某海上油田電力系統(tǒng)優(yōu)先脫扣系統(tǒng)改造研究

昝智海

摘 要：文章針對(duì)某海上油田電力系統(tǒng)的優(yōu)先脫口的原理、現(xiàn)狀，以某海上油田優(yōu)先脫口為例，結(jié)合海上油氣田電力系統(tǒng)的實(shí)際情況，對(duì)海上油田電力系統(tǒng)的優(yōu)先脫口系統(tǒng)改造進(jìn)行研究，并提出并分析某海上油田的優(yōu)先脫扣改造方案，同時(shí)可為新油田開(kāi)發(fā)提供優(yōu)先脫扣設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：優(yōu)先脫扣；過(guò)電流保護(hù)；PLC；分級(jí)；卸載

中圖分類(lèi)號(hào)：U674.38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）12-0001-03

電力系統(tǒng)是現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)當(dāng)中不可或缺的重要組成部分，而電力系統(tǒng)中，“安全供電，安全生產(chǎn)”又是重中之重。優(yōu)先脫扣系統(tǒng)就是企業(yè)為了保證安全生產(chǎn)供電所專(zhuān)門(mén)獨(dú)立設(shè)置的一套控制系統(tǒng)。在石油化工系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程中，更能深刻體現(xiàn)出優(yōu)先脫扣系統(tǒng)的重要性。

1 優(yōu)先脫扣系統(tǒng)介紹

1.1 優(yōu)先脫扣的作用

發(fā)電機(jī)和變壓器等的主要供電設(shè)備，長(zhǎng)期超載運(yùn)行，會(huì)由于發(fā)熱大，溫升高而引起損壞。為了避免這種故障發(fā)生，如前所述設(shè)計(jì)了長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流脫扣保護(hù)。例如：當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷電流超過(guò)發(fā)電機(jī)額定值的15%～25%時(shí)，長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作經(jīng)過(guò)20 s左右的延時(shí)，斷開(kāi)真空斷路器停止供電，達(dá)到保護(hù)發(fā)電機(jī)的目的。

斷路器跳閘后，發(fā)電機(jī)雖然得到了保護(hù)，但電站卻停電，生產(chǎn)中斷了，這樣的電站系統(tǒng)的可靠性較低，為此設(shè)計(jì)了優(yōu)先脫扣功能。

雖然負(fù)荷管理系統(tǒng)檢測(cè)到發(fā)電機(jī)負(fù)荷超過(guò)90%額定值時(shí)，負(fù)荷管理系統(tǒng)會(huì)發(fā)出信號(hào)起動(dòng)第二臺(tái)發(fā)電機(jī)，但燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)從起動(dòng)到投入運(yùn)行往往需要4～5 min，較大的過(guò)載會(huì)使第一臺(tái)發(fā)電機(jī)在20 s左右的時(shí)間內(nèi)，還等不到第二臺(tái)機(jī)組投入就跳閘停電。優(yōu)先脫扣功能又可在長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作前的20 s內(nèi)，先將部分負(fù)荷卸掉，避免發(fā)電機(jī)超載，使長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流保護(hù)不動(dòng)作，等第二臺(tái)發(fā)電機(jī)自動(dòng)投入并聯(lián)后，再投入卸掉的負(fù)荷，這種設(shè)計(jì)就可以避免電站系統(tǒng)在超載時(shí)出現(xiàn)跳閘停電的現(xiàn)象，提高了電站運(yùn)行的可靠性。上述的提前卸載功能就是優(yōu)先脫扣。

1.2 優(yōu)先脫扣值的設(shè)定

優(yōu)先脫扣保護(hù)實(shí)際上也是一個(gè)長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流保護(hù)，只是其設(shè)定值與長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流保護(hù)設(shè)定的不同而已。

1.2.1 設(shè)定的原則

設(shè)定值必須小于長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流保護(hù)的設(shè)定值。它應(yīng)先于長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作，如果長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流保護(hù)設(shè)定在120%的額定值，則優(yōu)先脫扣就應(yīng)設(shè)定在120%的額定值以下，可以取115%，105%，100%，95%，90%，85%……等。

主變壓器的長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流保護(hù)值設(shè)定為120%的額定值，優(yōu)先脫扣雖也設(shè)定在120%，但無(wú)延時(shí)，還是可以先于過(guò)流保護(hù)動(dòng)作。

1.2.2 動(dòng)作時(shí)間

一般在15 s以?xún)?nèi)完成，可以根據(jù)過(guò)載的大小和機(jī)組的運(yùn)行情況，分1次或2次優(yōu)先脫扣。

2 某油田優(yōu)先脫扣系統(tǒng)目前的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

①此前，由于部分大功率設(shè)備停用，原電力系統(tǒng)脫扣邏輯發(fā)生變化。

②現(xiàn)增加了新設(shè)備，新增設(shè)備的負(fù)荷已經(jīng)超過(guò)脫扣后單臺(tái)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷，所以要在優(yōu)先脫扣系統(tǒng)中加入，接回改造前原設(shè)備的脫扣回路。

③原優(yōu)先系統(tǒng)由JACOM發(fā)電機(jī)控制器和相關(guān)中間繼電器組成，其功能較簡(jiǎn)單，控制范圍也較小。而且隨著設(shè)備和負(fù)荷的變化，原先的分組級(jí)別及邏輯需要較大的改動(dòng)，這些改動(dòng)都需要通過(guò)硬線(xiàn)變化，施工不方便且風(fēng)險(xiǎn)較大。同時(shí)，由于油田電潛泵負(fù)荷越來(lái)越大，占透平機(jī)主體部分，如何靈活控制這部分負(fù)載，保護(hù)發(fā)電機(jī)及穩(wěn)定生產(chǎn)，對(duì)優(yōu)先脫扣系統(tǒng)改造有重要意義。

3 優(yōu)先脫扣改造

3.1 PLC控制系統(tǒng)

增加一套獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集平臺(tái)的負(fù)載運(yùn)行信息及發(fā)電機(jī)組運(yùn)行信息，采用循環(huán)累加優(yōu)化算法，實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)發(fā)生發(fā)電機(jī)故障時(shí)需要卸載的負(fù)載數(shù)量，當(dāng)發(fā)電機(jī)斷路器跳閘時(shí)立刻切除超載部分負(fù)載，改造后采用編程及設(shè)置終端控制可編程控制器，并通過(guò)遠(yuǎn)程I/O對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備可以統(tǒng)一進(jìn)行組態(tài)，設(shè)置各個(gè)設(shè)備的優(yōu)先級(jí)別，對(duì)實(shí)時(shí)發(fā)生的各種報(bào)警和故障作出及時(shí)的調(diào)整和變化，以保證平臺(tái)必要設(shè)備的運(yùn)行，保證油田的正常生產(chǎn)。

3.2 優(yōu)先脫扣系統(tǒng)

新方案中優(yōu)先脫扣系統(tǒng)如圖1所示，由新增加的一套A-B，Control Logix 5000 PLC和Panel View Plus1000觸摸屏來(lái)控制。ControlLogix系統(tǒng)是一種框架式控制系統(tǒng)，具有最新的I/O技術(shù)。ControlLogix系統(tǒng)可以在嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下長(zhǎng)期、穩(wěn)定地運(yùn)行。ControlLogix系統(tǒng)具備良好的電磁兼容性，支持I/O模板在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行帶電熱的插拔、交換。

Control Logix 5000 PLC可以對(duì)各機(jī)組的運(yùn)行、停止、溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后再經(jīng)過(guò)一系列的運(yùn)算，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)能對(duì)負(fù)載進(jìn)行合理的脫卸。

按照以上拓?fù)鋱D：

①通過(guò)編程及設(shè)置終端（IFIX）獨(dú)立通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視并控制PLC（AB的CompactlLogix），以達(dá)到監(jiān)視并控制優(yōu)先脫扣狀況，調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備優(yōu)先級(jí)，記錄并處理報(bào)警信息等功能。

②PLC（AB的CompactLogix的1769-L32E）作為控制器，接受編程及設(shè)置終端命令，讀取并控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行。同時(shí)將讀取到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送給編程及設(shè)置終端。（具體邏輯關(guān)系可參考PLC程序，程序圖如圖2所示）。

③現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備根據(jù)PLC命令，脫開(kāi)或合上相應(yīng)負(fù)荷。

3.3 分級(jí)設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)

①可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要進(jìn)行脫扣動(dòng)作。

②可以在系統(tǒng)發(fā)生變化的情況下，調(diào)整各脫扣系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)，以更好的適應(yīng)變化后的系統(tǒng)。

③可以對(duì)各個(gè)優(yōu)先級(jí)別的設(shè)備進(jìn)行負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，在脫扣動(dòng)作執(zhí)行之前，就可以提前預(yù)見(jiàn)到脫扣后效果。

3.4 優(yōu)先脫扣的負(fù)荷分組

優(yōu)先脫扣在過(guò)載時(shí)優(yōu)先卸掉的負(fù)荷是不太重要的負(fù)荷，其分組如下：

A組 （用于發(fā)電機(jī)優(yōu)先脫扣） 注水系統(tǒng)。

B組 吊機(jī)、空調(diào)、海水提升泵A、電伴熱、造淡機(jī)。

C組 生活模塊（不包括應(yīng)急部分）。

D組 （用于主變壓器的優(yōu)先脫扣）電潛泵。

3.5 優(yōu)先脫扣設(shè)定原則

本電站系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的優(yōu)先脫扣設(shè)定值在負(fù)荷管理器起動(dòng)另一臺(tái)發(fā)電機(jī)的設(shè)定值（90%）以上，而又在發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流保護(hù)設(shè)定值（120%）以下。

3.6 本系統(tǒng)的優(yōu)先脫扣邏輯

優(yōu)先脫口系統(tǒng)硬件控制原理圖如圖3所示，優(yōu)先脫口系統(tǒng)硬件控制原理圖如圖4所示。

①如果系統(tǒng)剩下兩臺(tái)透平機(jī)帶載運(yùn)行，在系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)載信號(hào)時(shí)，延時(shí)5 s后將實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷總量（Q1）與當(dāng)前運(yùn)行機(jī)組總?cè)萘浚≦）的80%進(jìn)行比較，若Q1>80%Q，則執(zhí)行1級(jí)優(yōu)先脫扣。

在執(zhí)行完1級(jí)優(yōu)先脫扣后，延時(shí)5 s后，再將此時(shí)Q1與80%Q進(jìn)行比較，若Q1若仍然大于80%Q，則執(zhí)行2級(jí)優(yōu)先脫扣。

如果有發(fā)電機(jī)超溫信號(hào)，延時(shí)5S脫掉1級(jí)和2級(jí)負(fù)載，若仍然有超溫信號(hào)，延時(shí)5 s脫3級(jí)負(fù)載。

②如果系統(tǒng)只有一臺(tái)透平機(jī)帶載運(yùn)行，當(dāng)透平機(jī)發(fā)生過(guò)載，若Q1>80%Q，立即脫掉1級(jí)和2級(jí)負(fù)載，在執(zhí)行完1、2級(jí)優(yōu)先脫扣后，延時(shí)5秒后，再將此時(shí)Q1與80%Q進(jìn)行比較，若Q1若仍然大于80%Q，則執(zhí)行3級(jí)優(yōu)先脫扣。

如果有發(fā)電機(jī)超溫信號(hào)，延時(shí)5 s脫掉1級(jí)負(fù)載和2級(jí)負(fù)載，若仍然超溫，延時(shí)5 s脫3級(jí)負(fù)載。

③如果系統(tǒng)兩臺(tái)透平運(yùn)行時(shí)，有一臺(tái)透平突然故障停機(jī)。此時(shí)立刻將Q1與Q進(jìn)行比較，若Q1>80%Q，立即脫掉1級(jí)和2級(jí)負(fù)載，在執(zhí)行完1、2級(jí)優(yōu)先脫扣后，延時(shí)5 s后，再將此時(shí)Q1與80%Q進(jìn)行比較，若Q1若仍然大于80%Q，則執(zhí)行3級(jí)優(yōu)先脫扣。

④如果有發(fā)電機(jī)超溫信號(hào)，延時(shí)5 s脫掉1級(jí)負(fù)載和2級(jí)負(fù)載，若仍然超溫，延時(shí)5 s脫3級(jí)負(fù)載。

經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化后，即使在只有一臺(tái)主機(jī)運(yùn)行的情況下，仍能保證部分油田不停產(chǎn)，供電系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高。同時(shí)，井口平臺(tái)保持正常生產(chǎn)，避免了海管凝管的風(fēng)險(xiǎn)。

PLC實(shí)時(shí)取樣各機(jī)組的狀態(tài)，當(dāng)有機(jī)組溫度過(guò)高（如果達(dá)到關(guān)停機(jī)組的設(shè)定值20 s內(nèi)溫度還沒(méi)有降下去，那么該機(jī)組就會(huì)關(guān)停。

所以負(fù)載的脫卸必須在十幾秒內(nèi)完成，給機(jī)組一個(gè)降溫的時(shí)間）或負(fù)荷率超過(guò)90%時(shí)，延時(shí)5 s進(jìn)行一級(jí)脫扣，脫去Pre.1的負(fù)載，此時(shí)應(yīng)急機(jī)啟動(dòng)帶應(yīng)急母排；若負(fù)荷率仍然超過(guò)90%或溫度高，延時(shí)10 s進(jìn)行二級(jí)脫扣。為了防止有突然的波動(dòng)，在PLC程序里應(yīng)該對(duì)采樣來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾處理。

優(yōu)先脫扣就是根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)到不同級(jí)別的動(dòng)作電流，實(shí)現(xiàn)關(guān)斷不同組別的設(shè)備，從而由低級(jí)別關(guān)斷設(shè)備，在最大程度的保護(hù)到發(fā)電機(jī)的同時(shí)，還能保證生產(chǎn)。

3.7 編程及設(shè)置終端

目前對(duì)于優(yōu)先脫扣系統(tǒng)的脫扣條件只能在相應(yīng)的JACOM控制器進(jìn)行調(diào)整，如果因?yàn)楣こ袒蛘呔S修需要強(qiáng)制某些動(dòng)作的話(huà)，在JACOM控制器強(qiáng)制動(dòng)作影響范圍較大，這樣既不方便也不合理。

例如，以前因?yàn)榘l(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)置出問(wèn)題導(dǎo)致起機(jī)時(shí)引起超溫脫扣，在原因不明之前，只有在脫扣控制器上摘除3臺(tái)發(fā)電機(jī)的過(guò)熱信號(hào)。

新增加編程及設(shè)置終端既便于觀察控制邏輯和條件，又可以在特殊情況下旁通脫扣條件和強(qiáng)制脫扣動(dòng)作。

編程及設(shè)置終端畫(huà)面主要包括三部分，如圖5和圖6所示。

①現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)狀況畫(huà)面。

②設(shè)備優(yōu)先級(jí)更改及強(qiáng)制畫(huà)面。

③設(shè)備優(yōu)先級(jí)列表。

4 使用效果評(píng)價(jià)

本方案利用油田原系統(tǒng)特點(diǎn)，通過(guò)利用潿洲電網(wǎng)有限脫扣控制方式，通過(guò)再進(jìn)行軟硬件連接測(cè)試，最終完成優(yōu)先脫扣改造，實(shí)現(xiàn)改造方案。改造后，油田優(yōu)先系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行一年多，未出現(xiàn)因?yàn)閮?yōu)先脫扣系統(tǒng)動(dòng)作導(dǎo)致電力系統(tǒng)關(guān)斷、油田停產(chǎn)的情況，減少了大量的經(jīng)濟(jì)損失，一次關(guān)斷需要約2 h全面恢復(fù)電力系統(tǒng)及生產(chǎn)系統(tǒng)，以油田日產(chǎn)1 200方原油，原油價(jià)格80美元計(jì)算，年減少損失約180萬(wàn)美元。

5 結(jié) 語(yǔ)

①改造后優(yōu)先脫扣系統(tǒng)運(yùn)行情況表明，對(duì)海上油田電力系統(tǒng)的保護(hù)方案是可行的。

②可編程控制系統(tǒng)具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬁刂乒δ?，較之繼電器控制的安全可靠性有著巨大的優(yōu)勢(shì)。

③可編程控制系統(tǒng)具有強(qiáng)大的可擴(kuò)展性，提高了現(xiàn)有系統(tǒng)的適用范圍?？删幊炭刂葡到y(tǒng)保證了在今后的生產(chǎn)當(dāng)中，對(duì)于增加的設(shè)備和負(fù)荷進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，不必大范圍更改控制部分，很快地融入到整個(gè)優(yōu)先脫扣系統(tǒng)當(dāng)中，提高了整體的生產(chǎn)效率。

④網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性提高了系統(tǒng)的通訊能力，能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并且解決問(wèn)題。

⑤能夠?qū)ΜF(xiàn)有的系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示，并對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)脫扣狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)于設(shè)備優(yōu)先級(jí)的調(diào)整，只要在編程及設(shè)置終端上對(duì)設(shè)備進(jìn)行屬性的相應(yīng)更改，就能達(dá)到目標(biāo)，更能及時(shí)的適應(yīng)系統(tǒng)的變化。

⑥中文化的人機(jī)界面不僅提高控制模式水平，體現(xiàn)現(xiàn)代化的控制理念，更方便員工的學(xué)習(xí)和使用。

參考文獻(xiàn)：

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