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(jì)算沒有比較可靠的取值依據(jù),導(dǎo)致UPS和HVAC的負(fù)荷率不夠優(yōu)化,一般都是儀表專業(yè)根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模及I/O點(diǎn)數(shù)等大致情況借鑒個(gè)人工作經(jīng)驗(yàn)以及已投產(chǎn)大致規(guī)模項(xiàng)目中控廠家的用電量計(jì)算給出一個(gè)控制系統(tǒng)能耗估算值,電氣和機(jī)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(jì)算依據(jù),如果估計(jì)少了,將來UPS和HVAC的負(fù)荷不夠會(huì)帶來很多問題,因此,經(jīng)常會(huì)在估算時(shí)采取保守考慮取值較大,這樣勢必就會(huì)造成浪費(fèi)。
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(jī)、機(jī)柜風(fēng)扇、機(jī)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(jī)、顯示器和CONSOLE;交換機(jī)(根據(jù)廠家機(jī)柜布置而定處于PCS、ESD、FGS哪個(gè)系統(tǒng)柜中)機(jī)柜風(fēng)扇、機(jī)柜燈、可尋址盤;電源依項(xiàng)目要求而定一般采用110 V、120 V、220 V等。
對市場上幾大流行控制系統(tǒng)的廠家進(jìn)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(jì)算方法,相關(guān)的一些細(xì)節(jié)如表1所示[3-7]。
表1 幾大知名中控廠家能耗計(jì)算對比分析Tab.1 Analysis of power consumption method for several famous control system manufacturer
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(jì)算方法,用于控制系統(tǒng)能耗估算,控制系統(tǒng)用電精確計(jì)算方法按照如下步驟實(shí)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(xiàng)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(jìn)行I/O卡件的分配。
第2步 計(jì)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(fù)載進(jìn)行耗電計(jì)算;注:負(fù)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(jì)算值進(jìn)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(jī)耗電+機(jī)柜風(fēng)扇耗電+機(jī)柜燈耗電+打印機(jī)+服務(wù)器+風(fēng)扇)按照提供的實(shí)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(shí)際功耗疊加計(jì)算,外部負(fù)載根據(jù)實(shí)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(yùn)行時(shí)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(xiàng)目需求考慮是否納入計(jì)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(jì)算耗電值。
第9步 將第4步、第5步、第6步耗電值進(jìn)行疊加,同時(shí)考慮第7步和第8步,綜合計(jì)算控制系統(tǒng)耗電總值。
經(jīng)研究分析,控制系統(tǒng)散熱精確計(jì)算方法按照如下步驟實(shí)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(jìn)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(jī)耗電+機(jī)柜風(fēng)扇耗電+機(jī)柜燈耗電+打印機(jī)+服務(wù)器+風(fēng)扇)的散熱值進(jìn)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(jì)算散熱。
第5步 將第2步與第3步求和,同時(shí)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(jī)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(dú)計(jì)算。
以BZ26-3平臺為例,針對研發(fā)的控制系統(tǒng)能耗計(jì)算方法進(jìn)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
在自研軟件界面中輸入項(xiàng)目能耗信息,如圖1所示。軟件自動(dòng)生成控制系統(tǒng)的能耗結(jié)果,如圖2所示。軟件運(yùn)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(jì)算運(yùn)行界面圖Fig.1 Operation interface diagram of power consumption calculation
圖2 正常工況下能耗計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation results at condition of normal power consumption
通過海上對BZ26-3平臺進(jìn)行現(xiàn)場控制系統(tǒng)耗電實(shí)測,其測試值為9000 W。
(1)控制系統(tǒng)能耗計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)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(jì)耗電需求時(shí)已按照后期擴(kuò)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(jì)計(jì)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(jì)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(jì)算方法已經(jīng)在LF7-2FEED,SZ36-1II、QK18-1等項(xiàng)目進(jìn)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。
為響應(yīng)國家節(jié)能減排的宗旨,需要設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的中控能耗計(jì)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(jì)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(jì)的所有項(xiàng)目中。
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