藝橇的監(jiān)控有兩種方式：一是在橇本體設(shè)置控制單元完成數(shù)據(jù)采集與本地控制、數(shù)據(jù)與站場控制單元通信；二是在橇本體設(shè)置接線箱，信號傳至站場控制單元集中進行監(jiān)控。

本地控制的優(yōu)勢在于易于固化程序，方便單套裝置的使用及站場的擴建。但受限于控制設(shè)備在橇體安裝的防爆設(shè)計，同時站場一般采用多個工藝橇，不可避免要設(shè)置集中控制單元與各工藝橇控制單元通信，接收其他信號（如可燃氣體、污水罐液位等），且串口通信調(diào)試容易出問題。

集中控制的優(yōu)勢在于不受工藝橇布置控制單元的防爆設(shè)計的限制，整體成本較低；缺點是整體調(diào)試的工作量較大、擴展不易，但可通過固定預(yù)留來解決，這需要做好站場的整體規(guī)劃及標準化設(shè)計。

長慶橇裝站場的設(shè)計是在標準化場站基礎(chǔ)上發(fā)展的，具有整體規(guī)劃及標準化的優(yōu)勢，采用集中控制的原則可以節(jié)約成本，站場擴展可以通過標準化的預(yù)留來解決。因此，工藝橇的儀表自控裝置主要采用了在橇本體設(shè)置接線箱，信號傳至站場控制單元集中進行監(jiān)控的控制方式，對應(yīng)電控橇考慮全站的數(shù)據(jù)采集及控制。

2.1.2 設(shè)備的集成

在保證功能的前提下，電控裝置的設(shè)計首要考慮的是盡可能減少裝置內(nèi)的設(shè)施、縮小裝置的體積，以便于裝置的成橇和運輸。對裝置內(nèi)各單元進行高度的集成主要從以下幾個方面考慮：

（1）不同設(shè)備類型的集成。根據(jù)站場類型，3個專業(yè)設(shè)備使用14～15面機柜，優(yōu)化后集成為供配電、變頻、PLC、UPS及通信幾個單元，可減至4～7面機柜。

（2）不同電壓等級的集成。供配電單元在柱上變負荷不滿足的情況下，電控裝置要考慮整個裝置的10kV/0.4kV的集成安裝。主要采用的集成方式是按《高壓/低壓預(yù)裝式變電站(GB/T17467—2010)》標準將電控箱體設(shè)置高壓及低壓2個區(qū)。

（3）強弱電設(shè)備進行集成。根據(jù)標準化站場的UPS及通信設(shè)備的數(shù)量及體積，UPS、通信設(shè)備可集成為1個單元、1面機柜。

（4）不同廠家產(chǎn)品的集成。配電、變頻、PLC、UPS及通信設(shè)備很難由同一廠家全部生產(chǎn)，需要從性能、價格、安裝尺寸等方面平衡，并由最終的制造廠進行機柜集成，保證安裝的統(tǒng)一。

2.1.3 空間的利用

電控橇空間的高效利用一方面是為了減小體積、方便運輸，另一方面是為降低成本。電控橇撬體采用箱式結(jié)構(gòu)，分頂部、中部和基礎(chǔ)三層。

（1）頂部根據(jù)橇內(nèi)設(shè)備的不同，分為弧頂層和平頂層，設(shè)置通風、照明設(shè)施，其中弧頂采用強制通風、頂部排風，平頂設(shè)專用通風道、側(cè)面排風。

（2）中部為單元機柜布置、檢修、操作層，根據(jù)站場類型的不同，分為“L、一、П”型布局，檢修通道充分利用機柜背面的橇體開門。

（3）基礎(chǔ)層主要布線，采用槽盒并設(shè)隔板，布線槽根據(jù)機柜的布局分為底部布置或前面布置，門位置基礎(chǔ)設(shè)置內(nèi)臺階。

2.1.4 平臺的通用化

通過對全類型裝置進行相似性分析、通用性研究，按照標準、通用、精簡的原則對全系列裝置進行整合，制定統(tǒng)一制造標準，實現(xiàn)裝置的模式標準化、平臺通用化、設(shè)備模塊化。

（1）模式標準化。實現(xiàn)型式統(tǒng)一，便于設(shè)計及管理。一是統(tǒng)一模式為高壓模式與低壓模式：高壓模式適用于電加熱增壓點、注水站、聯(lián)合站；低壓模式適用于中低壓集氣站、高壓集氣站、脫水站、增壓點、接轉(zhuǎn)站、采出水回注站等。二是統(tǒng)一橇體制造標準：結(jié)構(gòu)形式分上、中、下三層，上層為頂蓋層，防雨、通風、照明，中層為設(shè)備布置、檢修維護層，下部為基礎(chǔ)電纜走線層；外觀形式遵循《油氣田地面工程視覺形象標準化設(shè)計規(guī)范》，采用汽車烤漆工藝；外觀尺寸低壓模式統(tǒng)一為4200mm× 2600mm×3020mm，高壓模式統(tǒng)一為9000mm× 2600mm×3020mm；材料選擇，底座為“工”字鋼焊接，主、附骨架采用方鋼，板材為聚氨酯防火隔溫材料，門采用專用防水轉(zhuǎn)軸鎖，大型不銹鋼合頁，防風固定閉鎖卡，雙層防沙通風窗。

（2）平臺通用化。實現(xiàn)安裝統(tǒng)一，便于訂貨及生產(chǎn)。設(shè)計三種通用平臺，統(tǒng)一各類裝置的安裝，方便提前采購和先期制造，縮短供貨周期；同時預(yù)留一定的擴展能力，滿足滾動開發(fā)后期站場調(diào)整時的需要。“П”型平臺適用于中低壓集氣站、高壓集氣站、脫水站；“一”型平臺適用于增壓點、接轉(zhuǎn)站、采出水回注站；“L”型平臺適用于增壓點（電加熱）、注水站、聯(lián)合站。

（3）設(shè)備模塊化。實現(xiàn)裝置通用，便于安裝及維護。裝置內(nèi)部各功能單元均采用模塊化設(shè)計，同功能單元做到設(shè)備外形尺寸、安裝方式均相同，同類型裝置之間可以互換。

2.2 系統(tǒng)的安全設(shè)施

2.2.1 電磁干擾防護

裝置內(nèi)部強、弱電設(shè)備高度集成，為避免電磁干擾對弱電設(shè)備造成影響，借鑒殼牌蝴蝶結(jié)分析方式，針對騷擾源、敏感設(shè)備、耦合途徑及其他干擾因素進行分析，采取多種技術(shù)措施切斷耦合途徑，防止電磁干擾影響設(shè)備正常運行。

（1）屏蔽。各單元采用3mm金屬機柜全封閉屏蔽，而非采用開放式非金屬防護布局。

（2）接地。各單元機柜設(shè)置工作接地排與保護接地排，橇內(nèi)設(shè)置總接地排，各機柜保護接地排與總接地排等電位連接，各機柜工作接地排相互連接并與總接地排等電位連接。

（3）布線。各單元之間連接線采用屏蔽電纜，強、弱電電纜在帶隔板的槽盒內(nèi)走線。

2.2.2 環(huán)境控制

為保障裝置在野外惡劣環(huán)境下的正常運行，必須設(shè)置可靠的溫度控制系統(tǒng)。裝置統(tǒng)一設(shè)置了自然通風、強制通風、輔助空調(diào)、電加熱系統(tǒng)及智能溫度控制邏輯。

（1）自然通風。由設(shè)置在正門下側(cè)及側(cè)后門上側(cè)的雙層防沙通風窗形成下進、上出的風道，并利用機柜本體的強制散熱風扇，形成對流。

（2）強制通風。由橇體頂層的風機和門板通風窗、橇外屋頂下檐通風孔形成強制對流。

（3）輔助空調(diào)及電加熱。由冷暖空調(diào)和電加熱器組成。

（4）智能溫控邏輯。在橇內(nèi)設(shè)置環(huán)境溫度傳感器，橇內(nèi)溫度超過30℃時控制單元啟動強制風機，超過40℃時啟動空調(diào)制冷；溫度0℃時啟動空調(diào)制熱，溫度降至-10℃時啟動電加熱裝置。

2.2.3 防雷防爆設(shè)計

裝置的防雷措施包括：①采取了完善裝置和各單元系統(tǒng)機柜的等電位連接方式，在保證各單元機柜接地設(shè)置的基礎(chǔ)上，橇本體設(shè)置了總接地排及四角接地螺栓，方便與站場接地裝置連接；②在總電源進線端設(shè)置一級浪涌防護器。

按油氣場所配電機柜室基礎(chǔ)不低于600mm防爆要求，電控橇的基礎(chǔ)考慮600mm高的密閉空間，一是滿足規(guī)范要求，二是方便布線。

2.2.4 絕緣防護設(shè)計

為保障裝置操作過程的安全性，裝置內(nèi)部所有帶電部分的連接均采用全密封的形式，設(shè)備內(nèi)部配電可觸摸部分均具有絕緣功能，避免在操作和運行中人員觸電危險。如外電—變壓器電纜采用肘頭電纜頭連接，變壓器—配電柜的母線置入密集型母線槽內(nèi)，配電柜—電加熱控制柜、配電柜—變頻器柜的母線采用絕緣密封護套，橇內(nèi)地面敷設(shè)絕緣橡膠墊等。

2.2.5 抗風核算

電控橇的設(shè)計采用無基礎(chǔ)安裝，僅做地基處理。由于橇使用位置地處空曠或黃土塬頂，環(huán)境風力常年在7～8級，需要驗算裝置的自穩(wěn)定性。設(shè)計按照北方地區(qū)50年一遇的大風天氣，最大風速為30m/s（國家相關(guān)標準可確定為11級風）進行抗風計算。一是計算橇與地面的摩擦力和承受的風載力，若摩擦力大于風載力，則裝置不會產(chǎn)生水平移動，否側(cè)要進行加固處理；二是計算橇的自重穩(wěn)定力矩和風載力矩，若自重穩(wěn)定力矩大于風載力矩，則裝置不會產(chǎn)生側(cè)翻，否側(cè)要進行加固處理。

2.2.6 抗震核算

設(shè)計時對電控橇的結(jié)構(gòu)強度是否能滿足使用場合一般的抗震烈度進行了驗算，主要是通過有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS，采用振型分解反應(yīng)譜分析法對電控橇的結(jié)構(gòu)進行了9度設(shè)防烈度（0.4g）和9度罕遇烈度（0.62g）兩級縱橫兩個方向地震作用下的抗震計算分析。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 應(yīng)用情況

長慶首臺電控裝置于2013年11月中旬在長慶油田某集氣站安裝，實現(xiàn)了單日吊裝、次日投產(chǎn)。經(jīng)過8個多月的現(xiàn)場測試，裝置運行平穩(wěn)，各項功能均得到有效驗證，設(shè)置的多個自控流程經(jīng)全面測試全部符合設(shè)計要求，裝置運行滿足現(xiàn)場各種生產(chǎn)工況的要求，還縮短了安裝周期近30天，節(jié)約站占地面積30%以上。

通過系列化研究，電控裝置9大類18個系列基本滿足了油氣田各類站場（如增壓點、接轉(zhuǎn)站、脫水站、采出水回注站、聯(lián)合站、注水站等）的控制要求。

3.2 應(yīng)用效果

各類電控橇比常規(guī)站場平均節(jié)約占地面積30%以上，縮短建設(shè)周期50%以上，降低工程投資10%以上，此外通過遠程終端控制實現(xiàn)了站場無人值守，節(jié)約了人力資源。電控橇裝置在油氣田規(guī)模使用后，從節(jié)約建設(shè)用地、縮短設(shè)計和建設(shè)周期、降低工程投資、減少操作人員、消除安全隱患、實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保等各個方面，均取得了顯著的效果。

4 結(jié)語

電控橇作為橇裝站場的重要組成部分，集成了電氣、儀表及通信各單元設(shè)備，實現(xiàn)了工廠組裝、聯(lián)合調(diào)試，可大大降低現(xiàn)場工作量及環(huán)境對施工的影響，有效保障了工程質(zhì)量，降低了工程投資。電控一體化裝置作為標準化設(shè)計的重大成果，是優(yōu)化工藝、優(yōu)化地面設(shè)備、減少站場層次、減少現(xiàn)場用工、節(jié)能降耗的重要載體，也是轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、創(chuàng)新油氣田管理模式的重要舉措，促進了標準化設(shè)計工作向更大范圍、更寬領(lǐng)域、更高層次的發(fā)展，具有廣泛的應(yīng)用前景。

（欄目主持關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.016