在產(chǎn)老油田火氣系統(tǒng)電源柜適應(yīng)性改造升級措施

谷現(xiàn)偉，婁本祥

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

火氣系統(tǒng)(F＆G System)是石油化工等行業(yè)的重要安全保障設(shè)施之一，對可靠性要求非常高，一旦系統(tǒng)失效會導(dǎo)致操作人員喪失現(xiàn)場火情與可燃性氣體泄漏情況的監(jiān)控能力，后果非常嚴(yán)重。海上油田是一個(gè)相對封閉的環(huán)境，人員和設(shè)備集中，一旦發(fā)生事故，若無法及時(shí)響應(yīng)和正確應(yīng)對，將會引發(fā)覆滅性的后果。因此，火氣系統(tǒng)的可靠性十分重要。然而，近幾年伴隨著石油價(jià)格的持續(xù)低迷，國家發(fā)展中對石油和天然氣供應(yīng)有著保供、穩(wěn)供的強(qiáng)烈要求，尋找一條經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性同時(shí)兼顧安全性的設(shè)備適應(yīng)性升級改造措施，對海上油田的安全生產(chǎn)就具有十分重要的意義。

1 海上油田火氣系統(tǒng)

1.1 火氣系統(tǒng)的定義

火氣系統(tǒng)是海上平臺針對火災(zāi)和氣體探測的安全管理設(shè)備，通過現(xiàn)場火氣探頭(UV/IR探頭、GAS探頭、H2S探頭、H2探頭、煙探頭、熱探頭、易熔塞等)連續(xù)在線監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)有毒、可燃?xì)怏w泄漏、火災(zāi)事故，采取相應(yīng)措施來控制火災(zāi)和氣體泄漏的進(jìn)一步蔓延，并根據(jù)現(xiàn)場情況啟動相應(yīng)的報(bào)警和消防設(shè)備，從而控制災(zāi)難的發(fā)生，以最大限度保障人員和設(shè)備安全，避免環(huán)境污染[1-3]。

1.2 火氣系統(tǒng)的組成

火氣系統(tǒng)由中央控制設(shè)備、獨(dú)立供電設(shè)備、現(xiàn)場探測/報(bào)警設(shè)備組成，通過冗余的安全網(wǎng)絡(luò)，與ESD(緊急關(guān)斷系統(tǒng))進(jìn)行通訊，火氣系統(tǒng)配備有冗余以太網(wǎng)接口，連接至控制系統(tǒng)的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與過程控制系統(tǒng)相互通訊。

2 某海上老油田火氣系統(tǒng)電源柜存在的缺陷

目前海上平臺中控系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家比較多，大體上有GE、霍尼韋爾、艾默生、橫河、ABB等廠家。各個(gè)廠家的系統(tǒng)之間供電方式是不同的，目前較為穩(wěn)妥的方式是采用變壓-整流方式和高頻開關(guān)電源方式并聯(lián)使用。而某海上老油田采用的GE公司的FGS系統(tǒng)，供電方式設(shè)計(jì)使用的是單一供電模式，即只有一路變壓-整流供電柜為系統(tǒng)供電。

雖然變壓-整流模式的技術(shù)成熟可靠，但是隨著使用年限的延長，元器件逐步老化，難免會出現(xiàn)問題。同時(shí)，變壓-整流供電方式本身也存在一定的缺點(diǎn)。渤海某海上油田采用的就是這種模式的電源供電方式(圖1)，就曾經(jīng)多次發(fā)生供電柜的低電壓故障，該系統(tǒng)所使用的變壓整流供電方式存在以下缺點(diǎn)：

圖1 火氣電源柜升級改造單線圖

首先，變壓-整流供電柜本身的備件冗余度不夠，采用單回路供電，僅滿足SIL2標(biāo)準(zhǔn)，可靠性較低。且此種類型電源柜在使用一定時(shí)間后，會出現(xiàn)電容擊穿和瞬間低壓的故障，沒有故障規(guī)律。

第二，變壓-整流供電方式電能轉(zhuǎn)換效率低，發(fā)熱量大。從現(xiàn)場實(shí)際測量來看，變壓-整流供電柜的電能轉(zhuǎn)換效率低于30%，而與之相比較的高頻開關(guān)式電源電能轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到90%左右。轉(zhuǎn)換效率低造成設(shè)備的無效負(fù)荷增加，電能以熱能和電磁波等方式散發(fā)到外界，長期高溫運(yùn)行引發(fā)各電子元件的壽命降低，易造成元器件擊穿及火災(zāi)事故。

第三，供電柜設(shè)計(jì)有缺陷，缺少必要的通風(fēng)散熱設(shè)備。對于變壓器、電容、二極管等主要發(fā)熱元件沒有任何強(qiáng)制散熱措施，僅僅靠元件本身散熱片進(jìn)行散熱。這種設(shè)計(jì)風(fēng)格嚴(yán)重依賴元件本身的質(zhì)量，對可能發(fā)生的過熱問題考慮不足。

第四，備件更換困難。從各平臺供電柜故障問題來看，一旦供電柜內(nèi)部元器件損壞或出現(xiàn)故障時(shí)，只能對供電柜做停機(jī)處理，難以實(shí)現(xiàn)備件的在線更換和維修，增加了現(xiàn)場停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)和維修人員的壓力。

3 升級改造的思路及可行性分析

3.1 升級改造的思路與方案

第一種思路，鑒于火氣系統(tǒng)電源柜的重要性，油田考慮對火氣系統(tǒng)進(jìn)行整體更換。更換后將系統(tǒng)安全度等級由SIL2提升到SIL3，保證日常運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定。但該思路存在3個(gè)重要弊端：

(1)控制室空間有限，無法安裝更大體積的柜體；

(2)設(shè)備整體更換費(fèi)用昂貴，將產(chǎn)生較高費(fèi)用；

(3)設(shè)備整體更換耗時(shí)較長，需要油田長時(shí)間停產(chǎn)配合更換，影響油田產(chǎn)量。

第二種思路，進(jìn)行適應(yīng)生升級改造。該思路通過以下6點(diǎn)來解決其存在問題：

(1)設(shè)計(jì)并增加冗余的UPS電源，包括二極管，穩(wěn)壓電源，電池組等組成；

(2)定期進(jìn)行熱成像檢查，對溫度過高的元器件進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注；

(3)加強(qiáng)對柜內(nèi)元器件運(yùn)行狀態(tài)的觀察，例如電容是否鼓包、漏液，電阻外觀及接線狀態(tài)；

(4)每3年對柜內(nèi)蓄電池進(jìn)行強(qiáng)制更換，確保蓄電池運(yùn)行穩(wěn)定；

(5)采購常用備件，如電容、電阻及保險(xiǎn)等；

(6)升級更換全新架構(gòu)設(shè)計(jì)雙路冗余UPS控制器，從本質(zhì)上提高設(shè)備可靠性。

3.2 思路對比與可行性分析

鑒于思路一的改造措施違背了現(xiàn)場處理問題的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性原則，且超出了現(xiàn)場解決能力，無法及時(shí)有效的進(jìn)行落實(shí)，故思路一無法通過。而思路二中的做法值得我們進(jìn)行論證。

按照現(xiàn)場要求，需要做到以下3個(gè)方面：

(1)設(shè)計(jì)并選擇冗余的UPS電源，包括二極管，穩(wěn)壓電源，電池組等組成，為節(jié)約空間，將其模塊化。傳統(tǒng)的UPS電源、二極管、穩(wěn)壓電源、電池組等體積較大，老油田中控空間有限，更換完成后需要考慮空間問題。經(jīng)過多方考察、咨詢、論證，采取WEIMULER公司的模塊化設(shè)計(jì)二極管、穩(wěn)壓電源、電池組占用體積較小，可以滿足現(xiàn)場空間需求；

(2)更換全新架構(gòu)雙路冗余UPS。新電源UPS柜可采用兩路電源冗余輸入，根據(jù)現(xiàn)場功率計(jì)算，現(xiàn)場需要功率是1 942.44 W，現(xiàn)場可以選用4組40 A的UPS電源電路并聯(lián)，蓄電池一路采用4組24 V的電路(圖1)，滿足功率需求的情況下，還留有一定的余量。這樣，當(dāng)任何一路電源出現(xiàn)故障都不會影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。此外，在線路上增加在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)電壓、電流、功率情況，并將其上傳至上位機(jī)，方便值班人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)電源問題；

(3)選擇開關(guān)穩(wěn)壓電源，保證電流穩(wěn)定輸出的同時(shí)，避免因火氣系統(tǒng)故障造成電網(wǎng)的沖擊，引發(fā)次生故障。開關(guān)穩(wěn)壓電源是一種電壓轉(zhuǎn)換電源電路，由變壓器和一個(gè)充當(dāng)“開和關(guān)”功能的晶體管串聯(lián)于電路中，直流電經(jīng)過晶體管的“開和關(guān)”狀態(tài)，在電路上形成脈沖電壓，這個(gè)脈沖電壓在變壓器的磁芯上面形成瞬間變化的磁場，然后在同一磁場里的另一個(gè)線圈上就感應(yīng)出了脈沖電壓，這個(gè)脈沖電壓經(jīng)過整流和濾波就形成了輸出的直流電壓了，穩(wěn)壓部分是由輸出電壓提供信號控制晶體管的開關(guān)時(shí)間及幅度，達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的[4]。采用開關(guān)穩(wěn)壓電源高效節(jié)能，適應(yīng)海上變化能力強(qiáng)，體積小，重量輕，能夠有效滿足現(xiàn)場需求。

4 電源柜適應(yīng)性升級改造及使用效果驗(yàn)證

4.1 電源柜適應(yīng)性升級改造

電源柜采用兩路電源冗余輸出設(shè)計(jì)，任何一路電源出現(xiàn)故障都不會影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。每路電源都采用4套小型供電系統(tǒng)并聯(lián)供電，在某一套供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)可以斷掉該套供電系統(tǒng)進(jìn)行檢修，不影響其他供電系統(tǒng)正常運(yùn)行。電源柜采用兩路交流供電，轉(zhuǎn)換為2路直流電源相互冗余，給火氣系統(tǒng)供電，第一路電源采用4個(gè)40 A直流模塊單獨(dú)給UPS模塊供電，UPS模塊通過二極管模塊輸出給系統(tǒng)供電，UPS可以給電池充電，在外部電源斷電時(shí)電池經(jīng)過UPS放電保證設(shè)備正常運(yùn)行。第二路電源采用4個(gè)40 A直流模塊通過二極管模塊輸出給系統(tǒng)供電。

改造應(yīng)采用兩路電源冗余輸入，任何一路電源發(fā)生故障都不能影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。改造后的UPS應(yīng)有電源運(yùn)行狀態(tài)指示燈和電源報(bào)警出點(diǎn)，報(bào)警觸點(diǎn)接入中控PKS系統(tǒng)，便于平臺監(jiān)控電源系統(tǒng)運(yùn)行狀況，且電源UPS應(yīng)選擇模塊化組件，便于后期維護(hù)與檢修更換。

4.2 改造效果驗(yàn)證及分析

火氣系統(tǒng)電源柜升級后，由單一回路供電模式升級為雙回路供電，單供電回路結(jié)構(gòu)由單一的變壓—整流模式升級為4組開關(guān)式電源并聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)，最大電流輸出能力提高100%，電池充電功率下降50%，且能夠?qū)崿F(xiàn)元器件故障后在線更換，電源柜整體冗余能力與可靠性均實(shí)現(xiàn)大幅提升，具體性能對比如表1所示。

表1 改造前后性能參數(shù)對比

改造完成后，經(jīng)過一年的使用，火氣系統(tǒng)電源柜充放電正常，電壓、電流穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)想的效果。

5 結(jié)語

此次適應(yīng)性升級改造，保障油田火氣系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)，排除了油田的一項(xiàng)較大的隱患。它還使生產(chǎn)運(yùn)營維護(hù)人員認(rèn)識到，在進(jìn)行維保的過程中，通過部分適應(yīng)性升級改造來代替整體更換的思路是可行的。此項(xiàng)改造同樣適用于其他火氣電源柜的電源供電回路，如舉一反三推廣到了具有類似問題的其他油田裝置，可為后期新投產(chǎn)的項(xiàng)目火氣電源柜的采用提供參考經(jīng)驗(yàn)[3]。