海洋石油平臺電氣設(shè)備緊急停車系統(tǒng)回路可靠性分析

王 鵬，李海濤，鄭高意，王志鵬

[中海石油（中國）有限公司曹妃甸作業(yè)公司 天津 300451]

1 ESD系統(tǒng)

緊急停車系統(tǒng)（Emergency Shutdown Device，簡稱ESD）是海上平臺的專用安全保護系統(tǒng)，用于保障人員、設(shè)施和流程的安全。它能夠?qū)崟r監(jiān)控生產(chǎn)過程，能在出現(xiàn)異常時立即報警，并通過自動控制觸發(fā)相應(yīng)的關(guān)斷設(shè)備，以防止事故發(fā)生或擴大。ESD系統(tǒng)在海洋石油平臺中分為4 個等級［2］。

一級關(guān)斷：用于緊急撤離平臺，在此情況下，人員必須立即撤離，并關(guān)閉所有生產(chǎn)設(shè)備和主電力系統(tǒng)。

二級關(guān)斷：用于嚴重火災(zāi)或可燃氣體泄漏，可自動或手動觸發(fā)。其目的是進行火災(zāi)區(qū)域的消防、隔離工藝介質(zhì)和電源，防止火災(zāi)擴大。

三級關(guān)斷：針對生產(chǎn)/公用系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的故障情況，需要等待排除故障或設(shè)備參數(shù)恢復(fù)正常后才能恢復(fù)生產(chǎn)。

四級關(guān)斷：針對單個井（設(shè)備）的異?；蚬收?，只影響目標單元的安全，不會影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)的運行。

不同等級的關(guān)斷采取不同措施，以確保平臺的安全運行，高級別的關(guān)斷會觸發(fā)低級別的關(guān)斷。ESD 系統(tǒng)需要經(jīng)過精心設(shè)計和嚴格測試，以保證可靠性和實用性，它需要快速、準確地識別，并響應(yīng)不同的緊急情況和故障，最小化關(guān)斷范圍，以減少對生產(chǎn)的干擾，具備自適應(yīng)能力。此外，系統(tǒng)還需要根據(jù)不同情況自動切換至適當?shù)年P(guān)斷級別，以保證平臺的安全和穩(wěn)定運行。

一套完整的ESD系統(tǒng)包括檢測單元、輸入模塊、控制模塊、輸出模塊和執(zhí)行單元，如圖1 所示［3-4］。

圖1 ESD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of ESD system structure

ESD系統(tǒng)中的執(zhí)行元件通常帶電，在出現(xiàn)異常工況時，會失去電源并執(zhí)行關(guān)斷操作。關(guān)斷操作通過電磁閥、關(guān)斷閥、安全閥和繼電器實現(xiàn)，繼電器在ESD系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，接收信號后觸發(fā)關(guān)斷操作，切斷電路或設(shè)備的電源，從而確保安全。繼電器的失電動作至關(guān)重要，能夠確保電氣設(shè)備在緊急情況下及時停止工作，防止事故發(fā)生或擴大。因此，繼電器的設(shè)計和選用非常重要，需要嚴格測試和驗證，定期維護和檢修繼電器是保障其正常工作和穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵措施。

2 電氣設(shè)備ESD 功能

電氣設(shè)備ESD功能通常通過二次回路實現(xiàn)。將ESD系統(tǒng)的中間繼電器的輔助觸點與電氣設(shè)備的二次回路相連，在緊急情況下，中間繼電器的閉合觸點動作后觸發(fā)脫扣器動作，使相應(yīng)斷路器分閘，切斷電氣設(shè)備的電源以確保安全。這種集成設(shè)計簡單可靠，通過二次回路控制電氣設(shè)備關(guān)斷，可完成高效的保護操作過程。

2.1 電氣原理圖

電氣原理圖分為一次回路和二次回路。一次回路，也稱為主電路或主回路，主要用于轉(zhuǎn)換、輸送和分配電能，相對于二次回路而言，一次回路的電壓較高、電流較大；二次回路，也稱為控制電路或二次系統(tǒng)，主要用于監(jiān)視、測量、控制、保護和發(fā)出各種信號，其工作狀態(tài)可以反映一次設(shè)備運行的實際情況。相對于一次回路，二次回路的電壓較低、電流較小，但需要控制多個二次設(shè)備，并且二次回路的復(fù)雜性遠高于一次回路。以三相異步電機正反轉(zhuǎn)控制電路為例，左邊是主回路，右邊是控制回路，如圖2 所示。

圖2 三相異步電動機正反轉(zhuǎn)電路圖Fig.2 Three-phase asynchronous motor forward and reverse circuit diagram

在電氣原理圖中，主回路提供電能和執(zhí)行電機的正反轉(zhuǎn)操作，控制回路用于啟動、停止和轉(zhuǎn)向電機，并監(jiān)視其運行，主回路和控制回路相互作用。當電機堵轉(zhuǎn)時，主回路中的電流超過熱繼電器的整定值，導(dǎo)致熱繼電器動作，其輔助觸點斷開，切斷控制回路的電源，這將導(dǎo)致控制回路失電，無法對主回路進行控制。主控回路相互制約，狀態(tài)和動作相互影響。

2.2 常用ESD回路簡介

某油田于2004 年投產(chǎn)，并在隨后進行了綜合調(diào)整、新建和改造項目，新增了一些電氣設(shè)備。這些新增設(shè)備與原有平臺的電氣系統(tǒng)ESD回路構(gòu)造有所不同。在新擴改造的設(shè)備中，ESD功能的實現(xiàn)借助于分勵脫扣和失壓脫扣2 種機制。

分勵脫扣器用于斷路器的分閘操作，當發(fā)生緊急情況時，ESD系統(tǒng)會觸發(fā)分勵脫扣器，使其動作，將斷路器切斷，從而實現(xiàn)電氣設(shè)備的關(guān)斷。另一種途徑是通過失壓脫扣器來實現(xiàn)斷路器的分閘。失壓脫扣器的作用是在電氣系統(tǒng)失壓時自動動作，切斷電路，以確保安全。當ESD系統(tǒng)檢測到異常情況、導(dǎo)致電氣系統(tǒng)失壓時，失壓脫扣器會動作，以實現(xiàn)電氣設(shè)備的關(guān)斷。

這種新增設(shè)備的ESD回路構(gòu)造不僅提供了多種實現(xiàn)ESD功能的方式，還充分考慮了不同緊急情況下的應(yīng)對措施。通過分勵脫扣器和失壓脫扣器，電氣設(shè)備可以在需要時迅速、可靠地進行關(guān)斷操作，以保障平臺的安全。

2.2.1 通過分勵脫扣器實現(xiàn)ESD功能

分勵脫扣器是用于實現(xiàn)斷路器的遠程操作和控制的裝置。在正常情況下，分勵脫扣器的線圈處于斷電狀態(tài)，在發(fā)生異常情況時，分勵脫扣器的線圈會通電，使銜鐵吸合，通過傳動機構(gòu)推動脫扣機構(gòu)，從而實現(xiàn)斷路器的分閘。下面介紹不同項目采用的ESD回路如何實現(xiàn)緊急停車功能。

平臺投產(chǎn)時低壓400 V配電盤饋線開關(guān)的ESD回路如圖3 所示。回路的電源由UPS提供AC 110 V，并通過FU1 和FU2 兩個熔斷器來提供短路保護。ESD觸點在圖中表示為常閉點，與R中間繼電器回路串接，常閉觸點R-1 則與分勵線圈回路串接。在正常情況下，R繼電器得到電源供電，使其常閉觸點R-1 斷開，從而分勵線圈不得電。當ESD 觸點動作（即斷開）時，R繼電器失去電源供應(yīng)，使其常閉觸點R-1閉合，從而分勵線圈得到電源供應(yīng)。這將帶動脫扣器進行脫扣操作，使得MCB（微型斷路器）斷開。

圖3 某平臺低壓400 V配電盤饋線開關(guān)ESD回路Fig.3 ESD circuit of low-voltage 400 V distribution panel feeder switch on a certain platform

平臺在2019 年新增的低壓400 V 配電盤饋電開關(guān)的ESD回路如圖4 所示。它與圖3 的工作原理相似，但唯一的區(qū)別在于分勵線圈回路中添加了一個MCCB（塑殼斷路器）的常開觸點，只有MCCB處于合閘狀態(tài)，ESD動作發(fā)生時分勵線圈才會得到電源供應(yīng)。在正常情況下，MCCB處于斷開狀態(tài)，其常開觸點不閉合，分勵線圈無法得到電源供應(yīng)，無法進行脫扣操作。當MCCB處于合閘狀態(tài)時，常開觸點閉合，分勵線圈可以得到電源供應(yīng)，如果此時發(fā)生ESD動作，則分勵線圈會被激活，從而實現(xiàn)脫扣操作，使開關(guān)斷開。

圖4 某平臺新增低壓400 V配電盤饋線開關(guān)ESD回路Fig.4 ESD circuit of new low-voltage 400 V distribution panel feeder switch on a certain platform

這種設(shè)計確保了在MCCB合閘狀態(tài)下才能觸發(fā)ESD動作，有效防止了誤操作。這種改進提高了ESD回路的可靠性，同時降低了不必要的關(guān)斷操作，確保了電氣設(shè)備的安全運行。

該油田2021 年新建平臺的低壓400 V 配電盤馬達控制中心的ESD回路如圖5 所示。該回路與圖4的工作原理大體相似，但存在一些區(qū)別。首先，回路電源由UPS提供的AC 110 V變?yōu)橹绷髌撂峁┑腄C 110 V。其次，ESD 觸點從原先的開關(guān)量信號變?yōu)?4 V電源，用于給J2 繼電器供電。在該回路中，當發(fā)生ESD動作（即失去電源）時，J2 繼電器將被斷電，導(dǎo)致常閉觸點J2 閉合，這時分勵線圈得到電源供應(yīng)，進而帶動脫扣器進行脫扣操作，使MCCB（塑殼斷路器）斷開。通過這種設(shè)計，當發(fā)生ESD動作時，J2 繼電器將被斷電，觸發(fā)分勵線圈得到電源供應(yīng)，從而實現(xiàn)脫扣操作，使得MCCB斷開。這種改進設(shè)計提高了回路的可靠性和操作的準確性。

圖5 某新建平臺低壓400 V配電盤馬達控制中心ESD回路Fig.5 ESD circuit of low-voltage 400 V distribution panel motor control center on a new platform

2.2.2 通過失壓脫扣器實現(xiàn)ESD功能

失壓脫扣器與斷路器的電源并聯(lián)，具有欠壓及零壓保護功能。在正常情況下，當電源電壓處于額定范圍時，通過操作手柄扳動，斷路器的常開輔助觸頭閉合，電磁鐵得到供電，銜鐵被電磁鐵吸住，主觸頭閉合且鎖定在合閘位置，使斷路器處于工作狀態(tài)。一旦停電或電源電壓過低時，電磁鐵所產(chǎn)生的電磁力難以克服彈簧的拉力，銜鐵被向上拉，通過傳動機構(gòu)推動自由脫扣機構(gòu)使斷路器掉閘，從而實現(xiàn)欠壓及零壓保護功能。失壓脫扣器并聯(lián)在斷路器的電源側(cè)，以確保在電源停電或電源電壓過低的情況下能夠及時斷開斷路器，以實現(xiàn)保護作用。在失壓脫扣器的電磁線圈回路中，通常還會串聯(lián)一個常閉按鈕，用于進行手動分閘操作。當電源電壓低于額定電壓40%時，失壓線圈會脫開，使斷路器掉閘分斷。這種設(shè)計能夠保證在電源電壓異常情況下，通過失壓脫扣器的動作實現(xiàn)斷路器的合閘和分閘，以確保電路的安全運行。

該油田2019 年新建平臺的低壓400 V配電盤饋線開關(guān)的ESD回路如圖6 所示。由UPS對失壓線圈YU 供電，并與ESD 常開觸點串聯(lián)。在正常情況下，ESD常開觸點閉合，保持線圈得電狀態(tài)。在異常情況下，ESD常開觸點斷開，導(dǎo)致YU線圈失去電源供應(yīng)，進而帶動脫扣器執(zhí)行脫扣操作，使得MCCB（塑殼斷路器）斷開。

圖6 某新建平臺低壓400 V配電盤饋線開關(guān)ESD回路Fig.6 ESD circuit of low-voltage 400 V distribution panel feeder switch on a new platform

這種配置確保了回路的可靠性和安全性。UPS對失壓線圈供電，并提供穩(wěn)定的電源，ESD通過控制失壓線圈通斷電實現(xiàn)脫扣操作，即使發(fā)生異常情況，如電源中斷或其他故障，ESD仍能正常工作并可及時切斷電流，從而保護設(shè)備和系統(tǒng)的安全運行。

2.3 ESD回路可靠性分析

上述幾種ESD回路的主要區(qū)別在于使用的線圈類型不同，即分勵線圈和失壓線圈。分勵線圈主要用于防止造成更大的事故損失或保護特定設(shè)施設(shè)置，如在發(fā)生火災(zāi)時，在消防噴淋啟動之前，通過信號驅(qū)動分勵線圈動作，切斷供電回路，防止二次傷害。失壓線圈主要用于防止供電系統(tǒng)失電后重新通電導(dǎo)致設(shè)備自動啟動，或其他回路突然通電，進而對人員和設(shè)備造成傷害。分勵線圈的可靠性較高，通過在回路中串接一個斷路器的輔助觸點，可以延長其使用壽命。對于低壓電氣設(shè)備，ESD回路的供電電源可以是交流電源或直流電源。中高壓電氣設(shè)備的控制回路通常采用直流電源供電，因為直流電源具有較高的可靠性。失壓線圈實現(xiàn)ESD功能的回路沒有短路保護，一旦失壓線圈燒毀，則可能導(dǎo)致短路，進而引發(fā)大面積電氣設(shè)備的斷電。

3 結(jié) 語

ESD系統(tǒng)是海洋石油平臺的標準配置，對平臺安全生產(chǎn)至關(guān)重要。設(shè)計ESD控制回路時，必須綜合考慮設(shè)備運行環(huán)境和安裝情況，以確保與其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行。每個環(huán)節(jié)都必須準確無誤、安全可靠，就像“木桶原理”一樣，因而需要考慮連接、操作方式、信號傳輸和互鎖機制等因素，并選擇適應(yīng)特殊條件的控制模塊和設(shè)備。關(guān)注ESD控制回路的可靠性和安全性，采用可靠元件，如繼電器、斷路器和觸點，確保系統(tǒng)快速、準確地響應(yīng)緊急情況，可為海洋石油平臺的安全生產(chǎn)提供有力支持。■