在產老油田火氣系統(tǒng)電源柜適應性改造升級措施

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)的重要安全保障設施之一，對可靠性要求非常高，一旦系統(tǒng)失效會導致操作人員喪失現(xiàn)場火情與可燃性氣體泄漏情況的監(jiān)控能力，后果非常嚴重。海上油田是一個相對封閉的環(huán)境，人員和設備集中，一旦發(fā)生事故，若無法及時響應和正確應對，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格的持續(xù)低迷，國家發(fā)展中對石油和天然氣供應有著保供、穩(wěn)供的強烈要求，尋找一條經濟性、實用性同時兼顧安全性的設備適應性升級改造措施，對海上油田的安全生產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和氣體探測的安全管理設備，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，及時發(fā)現(xiàn)有毒、可燃氣體泄漏、火災事故，采取相應措施來控制火災和氣體泄漏的進一步蔓延，并根據(jù)現(xiàn)場情況啟動相應的報警和消防設備，從而控制災難的發(fā)生，以最大限度保障人員和設備安全，避免環(huán)境污染[1-3]。

1.2 火氣系統(tǒng)的組成

火氣系統(tǒng)由中央控制設備、獨立供電設備、現(xiàn)場探測/報警設備組成，通過冗余的安全網絡，與ESD(緊急關斷系統(tǒng))進行通訊，火氣系統(tǒng)配備有冗余以太網接口，連接至控制系統(tǒng)的交換機實現(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)，供電方式設計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，變壓-整流供電方式本身也存在一定的缺點。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：

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標準，可靠性較低。且此種類型電源柜在使用一定時間后，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換效率低，發(fā)熱量大。從現(xiàn)場實際測量來看，變壓-整流供電柜的電能轉換效率低于30%，而與之相比較的高頻開關式電源電能轉換效率可以達到90%左右。轉換效率低造成設備的無效負荷增加，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事故。

第三，供電柜設計有缺陷，缺少必要的通風散熱設備。對于變壓器、電容、二極管等主要發(fā)熱元件沒有任何強制散熱措施，僅僅靠元件本身散熱片進行散熱。這種設計風格嚴重依賴元件本身的質量，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，一旦供電柜內部元器件損壞或出現(xiàn)故障時，只能對供電柜做停機處理，難以實現(xiàn)備件的在線更換和維修，增加了現(xiàn)場停機風險和維修人員的壓力。

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，保證日常運轉的穩(wěn)定。但該思路存在3個重要弊端：

(1)控制室空間有限，無法安裝更大體積的柜體；

(2)設備整體更換費用昂貴，將產生較高費用；

(3)設備整體更換耗時較長，需要油田長時間停產配合更換，影響油田產量。

第二種思路，進行適應生升級改造。該思路通過以下6點來解決其存在問題：

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

(2)定期進行熱成像檢查，對溫度過高的元器件進行重點關注；

(3)加強對柜內元器件運行狀態(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年對柜內蓄電池進行強制更換，確保蓄電池運行穩(wěn)定；

(5)采購常用備件，如電容、電阻及保險等；

(6)升級更換全新架構設計雙路冗余UPS控制器，從本質上提高設備可靠性。

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)場處理問題的經濟性和實用性原則，且超出了現(xiàn)場解決能力，無法及時有效的進行落實，故思路一無法通過。而思路二中的做法值得我們進行論證。

按照現(xiàn)場要求，需要做到以下3個方面：

(1)設計并選擇冗余的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。經過多方考察、咨詢、論證，采取WEIMULER公司的模塊化設計二極管、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，當任何一路電源出現(xiàn)故障都不會影響系統(tǒng)正常運行。此外，在線路上增加在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測電網電壓、電流、功率情況，并將其上傳至上位機，方便值班人員第一時間發(fā)現(xiàn)電源問題；

(3)選擇開關穩(wěn)壓電源，保證電流穩(wěn)定輸出的同時，避免因火氣系統(tǒng)故障造成電網的沖擊，引發(fā)次生故障。開關穩(wěn)壓電源是一種電壓轉換電源電路，由變壓器和一個充當“開和關”功能的晶體管串聯(lián)于電路中，直流電經過晶體管的“開和關”狀態(tài)，在電路上形成脈沖電壓，這個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線圈上就感應出了脈沖電壓，這個脈沖電壓經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時間及幅度，達到穩(wěn)壓輸出的目的[4]。采用開關穩(wěn)壓電源高效節(jié)能，適應海上變化能力強，體積小，重量輕，能夠有效滿足現(xiàn)場需求。

4 電源柜適應性升級改造及使用效果驗證

4.1 電源柜適應性升級改造

電源柜采用兩路電源冗余輸出設計，任何一路電源出現(xiàn)故障都不會影響系統(tǒng)正常運行。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)問題時可以斷掉該套供電系統(tǒng)進行檢修，不影響其他供電系統(tǒng)正常運行。電源柜采用兩路交流供電，轉換為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40 A直流模塊單獨給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，在外部電源斷電時電池經過UPS放電保證設備正常運行。第二路電源采用4個40 A直流模塊通過二極管模塊輸出給系統(tǒng)供電。

改造應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)的正常運行。改造后的UPS應有電源運行狀態(tài)指示燈和電源報警出點，報警觸點接入中控PKS系統(tǒng)，便于平臺監(jiān)控電源系統(tǒng)運行狀況，且電源UPS應選擇模塊化組件，便于后期維護與檢修更換。

4.2 改造效果驗證及分析

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，單供電回路結構由單一的變壓—整流模式升級為4組開關式電源并聯(lián)輸出結構，最大電流輸出能力提高100%，電池充電功率下降50%，且能夠實現(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，達到了預想的效果。

5 結語

此次適應性升級改造，保障油田火氣系統(tǒng)穩(wěn)定的同時，排除了油田的一項較大的隱患。它還使生產運營維護人員認識到，在進行維保的過程中，通過部分適應性升級改造來代替整體更換的思路是可行的。此項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，可為后期新投產的項目火氣電源柜的采用提供參考經驗[3]。