谷現(xiàn)偉,婁本祥
(中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津 300450)
火氣系統(tǒng)(F&G System)是石油化工等行業(yè)的重要安全保障設施之一,對可靠性要求非常高,一旦系統(tǒng)失效會導致操作人員喪失現(xiàn)場火情與可燃性氣體泄漏情況的監(jiān)控能力,后果非常嚴重。海上油田是一個相對封閉的環(huán)境,人員和設備集中,一旦發(fā)生事故,若無法及時響應和正確應對,將會引發(fā)覆滅性的后果。因此,火氣系統(tǒng)的可靠性十分重要。然而,近幾年伴隨著石油價格的持續(xù)低迷,國家發(fā)展中對石油和天然氣供應有著保供、穩(wěn)供的強烈要求,尋找一條經濟性、實用性同時兼顧安全性的設備適應性升級改造措施,對海上油田的安全生產就具有十分重要的意義。
火氣系統(tǒng)是海上平臺針對火災和氣體探測的安全管理設備,通過現(xiàn)場火氣探頭(UV/IR探頭、GAS探頭、H2S探頭、H2探頭、煙探頭、熱探頭、易熔塞等)連續(xù)在線監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)有毒、可燃氣體泄漏、火災事故,采取相應措施來控制火災和氣體泄漏的進一步蔓延,并根據(jù)現(xiàn)場情況啟動相應的報警和消防設備,從而控制災難的發(fā)生,以最大限度保障人員和設備安全,避免環(huán)境污染[1-3]。
火氣系統(tǒng)由中央控制設備、獨立供電設備、現(xiàn)場探測/報警設備組成,通過冗余的安全網絡,與ESD(緊急關斷系統(tǒng))進行通訊,火氣系統(tǒng)配備有冗余以太網接口,連接至控制系統(tǒng)的交換機實現(xiàn)與過程控制系統(tǒng)相互通訊。
目前海上平臺中控系統(tǒng)的生產廠家比較多,大體上有GE、霍尼韋爾、艾默生、橫河、ABB等廠家。各個廠家的系統(tǒng)之間供電方式是不同的,目前較為穩(wěn)妥的方式是采用變壓-整流方式和高頻開關電源方式并聯(lián)使用。而某海上老油田采用的GE公司的FGS系統(tǒng),供電方式設計使用的是單一供電模式,即只有一路變壓-整流供電柜為系統(tǒng)供電。
雖然變壓-整流模式的技術成熟可靠,但是隨著使用年限的延長,元器件逐步老化,難免會出現(xiàn)問題。同時,變壓-整流供電方式本身也存在一定的缺點。渤海某海上油田采用的就是這種模式的電源供電方式(圖1),就曾經多次發(fā)生供電柜的低電壓故障,該系統(tǒng)所使用的變壓整流供電方式存在以下缺點:
圖1 火氣電源柜升級改造單線圖
首先,變壓-整流供電柜本身的備件冗余度不夠,采用單回路供電,僅滿足SIL2標準,可靠性較低。且此種類型電源柜在使用一定時間后,會出現(xiàn)電容擊穿和瞬間低壓的故障,沒有故障規(guī)律。
第二,變壓-整流供電方式電能轉換效率低,發(fā)熱量大。從現(xiàn)場實際測量來看,變壓-整流供電柜的電能轉換效率低于30%,而與之相比較的高頻開關式電源電能轉換效率可以達到90%左右。轉換效率低造成設備的無效負荷增加,電能以熱能和電磁波等方式散發(fā)到外界,長期高溫運行引發(fā)各電子元件的壽命降低,易造成元器件擊穿及火災事故。
第三,供電柜設計有缺陷,缺少必要的通風散熱設備。對于變壓器、電容、二極管等主要發(fā)熱元件沒有任何強制散熱措施,僅僅靠元件本身散熱片進行散熱。這種設計風格嚴重依賴元件本身的質量,對可能發(fā)生的過熱問題考慮不足。
第四,備件更換困難。從各平臺供電柜故障問題來看,一旦供電柜內部元器件損壞或出現(xiàn)故障時,只能對供電柜做停機處理,難以實現(xiàn)備件的在線更換和維修,增加了現(xiàn)場停機風險和維修人員的壓力。
第一種思路,鑒于火氣系統(tǒng)電源柜的重要性,油田考慮對火氣系統(tǒng)進行整體更換。更換后將系統(tǒng)安全度等級由SIL2提升到SIL3,保證日常運轉的穩(wěn)定。但該思路存在3個重要弊端:
(1)控制室空間有限,無法安裝更大體積的柜體;
(2)設備整體更換費用昂貴,將產生較高費用;
(3)設備整體更換耗時較長,需要油田長時間停產配合更換,影響油田產量。
第二種思路,進行適應生升級改造。該思路通過以下6點來解決其存在問題:
(1)設計并增加冗余的UPS電源,包括二極管,穩(wěn)壓電源,電池組等組成;
(2)定期進行熱成像檢查,對溫度過高的元器件進行重點關注;
(3)加強對柜內元器件運行狀態(tài)的觀察,例如電容是否鼓包、漏液,電阻外觀及接線狀態(tài);
(4)每3年對柜內蓄電池進行強制更換,確保蓄電池運行穩(wěn)定;
(5)采購常用備件,如電容、電阻及保險等;
(6)升級更換全新架構設計雙路冗余UPS控制器,從本質上提高設備可靠性。
鑒于思路一的改造措施違背了現(xiàn)場處理問題的經濟性和實用性原則,且超出了現(xiàn)場解決能力,無法及時有效的進行落實,故思路一無法通過。而思路二中的做法值得我們進行論證。
按照現(xiàn)場要求,需要做到以下3個方面:
(1)設計并選擇冗余的UPS電源,包括二極管,穩(wěn)壓電源,電池組等組成,為節(jié)約空間,將其模塊化。傳統(tǒng)的UPS電源、二極管、穩(wěn)壓電源、電池組等體積較大,老油田中控空間有限,更換完成后需要考慮空間問題。經過多方考察、咨詢、論證,采取WEIMULER公司的模塊化設計二極管、穩(wěn)壓電源、電池組占用體積較小,可以滿足現(xiàn)場空間需求;
(2)更換全新架構雙路冗余UPS。新電源UPS柜可采用兩路電源冗余輸入,根據(jù)現(xiàn)場功率計算,現(xiàn)場需要功率是1 942.44 W,現(xiàn)場可以選用4組40 A的UPS電源電路并聯(lián),蓄電池一路采用4組24 V的電路(圖1),滿足功率需求的情況下,還留有一定的余量。這樣,當任何一路電源出現(xiàn)故障都不會影響系統(tǒng)正常運行。此外,在線路上增加在線監(jiān)測系統(tǒng),實時監(jiān)測電網電壓、電流、功率情況,并將其上傳至上位機,方便值班人員第一時間發(fā)現(xiàn)電源問題;
(3)選擇開關穩(wěn)壓電源,保證電流穩(wěn)定輸出的同時,避免因火氣系統(tǒng)故障造成電網的沖擊,引發(fā)次生故障。開關穩(wěn)壓電源是一種電壓轉換電源電路,由變壓器和一個充當“開和關”功能的晶體管串聯(lián)于電路中,直流電經過晶體管的“開和關”狀態(tài),在電路上形成脈沖電壓,這個脈沖電壓在變壓器的磁芯上面形成瞬間變化的磁場,然后在同一磁場里的另一個線圈上就感應出了脈沖電壓,這個脈沖電壓經過整流和濾波就形成了輸出的直流電壓了,穩(wěn)壓部分是由輸出電壓提供信號控制晶體管的開關時間及幅度,達到穩(wěn)壓輸出的目的[4]。采用開關穩(wěn)壓電源高效節(jié)能,適應海上變化能力強,體積小,重量輕,能夠有效滿足現(xiàn)場需求。
電源柜采用兩路電源冗余輸出設計,任何一路電源出現(xiàn)故障都不會影響系統(tǒng)正常運行。每路電源都采用4套小型供電系統(tǒng)并聯(lián)供電,在某一套供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題時可以斷掉該套供電系統(tǒng)進行檢修,不影響其他供電系統(tǒng)正常運行。電源柜采用兩路交流供電,轉換為2路直流電源相互冗余,給火氣系統(tǒng)供電,第一路電源采用4個40 A直流模塊單獨給UPS模塊供電,UPS模塊通過二極管模塊輸出給系統(tǒng)供電,UPS可以給電池充電,在外部電源斷電時電池經過UPS放電保證設備正常運行。第二路電源采用4個40 A直流模塊通過二極管模塊輸出給系統(tǒng)供電。
改造應采用兩路電源冗余輸入,任何一路電源發(fā)生故障都不能影響系統(tǒng)的正常運行。改造后的UPS應有電源運行狀態(tài)指示燈和電源報警出點,報警觸點接入中控PKS系統(tǒng),便于平臺監(jiān)控電源系統(tǒng)運行狀況,且電源UPS應選擇模塊化組件,便于后期維護與檢修更換。
火氣系統(tǒng)電源柜升級后,由單一回路供電模式升級為雙回路供電,單供電回路結構由單一的變壓—整流模式升級為4組開關式電源并聯(lián)輸出結構,最大電流輸出能力提高100%,電池充電功率下降50%,且能夠實現(xiàn)元器件故障后在線更換,電源柜整體冗余能力與可靠性均實現(xiàn)大幅提升,具體性能對比如表1所示。
表1 改造前后性能參數(shù)對比
改造完成后,經過一年的使用,火氣系統(tǒng)電源柜充放電正常,電壓、電流穩(wěn)定,達到了預想的效果。
此次適應性升級改造,保障油田火氣系統(tǒng)穩(wěn)定的同時,排除了油田的一項較大的隱患。它還使生產運營維護人員認識到,在進行維保的過程中,通過部分適應性升級改造來代替整體更換的思路是可行的。此項改造同樣適用于其他火氣電源柜的電源供電回路,如舉一反三推廣到了具有類似問題的其他油田裝置,可為后期新投產的項目火氣電源柜的采用提供參考經驗[3]。