石油化工儀表系統(tǒng)供電方式改進與應(yīng)用

任玉超

（山東華魯恒升集團德化設(shè)計研究有限公司，山東 德州 253000）

石油化工生產(chǎn)處于高溫高壓的環(huán)境中，而且生產(chǎn)過程也有易燃易爆的特點，因此對生產(chǎn)自動化水平有很高的要求，自動化系統(tǒng)必須具備高精度的控制能力，以及能對生產(chǎn)情況做出正確反應(yīng)，儀表在其中發(fā)揮了巨大的作用。為了進一步保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，還需要為儀表提供穩(wěn)定的供電系統(tǒng)，避免供電系統(tǒng)的安全隱患，提升石化系統(tǒng)的安全性。

1 石油化工電氣儀表供電系統(tǒng)的特點

儀器設(shè)備數(shù)量多、種類多，是石油化工企業(yè)在發(fā)展過程中的一個重要特點，如溫度測量儀器、壓力傳感器、液位測量儀器和分析儀器等。這些儀器在設(shè)計過程中具有非常精確的特性，在應(yīng)用過程中往往需要配備合適的集中操作站或工程師站，以確保儀器的高效使用。

在石化企業(yè)的正常生產(chǎn)過程中，常用的兩種控制系統(tǒng)是儀表測控系統(tǒng)和分布式控制器?？刂葡到y(tǒng)、220V 交流電源、電控閥等儀表在使用過程中必須進行全面管理，確保儀表等設(shè)備正常高效運行。但由于石化產(chǎn)品生產(chǎn)所用儀器設(shè)備的特性差異，具有電力系統(tǒng)應(yīng)用的特殊性，這些電力系統(tǒng)的主要特點如下：

1.1 DCS 分散控制系統(tǒng)

DCS 指控制功能分散、風險分散、操作顯示集中，是通過分布式構(gòu)成的智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，即利用計算機技術(shù)對整個制造流程實施的集中監(jiān)控、運行、集中管理和分散控制。作為一個縱向分層和橫向分散的大規(guī)模工業(yè)綜合管理系統(tǒng)，它以多級計算機網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過把布置在全廠區(qū)域內(nèi)的不同部門控制裝置的數(shù)據(jù)處理裝置聯(lián)系在一起，以完成各部門信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享的協(xié)同工作，并共同完成監(jiān)控、管理和決策的功能?，F(xiàn)階段，DCS 分散控制系統(tǒng)也是石油化工生產(chǎn)中極為重要的儀表設(shè)備控制系統(tǒng)，在石油化工生產(chǎn)中處在核心位置。為了對儀表穩(wěn)定供電，確保該系統(tǒng)運行的可靠性，該系統(tǒng)并不使用供電穩(wěn)定性不足的單回路供電，而是會在儀表內(nèi)設(shè)置雙回路不同電源供電的方式[1]。通過在儀表設(shè)備內(nèi)部建立起雙回路冗余電源，極大程度提升了儀表供電的連續(xù)性，其中一路斷電后儀表仍然可以穩(wěn)定運行，為儀表的安全穩(wěn)定創(chuàng)造了良好條件。

1.2 SIS 儀表安全監(jiān)控系統(tǒng)

SIS 的全稱是工業(yè)生產(chǎn)安全儀表控制器，它通過對工業(yè)生產(chǎn)裝置或設(shè)備中可能存在的危險性加以緊急措施，并對日益改變的工業(yè)環(huán)境狀態(tài)進行及時反映，使其進入一個預定含義的安全停車工況，以便于把風險和損失降到最低程度，進而有效保障工業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備、環(huán)境和人員安全。

目前，SIS 系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在石化等流程的工業(yè)領(lǐng)域，是生產(chǎn)企業(yè)自動控制中的主要部分。在石油化工電氣儀表供電系統(tǒng)中SIS 儀表安全監(jiān)控系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)采取相同的供電方式，也是用雙回路冗余電源配置，還配備雙電源調(diào)整設(shè)備，在運行期間可以靈活調(diào)整，從而保障供電的穩(wěn)定性[2]。

1.3 聯(lián)鎖運轉(zhuǎn)現(xiàn)場的監(jiān)測儀表雙回路供電

由于石化生產(chǎn)過程中電源可能會出現(xiàn)暫時性波動，雖然對溫度表、變壓器等影響并不是很大，但是對聯(lián)鎖運轉(zhuǎn)現(xiàn)場的監(jiān)測儀表卻會產(chǎn)生非常大的波動，比如軸位移、振動信號等波動就比較明顯，之后會導致聯(lián)鎖控制系統(tǒng)出現(xiàn)拒動或者勿動的情況。為了保證相關(guān)儀表信號采集保持穩(wěn)定，提升信號的有效性，和儀表相關(guān)的電源一般都設(shè)置雙電源并聯(lián)式供電，最大程度保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。

2 影響石油石化儀表供電穩(wěn)定運行的因素

2.1 操作問題

目前石油化工生產(chǎn)過程中使用的儀表都有精密復雜的內(nèi)部構(gòu)造，操作人員必須具備足夠的知識和經(jīng)驗，才能對各種情況及時采取措施，保證儀表的穩(wěn)定供電。但是在實際應(yīng)用中，一些員工并不具備足夠的能力，或者由于日常管理問題導致員工的操作意識比較差，工作態(tài)度相對懶散，所以在出現(xiàn)突發(fā)故障時難以進行有效的處理。由于工作人員水平問題，導致在生產(chǎn)期間容易出現(xiàn)安全事故[3]。

2.2 設(shè)備因素

儀表在運行過程中容易因為各種因素的作用出現(xiàn)故障，包括測量引線被儀器儀表介質(zhì)阻礙、儀器儀表長時間運行之后出現(xiàn)老化、儀表溫度過高等，在這些情況出現(xiàn)之后會阻礙儀表運行，并造成嚴重的數(shù)據(jù)偏差，甚至可能出現(xiàn)火災(zāi)和爆炸。

另外，DCS、SIS和PLC采用兩路或三路的供電方式，具體包括不間斷電源（UPS）與市電不同結(jié)合形式的電源方式。UPSI+UPS2 的電源方式，對系統(tǒng)中機柜照明、啟動系統(tǒng)中風扇都需要啟動UPS 電源，但其對UPS 電源質(zhì)量有嚴格的要求。UPS+市電的電源方式，能保證二路電源基本需要，并能保證設(shè)備穩(wěn)定性，但一些特殊儀器一旦與UPS 或市電源發(fā)生故障，就會直接影響設(shè)備穩(wěn)定性，從而出現(xiàn)嚴重的安全隱患。

3 儀表供電系統(tǒng)改進

3.1 儀表系統(tǒng)供電改進設(shè)計規(guī)范

國家對石油化工裝置的具體要求，即在滿足安全環(huán)保、經(jīng)濟效益的前提下，對儀表供電系統(tǒng)加以改進，使得裝置少受供電系統(tǒng)的影響。使用UPS+GPS 電源方式，可以滿足兩路供電需要并且能提升供電穩(wěn)定性，但是一些特殊的儀表如果出現(xiàn)UPS 或者GPS 故障，也會影響儀表的穩(wěn)定性。在滿足石油化工裝置要求、環(huán)境保護、經(jīng)濟效益的情況下，對儀表供電系統(tǒng)的改進應(yīng)該確保裝置能減少供電系統(tǒng)不穩(wěn)定因素的影響。對于重要的控制系統(tǒng)，都要有儲存剩余電流功能，保證供電過程中兩路電源都能被滿足。對于供電方式不同的電表，報警信號需要引至DCS、SIS、PLC 記錄，以及加強對日常電路的檢查工作。

3.2 UPS 并聯(lián)/串聯(lián)

UPS 串聯(lián)中，一臺主機輸出供儀表系統(tǒng)供電，另一臺備用設(shè)備輸出作為主機備用電源供電。使用串聯(lián)工作方式，主機可以一直給儀表系統(tǒng)供電，在正常情況下，備機會始終保持備用狀態(tài)，不利于備機電池組放電，會導致備用電池組的壽命縮短，容易出現(xiàn)主機出現(xiàn)故障，備用機組不能備用的情況，會導致儀表嚴重受損。使用UPS 并聯(lián)時，兩臺UPS 會同時對儀表負載供電，每臺UPS 負責一般的負荷，如果一臺UPS 出現(xiàn)故障，另一臺UPS 需要給儀表系統(tǒng)提供100%的負載供電。通過這種供電方式，能保證UPS 始終保持良好的工作狀態(tài)，而且在任意一臺UPS 出現(xiàn)故障后，儀表系統(tǒng)的供電也不會中斷。但是并聯(lián)的成本比較高，而且要保證UPS 輸出頻率一致，所以在選擇供電方式時，應(yīng)結(jié)合儀表的重要性進行選擇[4]。

3.3 對UPS 增加外硬旁路

在不間斷供電的使用流程中，是為解決不間斷電源問題而設(shè)定的，將蓄電池組和主機相連接，并利用主機逆變器等模塊電路將市直流電轉(zhuǎn)換成直流電的系統(tǒng)裝置，它必備的四個部分：整流電路、逆變器、電池、旁路。而大電流模塊則是指在一個系統(tǒng)的正常過程中，有一個檢查和考核的機制，其ByPass Mode 正是在檢查和考核的機制中出現(xiàn)異常，而無法在短時間內(nèi)完全消除時，使整個系統(tǒng)的作業(yè)能繞過這種檢查和考核機制，使整個系統(tǒng)工作可以繼續(xù)正常執(zhí)行的作業(yè)模塊。在UPS 的外側(cè)增加外硬旁路開關(guān)能增加UPS 系統(tǒng)的靈活性，如果UPS 出現(xiàn)軟故障，需要外移處理時，可以將其切換至電子旁路供電，然后合上旁路開關(guān)，之后斷開UPS 輸出開關(guān)，對UPS 可以進行外移處理。整個調(diào)整過程中，系統(tǒng)能保持供電不中斷。如果UPS 系統(tǒng)出現(xiàn)了燒崩等嚴重故障，可以將UPS 輸出開關(guān)斷開，合上旁路開關(guān)，可以縮短儀表的失電時間，控制損失最低，并且通過增加旁路開關(guān)，也能方便UPS 的維修工作，對系統(tǒng)進行更為有效的檢測，分析系統(tǒng)運行狀況。

4 石油化工儀表系統(tǒng)供電改進策略

4.1 提升電源的總體安全性和可靠性

保證電源的安全可靠性對提升安全性和可靠性有著決定性的作用，在選擇電源時，應(yīng)該選擇具有穩(wěn)定性能、高質(zhì)量的電源，尤其應(yīng)該選擇10kVA 以上的電源，保證在生產(chǎn)過程中可以對各種自動化儀表提供足夠的電力支撐。為了進一步達到優(yōu)化供電的目的，還應(yīng)該優(yōu)化城市供電、UPS 供電系統(tǒng)，保證并行供電效果。電廠還需要核算熔斷斷路器容量，保證電源和斷路器之間協(xié)調(diào)配合，確保供電系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

4.2 優(yōu)化雙回路儀表供電系統(tǒng)

對于DCS 分散控制系統(tǒng)、SIS 儀表監(jiān)控系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)都屬于化工生產(chǎn)過程中最核心的系統(tǒng)，必須始終保證供電穩(wěn)定性，以滿足生產(chǎn)過程中的精確控制要求，并避免出現(xiàn)安全問題。因此在優(yōu)化供電系統(tǒng)時也要從安全穩(wěn)定的角度出發(fā)，圍繞如何提升供電系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性開展優(yōu)化工作，避免對生產(chǎn)儀表造成影響。為保證供電電源的穩(wěn)定，控制站的冗余電源系統(tǒng)應(yīng)該嚴格設(shè)置兩個獨立的電源，滿足所有關(guān)鍵元器件供電都使用冗余聯(lián)合容錯控制的要求，保證任何一個回路出現(xiàn)故障的情況下，另一個回路也可以正常供電，保證儀表安全穩(wěn)定。尤其對于生產(chǎn)性儀表，通過優(yōu)化雙回路供電可以獲得較好的控制效果。

4.3 優(yōu)化配置直流供電

在石油石化生產(chǎn)中，直流電源主要為24V DC 直流儀表供電，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、測量的精確性以及直流儀表供電系統(tǒng)的安全性，需要對直流儀表一般采用不同電源供電的24V DC 直流穩(wěn)壓電源進行并行供電，以及在每個直流電源的輸出端正極設(shè)置一個大功率二極管，將兩個電源分開。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計上，兩臺24V DC 直流穩(wěn)壓電源應(yīng)分別來自兩個不同的220V AC 交流UPS 電源，也可以由市電和UPS 電源分別進行供電，從而保證冗余電源設(shè)置，確保直流電源的穩(wěn)定以及供電系統(tǒng)運行過程中的經(jīng)濟性、安全性和可靠性。

直流電源系統(tǒng)在改進工作中應(yīng)保證電源模塊為偶數(shù)，而且分別由不同的直流系統(tǒng)供電，每個直流電源模塊的負荷應(yīng)控制在50%以內(nèi)，還可以使用N+1 直流電源系統(tǒng)，但是需要保證輸入電源相位相同，否則直流電源系統(tǒng)在切換模塊時模塊可能會損壞[5]。

4.4 照明、風扇配電

在石油化工企業(yè)運行的過程中，照明、風扇等設(shè)備屬于儀表的輔助設(shè)備，相對儀表對供電穩(wěn)定性要求并不高，為滿足成本需求可以使用市電進行單獨供電，但是優(yōu)化過程中也需要保證供電線路的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)短路等問題對整個系統(tǒng)造成影響。

4.5 優(yōu)化單項220V AC 供電儀表電源配置

現(xiàn)階段，在我國石油化生產(chǎn)的過程中，有一些儀器儀表的應(yīng)用對供電系統(tǒng)并沒有太高的要求，這類儀表即便出現(xiàn)故障，石油石化生產(chǎn)依然可以正常進行，不會影響整個化工系統(tǒng)的自動化控制，對安全的影響也比較低。為了能更好地優(yōu)化供電系統(tǒng)的有效運行，簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)運行成本和提升生產(chǎn)經(jīng)濟效益，對于這類不重要的儀表就可以直接使用220V AC城市電網(wǎng)供電。此類供電模式具有較強的可實施性，能夠同時滿足經(jīng)濟效益與技術(shù)安全兩方面的要求。并且在供電系統(tǒng)中配置STS 之后，電氣儀表供電系統(tǒng)的整體安全穩(wěn)定性會明顯高于UPS 電源，并且在該模式下，即便UPS 電源出現(xiàn)故障，STS 也能在內(nèi)部電路閉鎖狀態(tài)自動完成市電供電切換，可以將市電分開，通過穩(wěn)壓電路達到正常供電的目的，也能時刻保證儀表的供電安全，方便日后工作中工作人員對UPS 電源進行檢修。

4.6 交流電源切換開關(guān)

切換開關(guān)的時間設(shè)定需要結(jié)合設(shè)備的需求，對于只負責測量工作的重要儀表和電動閥，瞬間失電并不會有太大的影響，可以使用切換時間相對比較寬的開關(guān)。對于操作站的主機電源、帶電連鎖電磁閥等，切換時間要求比較短，必須選擇滿足要求的產(chǎn)品保證切換速度。

5 結(jié)語

石油化工工業(yè)在自動化個控制過程中，逐漸建立了集成度高、功能全面的儀表測控系統(tǒng)，為了確保生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性，必須保證儀表供電的穩(wěn)定。通過對關(guān)鍵儀表使用雙回路供電，并不斷優(yōu)化供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析供電負荷、安全生產(chǎn)等，保證供電的經(jīng)濟性，最大化實現(xiàn)石油石化的生產(chǎn)效益和社會效益。