某海上油田電力系統(tǒng)優(yōu)先脫扣系統(tǒng)改造研究

昝智海

摘 要：文章針對某海上油田電力系統(tǒng)的優(yōu)先脫口的原理、現(xiàn)狀，以某海上油田優(yōu)先脫口為例，結(jié)合海上油氣田電力系統(tǒng)的實際情況，對海上油田電力系統(tǒng)的優(yōu)先脫口系統(tǒng)改造進行研究，并提出并分析某海上油田的優(yōu)先脫扣改造方案，同時可為新油田開發(fā)提供優(yōu)先脫扣設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：優(yōu)先脫扣；過電流保護；PLC；分級；卸載

中圖分類號：U674.38 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）12-0001-03

電力系統(tǒng)是現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)當(dāng)中不可或缺的重要組成部分，而電力系統(tǒng)中，“安全供電，安全生產(chǎn)”又是重中之重。優(yōu)先脫扣系統(tǒng)就是企業(yè)為了保證安全生產(chǎn)供電所專門獨立設(shè)置的一套控制系統(tǒng)。在石油化工系統(tǒng)的生產(chǎn)過程中，更能深刻體現(xiàn)出優(yōu)先脫扣系統(tǒng)的重要性。

1 優(yōu)先脫扣系統(tǒng)介紹

1.1 優(yōu)先脫扣的作用

發(fā)電機和變壓器等的主要供電設(shè)備，長期超載運行，會由于發(fā)熱大，溫升高而引起損壞。為了避免這種故障發(fā)生，如前所述設(shè)計了長延時過電流脫扣保護。例如：當(dāng)發(fā)電機負(fù)荷電流超過發(fā)電機額定值的15%～25%時，長延時過電流保護動作經(jīng)過20 s左右的延時，斷開真空斷路器停止供電，達到保護發(fā)電機的目的。

斷路器跳閘后，發(fā)電機雖然得到了保護，但電站卻停電，生產(chǎn)中斷了，這樣的電站系統(tǒng)的可靠性較低，為此設(shè)計了優(yōu)先脫扣功能。

雖然負(fù)荷管理系統(tǒng)檢測到發(fā)電機負(fù)荷超過90%額定值時，負(fù)荷管理系統(tǒng)會發(fā)出信號起動第二臺發(fā)電機，但燃?xì)廨啺l(fā)電機從起動到投入運行往往需要4～5 min，較大的過載會使第一臺發(fā)電機在20 s左右的時間內(nèi)，還等不到第二臺機組投入就跳閘停電。優(yōu)先脫扣功能又可在長延時過電流保護動作前的20 s內(nèi)，先將部分負(fù)荷卸掉，避免發(fā)電機超載，使長延時過電流保護不動作，等第二臺發(fā)電機自動投入并聯(lián)后，再投入卸掉的負(fù)荷，這種設(shè)計就可以避免電站系統(tǒng)在超載時出現(xiàn)跳閘停電的現(xiàn)象，提高了電站運行的可靠性。上述的提前卸載功能就是優(yōu)先脫扣。

1.2 優(yōu)先脫扣值的設(shè)定

優(yōu)先脫扣保護實際上也是一個長延時過電流保護，只是其設(shè)定值與長延時過電流保護設(shè)定的不同而已。

1.2.1 設(shè)定的原則

設(shè)定值必須小于長延時過電流保護的設(shè)定值。它應(yīng)先于長延時過電流保護動作，如果長延時過電流保護設(shè)定在120%的額定值，則優(yōu)先脫扣就應(yīng)設(shè)定在120%的額定值以下，可以取115%，105%，100%，95%，90%，85%……等。

主變壓器的長延時過電流保護值設(shè)定為120%的額定值，優(yōu)先脫扣雖也設(shè)定在120%，但無延時，還是可以先于過流保護動作。

1.2.2 動作時間

一般在15 s以內(nèi)完成，可以根據(jù)過載的大小和機組的運行情況，分1次或2次優(yōu)先脫扣。

2 某油田優(yōu)先脫扣系統(tǒng)目前的現(xiàn)狀和存在的問題

①此前，由于部分大功率設(shè)備停用，原電力系統(tǒng)脫扣邏輯發(fā)生變化。

②現(xiàn)增加了新設(shè)備，新增設(shè)備的負(fù)荷已經(jīng)超過脫扣后單臺發(fā)電機的負(fù)荷，所以要在優(yōu)先脫扣系統(tǒng)中加入，接回改造前原設(shè)備的脫扣回路。

③原優(yōu)先系統(tǒng)由JACOM發(fā)電機控制器和相關(guān)中間繼電器組成，其功能較簡單，控制范圍也較小。而且隨著設(shè)備和負(fù)荷的變化，原先的分組級別及邏輯需要較大的改動，這些改動都需要通過硬線變化，施工不方便且風(fēng)險較大。同時，由于油田電潛泵負(fù)荷越來越大，占透平機主體部分，如何靈活控制這部分負(fù)載，保護發(fā)電機及穩(wěn)定生產(chǎn)，對優(yōu)先脫扣系統(tǒng)改造有重要意義。

3 優(yōu)先脫扣改造

3.1 PLC控制系統(tǒng)

增加一套獨立的PLC控制系統(tǒng)，實時采集平臺的負(fù)載運行信息及發(fā)電機組運行信息，采用循環(huán)累加優(yōu)化算法，實時計算當(dāng)發(fā)生發(fā)電機故障時需要卸載的負(fù)載數(shù)量，當(dāng)發(fā)電機斷路器跳閘時立刻切除超載部分負(fù)載，改造后采用編程及設(shè)置終端控制可編程控制器，并通過遠程I/O對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。監(jiān)測、控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備運行狀態(tài)，對于系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備可以統(tǒng)一進行組態(tài)，設(shè)置各個設(shè)備的優(yōu)先級別，對實時發(fā)生的各種報警和故障作出及時的調(diào)整和變化，以保證平臺必要設(shè)備的運行，保證油田的正常生產(chǎn)。

3.2 優(yōu)先脫扣系統(tǒng)

新方案中優(yōu)先脫扣系統(tǒng)如圖1所示，由新增加的一套A-B，Control Logix 5000 PLC和Panel View Plus1000觸摸屏來控制。ControlLogix系統(tǒng)是一種框架式控制系統(tǒng)，具有最新的I/O技術(shù)。ControlLogix系統(tǒng)可以在嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下長期、穩(wěn)定地運行。ControlLogix系統(tǒng)具備良好的電磁兼容性，支持I/O模板在系統(tǒng)運行過程中進行帶電熱的插拔、交換。

Control Logix 5000 PLC可以對各機組的運行、停止、溫度等實時數(shù)據(jù)進行采集，然后再經(jīng)過一系列的運算，當(dāng)機組出現(xiàn)故障時能對負(fù)載進行合理的脫卸。

按照以上拓?fù)鋱D：

①通過編程及設(shè)置終端（IFIX）獨立通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視并控制PLC（AB的CompactlLogix），以達到監(jiān)視并控制優(yōu)先脫扣狀況，調(diào)整現(xiàn)場各設(shè)備優(yōu)先級，記錄并處理報警信息等功能。

②PLC（AB的CompactLogix的1769-L32E）作為控制器，接受編程及設(shè)置終端命令，讀取并控制現(xiàn)場設(shè)備運行。同時將讀取到的實時數(shù)據(jù)傳送給編程及設(shè)置終端。（具體邏輯關(guān)系可參考PLC程序，程序圖如圖2所示）。

③現(xiàn)場設(shè)備根據(jù)PLC命令，脫開或合上相應(yīng)負(fù)荷。

3.3 分級設(shè)置的優(yōu)點

①可以根據(jù)系統(tǒng)實際需要進行脫扣動作。

②可以在系統(tǒng)發(fā)生變化的情況下，調(diào)整各脫扣系統(tǒng)的優(yōu)先級，以更好的適應(yīng)變化后的系統(tǒng)。

③可以對各個優(yōu)先級別的設(shè)備進行負(fù)荷統(tǒng)計，在脫扣動作執(zhí)行之前，就可以提前預(yù)見到脫扣后效果。

3.4 優(yōu)先脫扣的負(fù)荷分組

優(yōu)先脫扣在過載時優(yōu)先卸掉的負(fù)荷是不太重要的負(fù)荷，其分組如下：

A組 （用于發(fā)電機優(yōu)先脫扣） 注水系統(tǒng)。

B組 吊機、空調(diào)、海水提升泵A、電伴熱、造淡機。

C組 生活模塊（不包括應(yīng)急部分）。

D組 （用于主變壓器的優(yōu)先脫扣）電潛泵。

3.5 優(yōu)先脫扣設(shè)定原則

本電站系統(tǒng)發(fā)電機的優(yōu)先脫扣設(shè)定值在負(fù)荷管理器起動另一臺發(fā)電機的設(shè)定值（90%）以上，而又在發(fā)電機的長延時過電流保護設(shè)定值（120%）以下。

3.6 本系統(tǒng)的優(yōu)先脫扣邏輯

優(yōu)先脫口系統(tǒng)硬件控制原理圖如圖3所示，優(yōu)先脫口系統(tǒng)硬件控制原理圖如圖4所示。

①如果系統(tǒng)剩下兩臺透平機帶載運行，在系統(tǒng)出現(xiàn)過載信號時，延時5 s后將實際運行負(fù)荷總量（Q1）與當(dāng)前運行機組總?cè)萘浚≦）的80%進行比較，若Q1>80%Q，則執(zhí)行1級優(yōu)先脫扣。

在執(zhí)行完1級優(yōu)先脫扣后，延時5 s后，再將此時Q1與80%Q進行比較，若Q1若仍然大于80%Q，則執(zhí)行2級優(yōu)先脫扣。

如果有發(fā)電機超溫信號，延時5S脫掉1級和2級負(fù)載，若仍然有超溫信號，延時5 s脫3級負(fù)載。

②如果系統(tǒng)只有一臺透平機帶載運行，當(dāng)透平機發(fā)生過載，若Q1>80%Q，立即脫掉1級和2級負(fù)載，在執(zhí)行完1、2級優(yōu)先脫扣后，延時5秒后，再將此時Q1與80%Q進行比較，若Q1若仍然大于80%Q，則執(zhí)行3級優(yōu)先脫扣。

如果有發(fā)電機超溫信號，延時5 s脫掉1級負(fù)載和2級負(fù)載，若仍然超溫，延時5 s脫3級負(fù)載。

③如果系統(tǒng)兩臺透平運行時，有一臺透平突然故障停機。此時立刻將Q1與Q進行比較，若Q1>80%Q，立即脫掉1級和2級負(fù)載，在執(zhí)行完1、2級優(yōu)先脫扣后，延時5 s后，再將此時Q1與80%Q進行比較，若Q1若仍然大于80%Q，則執(zhí)行3級優(yōu)先脫扣。

④如果有發(fā)電機超溫信號，延時5 s脫掉1級負(fù)載和2級負(fù)載，若仍然超溫，延時5 s脫3級負(fù)載。

經(jīng)過上述優(yōu)化后，即使在只有一臺主機運行的情況下，仍能保證部分油田不停產(chǎn)，供電系統(tǒng)的可靠性進一步提高。同時，井口平臺保持正常生產(chǎn)，避免了海管凝管的風(fēng)險。

PLC實時取樣各機組的狀態(tài)，當(dāng)有機組溫度過高（如果達到關(guān)停機組的設(shè)定值20 s內(nèi)溫度還沒有降下去，那么該機組就會關(guān)停。

所以負(fù)載的脫卸必須在十幾秒內(nèi)完成，給機組一個降溫的時間）或負(fù)荷率超過90%時，延時5 s進行一級脫扣，脫去Pre.1的負(fù)載，此時應(yīng)急機啟動帶應(yīng)急母排；若負(fù)荷率仍然超過90%或溫度高，延時10 s進行二級脫扣。為了防止有突然的波動，在PLC程序里應(yīng)該對采樣來的數(shù)據(jù)進行過濾處理。

優(yōu)先脫扣就是根據(jù)系統(tǒng)檢測到不同級別的動作電流，實現(xiàn)關(guān)斷不同組別的設(shè)備，從而由低級別關(guān)斷設(shè)備，在最大程度的保護到發(fā)電機的同時，還能保證生產(chǎn)。

3.7 編程及設(shè)置終端

目前對于優(yōu)先脫扣系統(tǒng)的脫扣條件只能在相應(yīng)的JACOM控制器進行調(diào)整，如果因為工程或者維修需要強制某些動作的話，在JACOM控制器強制動作影響范圍較大，這樣既不方便也不合理。

例如，以前因為發(fā)電機參數(shù)設(shè)置出問題導(dǎo)致起機時引起超溫脫扣，在原因不明之前，只有在脫扣控制器上摘除3臺發(fā)電機的過熱信號。

新增加編程及設(shè)置終端既便于觀察控制邏輯和條件，又可以在特殊情況下旁通脫扣條件和強制脫扣動作。

編程及設(shè)置終端畫面主要包括三部分，如圖5和圖6所示。

①現(xiàn)場設(shè)備實時狀況畫面。

②設(shè)備優(yōu)先級更改及強制畫面。

③設(shè)備優(yōu)先級列表。

4 使用效果評價

本方案利用油田原系統(tǒng)特點，通過利用潿洲電網(wǎng)有限脫扣控制方式，通過再進行軟硬件連接測試，最終完成優(yōu)先脫扣改造，實現(xiàn)改造方案。改造后，油田優(yōu)先系統(tǒng)穩(wěn)定運行，運行一年多，未出現(xiàn)因為優(yōu)先脫扣系統(tǒng)動作導(dǎo)致電力系統(tǒng)關(guān)斷、油田停產(chǎn)的情況，減少了大量的經(jīng)濟損失，一次關(guān)斷需要約2 h全面恢復(fù)電力系統(tǒng)及生產(chǎn)系統(tǒng)，以油田日產(chǎn)1 200方原油，原油價格80美元計算，年減少損失約180萬美元。

5 結(jié) 語

①改造后優(yōu)先脫扣系統(tǒng)運行情況表明，對海上油田電力系統(tǒng)的保護方案是可行的。

②可編程控制系統(tǒng)具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬁刂乒δ埽^之繼電器控制的安全可靠性有著巨大的優(yōu)勢。

③可編程控制系統(tǒng)具有強大的可擴展性，提高了現(xiàn)有系統(tǒng)的適用范圍。可編程控制系統(tǒng)保證了在今后的生產(chǎn)當(dāng)中，對于增加的設(shè)備和負(fù)荷進行及時的調(diào)整，不必大范圍更改控制部分，很快地融入到整個優(yōu)先脫扣系統(tǒng)當(dāng)中，提高了整體的生產(chǎn)效率。

④網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性提高了系統(tǒng)的通訊能力，能夠第一時間發(fā)現(xiàn)并且解決問題。

⑤能夠?qū)ΜF(xiàn)有的系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)進行顯示，并對系統(tǒng)實時脫扣狀態(tài)進行統(tǒng)計。對于設(shè)備優(yōu)先級的調(diào)整，只要在編程及設(shè)置終端上對設(shè)備進行屬性的相應(yīng)更改，就能達到目標(biāo)，更能及時的適應(yīng)系統(tǒng)的變化。

⑥中文化的人機界面不僅提高控制模式水平，體現(xiàn)現(xiàn)代化的控制理念，更方便員工的學(xué)習(xí)和使用。

參考文獻：

[1] 國家電力調(diào)度通信中心.電力系統(tǒng)繼電保護實用技術(shù)問答[M].北京：中國電力出版社，2000.