控制系統(tǒng)能耗計算方法及在海洋石油平臺應(yīng)用

倪學(xué)莉，李 俊，王 晶，張庚新

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

目前，國內(nèi)外針對控制系統(tǒng)能耗計算沒有比較可靠的取值依據(jù)，導(dǎo)致UPS和HVAC的負荷率不夠優(yōu)化，一般都是儀表專業(yè)根據(jù)項目規(guī)模及I/O點數(shù)等大致情況借鑒個人工作經(jīng)驗以及已投產(chǎn)大致規(guī)模項目中控廠家的用電量計算給出一個控制系統(tǒng)能耗估算值，電氣和機械專業(yè)利用該估算值來確定UPS和HVAC的功率。鑒于上述估算值的來源可知，該估算值沒有可靠的計算依據(jù)，如果估計少了，將來UPS和HVAC的負荷不夠會帶來很多問題，因此，經(jīng)常會在估算時采取保守考慮取值較大，這樣勢必就會造成浪費。

1 控制系統(tǒng)能耗的組成及系統(tǒng)商的計算方法比較

1.1 控制系統(tǒng)能耗的組成

控制系統(tǒng)能耗源頭分為：卡件自身、外部設(shè)備、操作站、交換機、機柜風(fēng)扇、機柜燈、可尋址盤[1-2]。

注：卡件自身耗電：I/O卡件、通訊卡件、控制器；外部設(shè)備耗電：變送儀表、電磁閥、探頭等，系統(tǒng)24 V供電；操作站：電腦主機、顯示器和CONSOLE；交換機（根據(jù)廠家機柜布置而定處于PCS、ESD、FGS哪個系統(tǒng)柜中）機柜風(fēng)扇、機柜燈、可尋址盤；電源依項目要求而定一般采用110 V、120 V、220 V等。

1.2 各大控制系統(tǒng)能耗計算方法比較

對市場上幾大流行控制系統(tǒng)的廠家進行能耗對比分析，總結(jié)出幾大知名控制系統(tǒng)廠家關(guān)于控制系統(tǒng)能耗的計算方法，相關(guān)的一些細節(jié)如表1所示[3-7]。

表1 幾大知名中控廠家能耗計算對比分析Tab.1 Analysis of power consumption method for several famous control system manufacturer

2 控制系統(tǒng)能耗計算方法分析

2.1 控制系統(tǒng)用電精確計算方法

經(jīng)過我方研究分析，提出一套針對于平臺不同工況（正常生產(chǎn)工況、應(yīng)急關(guān)斷工況、火災(zāi)工況）下，控制系統(tǒng)能耗精確計算方法，用于控制系統(tǒng)能耗估算，控制系統(tǒng)用電精確計算方法按照如下步驟實施：

第1步 依據(jù)平臺I/O清單類型分類打X%余量（余量根據(jù)項目需求而定，如20%，30%），按照各控制系統(tǒng)廠家的卡件產(chǎn)品進行I/O卡件的分配。

第2步 計算卡件自身的耗電量（依據(jù)各廠家提供參數(shù)值而得）。

第3步 針對不同工況分系統(tǒng) （正常生產(chǎn)工況、應(yīng)急關(guān)斷工況、火災(zāi)工況）對負載進行耗電計算；注：負載耗電主要指現(xiàn)場儀表耗電。

第4步 將第二步和第三步的計算值進行疊加求和，再考慮電源模塊轉(zhuǎn)換的效率綜合求和，分別求出PCS、ESD、FGS三系統(tǒng)耗電量。

第5步 將外圍設(shè)備 （操作站耗電+交換機耗電+機柜風(fēng)扇耗電+機柜燈耗電+打印機+服務(wù)器+風(fēng)扇）按照提供的實際功耗求和。

第6步 依據(jù)平臺情況考慮是否選擇火氣可尋址盤，可尋址盤的卡件實際功耗疊加計算，外部負載根據(jù)實際探頭的功耗值。

第7步 考慮FGS系統(tǒng)充電電池的耗電（正常運行時為浮充狀態(tài)，基本已充滿，因此充電電池的耗電可根據(jù)項目需求考慮是否納入計算耗電范圍之內(nèi)）。

第8步 根據(jù)FGS可尋址盤的布置位置，綜合考慮可尋址盤的耗電，耗電量依據(jù)可尋址盤系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)備、尋址回路卡件查閱硬件參數(shù)依次疊加計算耗電值。

第9步 將第4步、第5步、第6步耗電值進行疊加，同時考慮第7步和第8步，綜合計算控制系統(tǒng)耗電總值。

2.2 控制系統(tǒng)散熱量精確計算方法

經(jīng)研究分析，控制系統(tǒng)散熱精確計算方法按照如下步驟實施：

第1步 依據(jù)平臺I/O清單類型分類打30%余量，按照各廠家的卡件產(chǎn)品進行I/O卡件的分配。

第2步 依據(jù)各系統(tǒng)所需要的卡件、控制器、變壓器供電模塊散熱量總和疊加，取3%余量（散熱值依據(jù)廠家提供的參數(shù)資料）。

第3步 將外圍設(shè)備 （操作站耗電+交換機耗電+機柜風(fēng)扇耗電+機柜燈耗電+打印機+服務(wù)器+風(fēng)扇）的散熱值進行疊加。

第4步 根據(jù)FGS可尋址盤的布置位置，綜合考慮可尋址盤的散熱，散熱量依據(jù)可尋址盤系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)備、尋址回路卡件查閱硬件參數(shù)依次疊加計算散熱。

第5步 將第2步與第3步求和，同時考慮第3步，綜合求和得出該控制系統(tǒng)散熱值。

注：操作室和機柜間在海洋平臺中基本設(shè)置在同一房間，故散熱量放在一起不再單獨計算。

3 中控能耗計算應(yīng)用案例分析及推廣性

以BZ26-3平臺為例，針對研發(fā)的控制系統(tǒng)能耗計算方法進行了對比分析，如表2所示。

表2 系統(tǒng)能耗已知條件Tab.2 Input of power consumption for central control system

3.1 控制系統(tǒng)能耗計算軟件的運行界面及計算結(jié)果

在自研軟件界面中輸入項目能耗信息，如圖1所示。軟件自動生成控制系統(tǒng)的能耗結(jié)果，如圖2所示。軟件運行結(jié)果可以作為有效配置UPS與空調(diào)的依據(jù)。

圖1 能耗計算運行界面圖Fig.1 Operation interface diagram of power consumption calculation

圖2 正常工況下能耗計算結(jié)果Fig.2 Calculation results at condition of normal power consumption

3.2 海洋石油平臺現(xiàn)場實測法

通過海上對BZ26-3平臺進行現(xiàn)場控制系統(tǒng)耗電實測，其測試值為9000 W。

3.3 分析小結(jié)

（1）控制系統(tǒng)能耗計算軟件計算結(jié)果與實測結(jié)果一致；

（2）正常工況下控制系統(tǒng)耗電所占最大功耗百分比為9000 W/16100 W=56%；

（3）我方在設(shè)計耗電需求時已按照后期擴展X%考慮；

（4）控制系統(tǒng)耗電需求是按照最惡劣工況設(shè)計計算，比正常工況下高很多，一旦出現(xiàn)惡劣工況能提供相應(yīng)的電量；

（5）正常工況部分設(shè)備不在工作狀態(tài)中，這樣在計算電源模塊效率及后期三系統(tǒng)取1.25系數(shù)后，三系統(tǒng)總耗電整體耗電比最大工況下大大降低。

本控制系統(tǒng)能耗計算方法已經(jīng)在LF7-2FEED，SZ36-1II、QK18-1等項目進行了應(yīng)用推廣，取得了較好效果，具有較好的推廣應(yīng)用性。

4 結(jié)語

為響應(yīng)國家節(jié)能減排的宗旨，需要設(shè)計出科學(xué)合理的中控能耗計算方法，科學(xué)購置UPS及合理配置中控室空調(diào)，充分滿足了海洋石油平臺快速發(fā)展的需求。提高了設(shè)計精度及質(zhì)量，提高了工作效率，現(xiàn)階段已經(jīng)成功應(yīng)用于海洋平臺工程設(shè)計的所有項目中。

[1] 陸德民.石油化工自動控制設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2] 樂嘉謙.儀表工手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3] 俞金壽，孫自強.過程控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[4] 石油化工儀表自動化培訓(xùn)教材編寫組.石油化工儀表自動化培訓(xùn)教材：安全儀表控制系統(tǒng)（SIS）[M].北京：中國石化出版社，2009.

[5] 王樹青，樂嘉謙.自動化與儀表工程師手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

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[7] 王常力，羅安.分布式控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計與應(yīng)用實例[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2010. ■