淺談?wù)У昧缪蛴吞镒冸娬驹O(shè)計(jì)

中騰微網(wǎng)（北京）科技有限公司 李文穎

臺(tái)灣中油乍得羚羊油田位于乍得南部貝諾依地區(qū)，項(xiàng)目地處偏僻，沒(méi)有市政供電；項(xiàng)目工藝生產(chǎn)單元非常分散，工作環(huán)境為爆炸危險(xiǎn)區(qū)。這樣勢(shì)必要求該項(xiàng)目的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、經(jīng)濟(jì)、安全、可靠，否則將給項(xiàng)目的正常運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)很大的影響和危害。選擇雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)作為該項(xiàng)目的供電電源，為保證設(shè)備在爆炸環(huán)境下能安全、可靠地運(yùn)行，本項(xiàng)目將保護(hù)接地與工作接地相連并接入防雷接地系統(tǒng)，避免了浮點(diǎn)接地系統(tǒng)和多點(diǎn)接地系統(tǒng)中出現(xiàn)的雷擊問(wèn)題。項(xiàng)目采用基于PMS和工業(yè)以太網(wǎng)、光纖通信技術(shù)相結(jié)合的先進(jìn)配電控制系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)配電控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可靠性、靈活性、開(kāi)放性和安全性。

1 供配電系統(tǒng)

1.1 變配電室選址

由于項(xiàng)目地處偏僻、沒(méi)有市政電力供應(yīng)，因此需在該項(xiàng)目中建一座發(fā)電站。發(fā)電站將建在中央集輸站的東南角，并確保該區(qū)域?yàn)榉欠辣ｋU(xiǎn)區(qū)。在負(fù)荷相對(duì)比較集中的位置配置一座變配電站，以放射式的配電方式向用電負(fù)荷配電。變配電站還應(yīng)考慮靠近發(fā)電站，經(jīng)綜合性考慮后，變配電站位于中央集輸站的正南偏西的非爆炸危險(xiǎn)區(qū)，滿足電源電纜距離近、易敷設(shè)的要求；與工藝裝置滿足安全距離。

混輸泵站建一座無(wú)人值守的變配電站，電能由中央集輸站發(fā)電站提供，通過(guò)33kV架空線輸送電能，通過(guò)光纖將混輸泵站各類信號(hào)傳遞到中央集輸站。井口設(shè)置獨(dú)立的箱式變電站，電能由中央集輸站發(fā)電站提供，通過(guò)33kV架空線輸送電能。以井口為圓心半徑40m的范圍內(nèi)為爆炸危險(xiǎn)區(qū)，箱式變電站布置在此范圍以外，靠近架空線H型終端桿的位置[1]。

1.2 負(fù)荷計(jì)算

按照《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50052-2009中規(guī)定，考慮場(chǎng)區(qū)處理性質(zhì)及站場(chǎng)所處位置的實(shí)際情況，確定總體負(fù)荷等級(jí)為二級(jí)。負(fù)荷計(jì)算采用需要系數(shù)法，需用系數(shù)應(yīng)符合《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的要求。

中央集輸站變配電室：通過(guò)電力負(fù)荷統(tǒng)計(jì)計(jì)算，取同時(shí)系數(shù)K∑p=K∑q=0.93，則中央集輸站變配電室有功功率Pc1、無(wú)功功率Qc1、視在功率Sc1分 別 為：Pc1=5865.26kW；Qc1=3291.66kVar；Sc1=6725.79kVA。中央集輸站功率因數(shù)COSφ=0.87，低壓0.4kV側(cè)采用集中無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償方式以提高功率因數(shù)，補(bǔ)償后功率因數(shù)達(dá)到COSφ2=0.91，其需要補(bǔ)償容量QC1=Pc13(tanφ1-tanφ11)=241.24kVar，故QC1取300kVar。由于系統(tǒng)為單母線分段，每段無(wú)功補(bǔ)償值為150kVar。

混輸泵站變配電室：根據(jù)電力負(fù)荷統(tǒng)計(jì)計(jì)算，混輸泵站變配電室有功功率Pc2、無(wú)功功率Qc2、視在功率Sc2分別為：Pc2=1660.68kW；Qc2=632.42kVar；低壓0.4kV側(cè)采用集中無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償方式以提高功率因數(shù)，低壓0.4kV側(cè)功率因數(shù)COSφ2=0.84；補(bǔ)償后功率因數(shù)達(dá)到COSφ21=0.91，其需要補(bǔ)償容量QC2=P'c22(tanφ2-tanφ21)=53.83kVar，故Qc2取100 kVar。由于系統(tǒng)為單母線分段，每段無(wú)功補(bǔ)償值為50kVar。

井場(chǎng)變配電室：17座井場(chǎng)的變配電室的配置相同，此處針對(duì)1座井場(chǎng)的負(fù)荷計(jì)算進(jìn)行分析。據(jù)電力負(fù)荷統(tǒng)計(jì)計(jì)算，取同時(shí)系數(shù)K∑p=K∑q=0.93，則主廠房變配電室有功功率Pc3、無(wú)功功率Qc3、視在功率Sc3分別為：Pc3=92.09kW；Qc3=45.70kVar；Sc3=102.80kVA，COSφ3=0.9，故井場(chǎng)不需要低壓無(wú)功補(bǔ)償。

1.3 配電設(shè)備的選擇

1.3.1 電氣系統(tǒng)配電形式

供配電的形式大致分為放射式、樹(shù)干式、鏈?zhǔn)?。本工程綜合考慮供電可靠性以及成本的因素，設(shè)計(jì)采用幾種方式的混合形式，在負(fù)荷較為集中的區(qū)域采用以放射式為主的供電方式，在負(fù)荷比較分散且重要程度不高的區(qū)域采用樹(shù)干式供電方式[2]。

1.3.2 配電室電氣設(shè)備選擇

根據(jù)以上負(fù)荷計(jì)算，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：三臺(tái)雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)3×4.1MW，兩用一備；應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)選擇1000kVA，以保證重要負(fù)荷或特殊負(fù)荷非生產(chǎn)期用電；母線選擇單母線分段，燃?xì)廨啓C(jī)組為孤島電網(wǎng)運(yùn)行。根據(jù)發(fā)電機(jī)出口端三相短路電流值，選擇11kV進(jìn)線柜內(nèi)進(jìn)線斷路器的分段能力，發(fā)電機(jī)超瞬態(tài)電抗X"d=0.495Ω。

1.4 站場(chǎng)內(nèi)防爆電氣設(shè)備選擇

防爆設(shè)計(jì)第一步是對(duì)站內(nèi)區(qū)域進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域劃分。根據(jù)《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50058-2014中爆炸性氣體混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行劃分，中央集輸站站和混輸泵站屬于2區(qū)，站內(nèi)的釋放源屬于第二級(jí)釋放源。第二個(gè)關(guān)鍵步驟是選擇適宜的電氣元件，原則仍是安全與經(jīng)濟(jì)的結(jié)合，電氣元件選型為ExdⅡBT6 Gb。

1.5 電纜的選擇

主變配電室11kV母線上的短路電流為8.62kA，33kV母線上的短路電流為0.876kA，根據(jù)電纜的熱穩(wěn)定性校驗(yàn)選擇電纜最小截面積：Smin為電纜最小截面積mm2；Qt為短路電流熱效應(yīng)kA2s；c為熱穩(wěn)定系統(tǒng)。

對(duì)于11kV系統(tǒng)，Ith=8.62kA，Ith=1，c=143代入上式可得最小截面積60.28mm2，該項(xiàng)目取70mm2。對(duì)于33kV系統(tǒng)，Ith=0.876kA，tth=1.5，c=143代入上式可得最小截面積7.50mm2，該項(xiàng)目取35mm2。

中央集輸站變配電室、混輸泵站變配電室、井場(chǎng)變配電室高壓進(jìn)線電纜選擇分別如下：補(bǔ)償后視在功率6584kVA/1744kVA/103kVA，電壓等級(jí)11kV/33kV/33kV，COSφ0.89/0.95/0.90，計(jì)算電流346A/31A/2A，按照載流量選擇240mm2/50mm2/35mm2，按照熱穩(wěn)定性選擇70mm2/35mm2/35mm2，敷設(shè)距離0.14km/ 0.4km/0.2km，壓降損失0.015%/ 0.029%/0.001%，按照壓降損失選擇150mm/ 35mm2/35mm2，選擇結(jié)果240mm2/50mm2/35mm2。

1.6 接地及防雷防靜電接地

由于采用中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致大大增加了人體的觸電電流，單相接地時(shí)會(huì)形成單相短路，故中央集輸站變配電室11kV和33kV系統(tǒng)采用中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，通過(guò)電阻柜進(jìn)行接地。站場(chǎng)內(nèi)設(shè)聯(lián)合接地網(wǎng)，接地電阻不大于4歐姆。

發(fā)電站按第一類防雷建筑物考慮，分別在發(fā)電機(jī)周圍設(shè)置三根獨(dú)立式避雷針以保護(hù)發(fā)電機(jī)房不遭雷電侵害。防雷接地和設(shè)備接地的接地電阻不大于10歐姆。中央集輸站和混輸泵站屬于第三類防雷建筑物，最高工藝設(shè)備為壓縮機(jī)（高12米），工藝設(shè)備、管線的壁厚為6mm，故站內(nèi)可不做輔助避雷設(shè)備，但應(yīng)保證工藝設(shè)備、管道及設(shè)備非帶電金屬外殼應(yīng)按規(guī)程進(jìn)行防靜電接地，接地電阻不大于30歐姆。

PMS、DCS及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分別設(shè)單獨(dú)接地系統(tǒng)，其接地電阻均不大于1歐姆；儀表設(shè)備保護(hù)接地將與電氣接地系統(tǒng)共用，接地電阻不大于4歐姆。當(dāng)操作人員在觸碰站內(nèi)設(shè)備前應(yīng)穿好絕緣鞋，并觸碰靜電接地球后（消除人體靜電），方能進(jìn)行操作[3]。

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目采用分布式PMS控制系統(tǒng)。該P(yáng)MS控制系統(tǒng)是基于ABB最先進(jìn)的800xA PMS系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)、光纖通信技術(shù)相結(jié)合的先進(jìn)控制系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可靠性、靈活性、開(kāi)放性和安全性。

2.2 控制系統(tǒng)組成

服務(wù)器通過(guò)軟件互為冗余，系統(tǒng)采用雙網(wǎng)進(jìn)行通信。無(wú)論從邏輯概念上還是從物理概念上將變電站的功能分為三層，即站控層、間隔層和過(guò)程層[4]。

站控層設(shè)在中央集輸站的控制室內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)不同廠商的設(shè)備互聯(lián)，易于與Internet連接且信號(hào)傳輸距離不超過(guò)百米，故采用高速工業(yè)以太網(wǎng)通訊，通訊速率為100MB/s，通訊介質(zhì)是超五類雙絞線。混輸泵站與主站間通過(guò)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與交換，通訊介質(zhì)采用單模光纖，以實(shí)現(xiàn)全部工藝生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)控。工程師站用來(lái)完成編程組態(tài)并具有操作員站操作功能，操作員站主要用于操作，網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)完成日常生產(chǎn)報(bào)表及故障報(bào)警記錄等。

間隔層通過(guò)Modbus RTU總線方式與站控層設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為了簡(jiǎn)化通訊結(jié)構(gòu)，間隔層采用Modbus環(huán)形連接，實(shí)現(xiàn)間隔層的通訊冗余；過(guò)程層設(shè)備包括變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流/電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組件以及獨(dú)立的智能電子裝置。一次設(shè)備與間隔層設(shè)備共同安裝在柜內(nèi)、距離很近，為了增加操作系數(shù)、便于檢修，采用硬線連接方式進(jìn)行信號(hào)交換，硬線方式比較直觀，成本較低[5]。

綜上，隨著石油化工企業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，電氣供配電正朝著智能化方向發(fā)展，安全性對(duì)電氣設(shè)備選擇和控制方式的擬定有較大的影響。企業(yè)在關(guān)注自身經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，需要完善自身的安全機(jī)制，保障石化企業(yè)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與線路安裝的安全性，防止造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。