天然氣輸氣站場(chǎng)站控系統(tǒng)供電可靠性設(shè)計(jì)研究

劉朋

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026)

天然氣長(zhǎng)輸管道輸氣站場(chǎng)負(fù)責(zé)接收上游高壓來(lái)氣，并對(duì)來(lái)氣進(jìn)行過(guò)濾、計(jì)量、調(diào)壓等處理，同時(shí)為下游管道、用戶進(jìn)行連續(xù)輸氣。站場(chǎng)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)、流程控制、安全聯(lián)鎖功能的實(shí)現(xiàn)，依托于站內(nèi)的站控系統(tǒng)(SCS)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表、執(zhí)行裝置(遠(yuǎn)控閥門)等設(shè)備，其中SCS是站場(chǎng)控制功能實(shí)現(xiàn)的核心。由于控制系統(tǒng)外部供電故障，導(dǎo)致控制系統(tǒng)宕機(jī)，繼而引發(fā)正常控制流程中斷，甚至引發(fā)全站停輸?shù)那闆r時(shí)有發(fā)生[1]，這對(duì)于一些不允許中斷的供氣用戶(電廠、化工廠等)，如不能及時(shí)恢復(fù)生產(chǎn)，將可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，并使管輸公司聲譽(yù)嚴(yán)重受損。這種非緊急工況、非計(jì)劃導(dǎo)致的停車，應(yīng)極力避免，因此如何構(gòu)建安全可靠的控制系統(tǒng)供電配置，是一項(xiàng)十分重要的課題。

1 輸氣站場(chǎng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

天然氣長(zhǎng)輸管道輸氣站場(chǎng)SCS包含獨(dú)立的過(guò)程控制系統(tǒng)(PCS)和安全儀表系統(tǒng)(SIS)，PCS和SIS均采用PLC實(shí)現(xiàn)。PCS擔(dān)負(fù)著流程參數(shù)檢測(cè)、調(diào)節(jié)、流程切換控制；SIS擔(dān)負(fù)著火氣參數(shù)檢測(cè)、超壓聯(lián)鎖及緊急關(guān)斷等功能，其PLC具有不低于SIL2的安全完整性等級(jí)認(rèn)證。SCS是整個(gè)站場(chǎng)自動(dòng)化控制的核心，典型輸氣站場(chǎng)SCS的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型輸氣站SCS結(jié)構(gòu)示意

輸氣站場(chǎng)進(jìn)出站緊急關(guān)斷閥門一般采用氣液聯(lián)動(dòng)閥，通過(guò)其內(nèi)部的電磁閥控制氣路開關(guān)實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)，緊急關(guān)斷控制電磁閥的信號(hào)接入到SIS，而SIS的控制輸出為勵(lì)磁邏輯[3]，正常情況下電磁閥帶電，一旦SIS斷電，電磁閥將失去勵(lì)磁，導(dǎo)致進(jìn)出站氣液聯(lián)動(dòng)閥門關(guān)閉，全站停輸，造成下游分輸用戶和管道供氣的中斷。輸氣站SIS的PLC的CPU模塊、電源模塊、通信模塊均為冗余配置，PLC本身的可靠性可以得到有效保障，因此如何做好外部電源的可靠性，是制約SIS可靠性的關(guān)鍵。

2 SCS供電故障分析

以SCS的核心設(shè)備PLC控制柜為例，早期站場(chǎng)PLC控制柜供電設(shè)計(jì)中，通常采用1套不間斷電源設(shè)備(UPS)供電，機(jī)柜內(nèi)所有用電負(fù)荷均通過(guò)該UPS配電回路在柜內(nèi)進(jìn)行分配，UPS配電回路如圖2所示。

該方式供電回路中可能導(dǎo)致系統(tǒng)供電故障的主要原因分析如下：

1)UPS電源本身故障[4]。作為PLC控制柜唯一的供電電源，如UPS本身發(fā)生故障，將造成控制機(jī)柜斷電。

2)配電回路故障。導(dǎo)致配電回路故障的原因很多，配電回路中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的元器件(開關(guān)、防雷保護(hù)器等)故障、供電電纜故障均會(huì)導(dǎo)致配電回路故障，使PLC斷電。

3)用電設(shè)備故障。配電回路支路上的某路電源故障(短路)，均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)配電回路故障，尤其是支路上的照明、風(fēng)扇、插座等負(fù)荷，該類負(fù)載可靠性較差，容易導(dǎo)致支路短路，進(jìn)而可能引發(fā)整個(gè)UPS配電回路的短路，是造成PLC供電故障的重要原因之一。

通過(guò)以上分析，導(dǎo)致SCS供電故障的原因主要包括供電設(shè)備、配電回路設(shè)置、負(fù)載等，因此要解決SCS的供電可靠性問(wèn)題，也應(yīng)綜合考慮上述幾點(diǎn)問(wèn)題。

3 供電可靠性設(shè)計(jì)

3.1 UPS選擇及冗余方式選擇

輸氣站SCS屬于一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，因此應(yīng)選擇高可靠性的UPS設(shè)備及其冗余方式，以保障供電可靠性。UPS由整流器、逆變器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、儲(chǔ)能裝置及控制器組成，當(dāng)UPS外部輸入電源故障時(shí)，UPS在一定時(shí)間內(nèi)能夠維持負(fù)載的動(dòng)力供應(yīng)，其中轉(zhuǎn)換開關(guān)一般采用靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(STS)，其切換時(shí)間為毫秒級(jí)，可以滿足精密電子設(shè)備的連續(xù)供電需求。根據(jù)UPS電路結(jié)構(gòu)，UPS分為三種基本類型[5]： 雙變換UPS、冷備用UPS、市電交互UPS，其中雙變換UPS的原理如圖3所示。

圖2 早期站場(chǎng)PLC所用UPS配電回路示意

圖3 雙變化UPS原理示意

由于雙變換UPS的逆變器始終處于工作狀態(tài)，無(wú)轉(zhuǎn)換時(shí)間問(wèn)題，雙變換具有輸入電壓范圍寬、輸出電壓穩(wěn)定、精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此輸氣管道站場(chǎng)推薦選用雙變換UPS。

3.2 UPS冗余方式

實(shí)際應(yīng)用中，單套UPS的可靠性不可能無(wú)限高，當(dāng)UPS維護(hù)、維修時(shí)，因誤操作等原因造成UPS輸出故障的概率更高。為提高UPS的可靠性，重要的供電場(chǎng)合UPS通常采用并聯(lián)冗余、備用冗余方式[6]。

1)并聯(lián)冗余。指2套或多套UPS并聯(lián)，各單套UPS的輸出并聯(lián)連接到1套公共的輸出系統(tǒng)中。由于輸氣站場(chǎng)UPS功率一般不大，選用“1+1”并聯(lián)冗余(以下簡(jiǎn)稱并聯(lián)冗余)，通常情況下，2套UPS各帶50%負(fù)荷，當(dāng)其中1套故障時(shí)，自動(dòng)切換，另1套將承擔(dān)全部100%負(fù)荷。當(dāng)主UPS恢復(fù)時(shí)，可通過(guò)自動(dòng)或手動(dòng)的方式將負(fù)荷切換回原UPS。并聯(lián)冗余方式中輸出系統(tǒng)共用，設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮，如輸出系統(tǒng)可靠性較差，將成為并聯(lián)UPS的瓶頸。UPS并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 UPS并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)示意

2)備用冗余。由2套獨(dú)立的UPS構(gòu)成，與并聯(lián)冗余方式不同，2套UPS輸出不共用，由于沒(méi)有公共輸出系統(tǒng)的瓶頸限制，該方式的可靠性更高，但投資更大。在壓氣站、調(diào)控中心等具備獨(dú)立2路外電的場(chǎng)所，可選用該種系統(tǒng)冗余的方式。同時(shí)，如SCS各設(shè)備、部件具備雙電源模塊，雙電源模塊分別接入2套獨(dú)立的UPS輸出，將進(jìn)一步提高系統(tǒng)供電的可靠性。UPS冗余結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 UPS備用冗余結(jié)構(gòu)示意

與UPS的“1+1”并聯(lián)冗余方式相比，UPS備用冗余結(jié)構(gòu)具有各自獨(dú)立的輸出，投資相對(duì)較高，但不存在公共輸出系統(tǒng)帶來(lái)的瓶頸問(wèn)題，其可靠性比并聯(lián)冗余方式更高。

3.3 STS技術(shù)應(yīng)用

STS是UPS中特別重要的部件之一[7]，STS主要由高速可控硅、短路器、控制器構(gòu)成，切換時(shí)間短，可滿足服務(wù)器、IT、工控等電子設(shè)備不斷電的切換時(shí)間要求。根據(jù)GB/T 50823—2013《油氣田及管道工程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]要求，輸氣站場(chǎng)SCS的UPS允許瞬斷時(shí)間要求不大于4 ms。STS采用“先斷后接”的工作模式，輸入的2路電源可以同相，也可以不同相，從而大幅地提高了STS的應(yīng)用范圍。STS廣泛應(yīng)用于UPS單機(jī)中UPS輸出和旁路間切換、冗余UPS單機(jī)間切換。

由于STS的獨(dú)特性能，在輸氣站場(chǎng)SCS設(shè)計(jì)時(shí)，STS可與SCS雙電源供電設(shè)計(jì)模式相結(jié)合，構(gòu)建高可靠性的供電系統(tǒng)。

3.4 SCS雙電源供電設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，采用單套UPS時(shí)，即使UPS的可靠性已經(jīng)有了較大提高，但單電源供電方式本身存在可用性不高的固有缺陷，在輸氣站場(chǎng)中明顯不適用。為提高PLC供電的可靠性，PLC應(yīng)采用2路相互獨(dú)立電源供電，避免同時(shí)遭到破壞。在輸氣站站場(chǎng)內(nèi)，該2路電源通常可以是2路獨(dú)立的UPS輸出或1路UPS、1路非UPS(市電)；在分輸站、末站，UPS設(shè)備通常采用冗余并聯(lián)方式；在壓氣站、調(diào)控中心，UPS推薦采用備用冗余UPS方式。

3.5 SCS供電負(fù)荷分類

根據(jù)SCS內(nèi)各部分是否與監(jiān)控和安全報(bào)警直接相關(guān)，將SCS內(nèi)部負(fù)荷劃分為關(guān)鍵負(fù)荷和非關(guān)鍵負(fù)荷。關(guān)鍵負(fù)荷指SCS內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和安全報(bào)警有關(guān)的負(fù)荷，如機(jī)柜內(nèi)24 V(DC)電源、控制器、I/O、機(jī)架、通信設(shè)備的供電，服務(wù)器、操作員站、工程師站的供電；非關(guān)鍵負(fù)荷指SCS內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和安全報(bào)警無(wú)關(guān)的負(fù)荷，如照明、風(fēng)扇、空間加熱器、備用插座、打印機(jī)等[9]。

如果非關(guān)鍵負(fù)荷與關(guān)鍵負(fù)荷共用供電回路，一旦非關(guān)鍵負(fù)荷發(fā)生短路故障，將直接影響關(guān)鍵負(fù)荷的供電，因此應(yīng)將非關(guān)鍵負(fù)荷的配電回路獨(dú)立出來(lái)，且非關(guān)鍵負(fù)荷宜由普通電源供電，既可以避免非關(guān)鍵負(fù)荷故障對(duì)關(guān)鍵負(fù)荷的影響，又可以降低UPS的總負(fù)荷。

3.6 輸氣站場(chǎng)PLC系統(tǒng)可靠性供電設(shè)計(jì)

1)UPS選用“1+1”并聯(lián)冗余UPS或備用冗余UPS。在具備2路獨(dú)立外部供電的重要應(yīng)用站場(chǎng)(如壓氣站)、調(diào)控中心，推薦采用備用冗余UPS，備用冗余UPS分別接至2路獨(dú)立外部電源，進(jìn)一步提高UPS供電的可靠性。普通輸氣站、末站可采用“1+1”并聯(lián)冗余UPS，以降低投資。

2)機(jī)柜供電回路設(shè)置。機(jī)柜內(nèi)配電回路如圖6所示，配電回路設(shè)置原則如下：

a)機(jī)柜內(nèi)劃分關(guān)鍵負(fù)荷與非關(guān)鍵負(fù)荷。關(guān)鍵負(fù)荷與非關(guān)鍵負(fù)荷配電回路相互獨(dú)立，避免非關(guān)鍵負(fù)荷短路故障對(duì)關(guān)鍵負(fù)荷供電回路造成影響。

b)關(guān)鍵負(fù)荷采用雙電源輸入。根據(jù)采用的UPS的不同，采用兩種組合方式： 并聯(lián)冗余UPS與市電的組合；2套UPS做備用冗余。

c)非關(guān)鍵負(fù)荷采用市電供電。

圖6 PLC配電回路結(jié)構(gòu)示意

3)雙電源冗余模式。輸氣站場(chǎng)站控PLC關(guān)鍵負(fù)荷雙電源冗余模式有兩種： 基于STS設(shè)備實(shí)現(xiàn)雙電源冗余；PLC本身各部分支持雙電源輸入，各部分均采用雙電源接入。

a)STS實(shí)現(xiàn)雙電源冗余。該種供電模式如圖7所示，以STS設(shè)備作為雙電源切換模塊，雙電源可選擇UPS與市電組合、UPS1與UPS2組合。以UPS與市電組合為例，UPS作為主電源，市電作為備用電源，正常情況下STS選擇UPS給負(fù)載供電，當(dāng)UPS出現(xiàn)故障時(shí)，由STS自動(dòng)切換到市電，繼續(xù)給負(fù)載提供供電，當(dāng)UPS恢復(fù)后，STS可自動(dòng)切換回UPS。由于STS的切換時(shí)間約為4～8 ms，不會(huì)造成PLC的宕機(jī)。

圖7 STS實(shí)現(xiàn)雙電源冗余示意

b)PLC內(nèi)部各部件支持雙電源供電。目前，輸氣站場(chǎng)選用的PLC的CPU機(jī)架一般為冗余機(jī)架，或者單機(jī)架雙冗余或三冗余模塊，單機(jī)架時(shí)電源模塊為冗余配置；圖8所示的IO機(jī)架均配置了雙電源輸入模塊，冗余機(jī)架或冗余電源輸入模塊可以接入2路不同電源，以提高供電的可靠性。各CPU機(jī)架、冗余電源模塊、機(jī)架冗余電源輸入等結(jié)構(gòu)分別接入不同的外部輸入電源，具體配置如圖8所示。

圖8所示的配置方式，將電源冗余分散到各冗余部件中，與STS電源冗余方式相比，無(wú)共用STS部分，且PLC各部分的冗余性能可靠性均有較大保證，使供電的可靠性更高。但該配置方式實(shí)現(xiàn)的前提是PLC各部件均要支持雙電源輸入或?yàn)槿哂嗖考瑫r(shí)該配置方式需要將2路外部輸入電源的配電回路完全分開，其內(nèi)部配電比STS冗余方式復(fù)雜，尤其是對(duì)于已建系統(tǒng)需要做大量的配電回路更改，與STS方式相比工程量大，所需時(shí)間長(zhǎng)、成本高。

3.7 操作站和服務(wù)器供電

輸氣站場(chǎng)的操作站、服務(wù)器均為冗余配置，通常使用1路UPS供電回路，當(dāng)該供電回路出現(xiàn)故障時(shí)，所有操作站、服務(wù)器均斷電。在操作站、服務(wù)器斷電后，雖然站場(chǎng)仍可由PLC控制，保持繼續(xù)運(yùn)行，但斷電期間的數(shù)據(jù)卻無(wú)法保存，且操作人員無(wú)法通過(guò)人機(jī)界面了解生產(chǎn)流程的運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)出操作命令，站場(chǎng)監(jiān)控實(shí)際上處于非正常狀態(tài)，如不能及時(shí)恢復(fù)，也將對(duì)生產(chǎn)造成影響。

通常輸氣站場(chǎng)的操作站和服務(wù)器均為單電源輸入，結(jié)合外部供電條件，可使用以下方式提高供電的可靠性：

1)站內(nèi)采用冗余UPS時(shí)，使用普通市電作為第2路電源，操作站和服務(wù)器可分別采用STS作為冗余UPS和普通市電的切換裝置。

2)站內(nèi)采用備用冗余UPS時(shí)，操作站和服務(wù)器冗余設(shè)備分別接入不同的UPS中。

3)冗余設(shè)置的操作站、服務(wù)器，其中1臺(tái)可采用UPS、另1臺(tái)可采用普通市電供電。

圖8 PLC內(nèi)部各部件電源模塊配置示意

4 其他措施

除采用以上提高SCS供電可靠性的措施外，還可以從以下幾方面進(jìn)一步提高供電的可靠性：

1)關(guān)鍵控制系統(tǒng)應(yīng)采用電源直供，即供電電源不經(jīng)過(guò)供電箱二次分配，直接從母線經(jīng)開關(guān)和電纜配出，減少中間環(huán)節(jié)，從而減小發(fā)生故障的概率。如輸氣站SIS的關(guān)鍵負(fù)荷雙電源均應(yīng)采用電源直供，PCS的關(guān)鍵負(fù)荷雙電源應(yīng)至少保證UPS電源直供；同時(shí)非直供電源要盡量減少配電級(jí)數(shù)，且不應(yīng)超過(guò)三級(jí)[10]。

2)SCS外部供電回路均配置電涌保護(hù)器，尤其是跨越建筑物的供電電纜。

3)加強(qiáng)對(duì)UPS設(shè)備的維護(hù)、檢測(cè)，及時(shí)更新老化部件，提高UPS電源本身的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

天然氣輸氣站場(chǎng)SCS的供電可靠性直接決定著站場(chǎng)輸氣流程能否安全可靠的運(yùn)行，采用合理的供電方式、配電回路可極大地提高SCS的供電可靠性。由于供電配置成本和可靠性各有不同，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合工程的具體情況，選取安全可靠、性價(jià)比高的方案。