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化工自動化研究所 左 庚

1 前言

隨著石油化工工業(yè)的迅速發(fā)展，裝置規(guī)模越來越大型化、連續(xù)化，加之化工過程具有易燃、易爆、高溫、高壓、有毒、有害、有腐蝕等特點(diǎn)，生產(chǎn)過程中稍有失誤將會釀成災(zāi)難性事故，造成生產(chǎn)、設(shè)備、人員等多方面不可挽回的重大損失，所以各企業(yè)對生產(chǎn)裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行視為頭等大事。為此，許多大中型化工裝置使用DCS進(jìn)行過程控制，使用ESD/PLC進(jìn)行裝置的安全保護(hù)控制，系統(tǒng)的安全可靠性大大提高。生產(chǎn)控制與聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性，人們注意到DCS、ESD設(shè)備的可靠性設(shè)置――冗余配置、三重化設(shè)置等，使DCS、PLC的平均無故障工作時間MTBF=1.25Mh以上。但我們必須清醒地認(rèn)識到，要保證儀表控制系統(tǒng)可靠地運(yùn)行，在重視DCS、PLC自身設(shè)置可靠性的同時，必須重視它們的動力源――電源系統(tǒng)的可靠性設(shè)計。然而，儀表電源系統(tǒng)的設(shè)計目前尚未統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)規(guī)范中規(guī)定的UPS的平均無故障工作時間不小于55Kh，要比DCS的平均無故障工作時間大于1.25Mh低兩個數(shù)量級，所以在近幾年各大石化公司生產(chǎn)裝置發(fā)生的事故中，因儀表供電系統(tǒng)故障導(dǎo)致的裝置停車事故占有一定比例。因此，有的集團(tuán)公司在安全檢查會上專門提出：必須重視儀表電源的設(shè)計、施工和維護(hù)。下面結(jié)合儀表電源系統(tǒng)故障實(shí)例，針對改造方案的設(shè)計、維護(hù)中應(yīng)注意的問題進(jìn)行分析，并與同行們共同探討這一瓶頸問題的解決方法。

2 電源系統(tǒng)典型故障實(shí)例

根據(jù)調(diào)查了解，電源故障源多數(shù)出于單個UPS供電、蓄電池組個別電池內(nèi)阻增大、短路、一點(diǎn)接地等，人們對這些器件往往容易忽視，進(jìn)而使故障發(fā)生，釀成大禍。下面以實(shí)例說明。

例一 某集團(tuán)公司乙烯裂解裝置，因高壓電源故障而造成生產(chǎn)供電中斷，本應(yīng)由UPS自動轉(zhuǎn)入備用電池向儀表控制與聯(lián)鎖系統(tǒng)正常供電，保證控制與聯(lián)鎖停車。但是，因后備電池組中個別電池內(nèi)阻增大，UPS逆變轉(zhuǎn)換失敗，致使DCS、聯(lián)鎖ESD全部斷電失控，造成生產(chǎn)裝置事故的擴(kuò)大。然而該電池組幾個月前才被國外UPS廠家專項(xiàng)檢查確定為合格電池組。

例二 某現(xiàn)場―電磁閥密封不嚴(yán)，進(jìn)雨水接地短路，儀表供電分支空氣開關(guān)拒動，致使UPS輸出空氣開關(guān)過流跳開，造成兩套正常生產(chǎn)裝置的控制與聯(lián)鎖系統(tǒng)斷電而跳車。因該裝置的控制與聯(lián)鎖系統(tǒng)為斷電跳車式設(shè)計，沒有使事故進(jìn)一步擴(kuò)大，但遭受經(jīng)濟(jì)損失很大。

例三 另―石化集團(tuán)使用的熱備式儀表供電方案，而輸出電源只有一種，UPS1、UPS2的輸出電源都得通過靜態(tài)開關(guān)1，產(chǎn)生故障的原因是由于UPS1內(nèi)部風(fēng)扇故障，導(dǎo)致靜態(tài)開關(guān)1溫度上升引發(fā)輸出電壓波動，此時靜態(tài)開關(guān)1上面的一組處于一個從好到壞的中間狀態(tài)，時間長達(dá)8s的波動之后，靜態(tài)開關(guān)1下面的一組才導(dǎo)通切換到UPS2供電，所以造成DCS和PLC系統(tǒng)8s時間的失電。對于DCS來說，供電間斷時間不得大于20ms，而控制聯(lián)鎖的PLC供電間斷時間不得大于11ms。供電故障間斷時間8s，造成所有US操作站黑屏，操作處于失控狀態(tài)，聯(lián)鎖系統(tǒng)電磁閥動作，造成全裝置停車。

據(jù)反映，還有的生產(chǎn)裝置因UPS輸出總母線長期過熱相間絕緣下降，致使UPS輸出空氣開關(guān)過流跳闡斷電造成裝置斷電跳車。還有24VDC供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)一點(diǎn)接地故障，為生產(chǎn)裝置安全運(yùn)行埋下了重大隱患等等。儀表電源故障的發(fā)生，嚴(yán)重威協(xié)大型化工裝置安全運(yùn)行，已引起人們的關(guān)注，紛紛投入財力人力對供電電源實(shí)施技術(shù)改造。

3 電源系統(tǒng)技術(shù)改造方案探討

由于儀表電源系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)前缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)大型石化企業(yè)都參考國內(nèi)外比較成熟的技術(shù)設(shè)計方案，結(jié)合企業(yè)實(shí)際，改造儀表電源系統(tǒng)，有許多成功的經(jīng)驗(yàn)，從而保證了安全生產(chǎn)。

3.1 設(shè)計原則

為保證電源系統(tǒng)在任何情況下都萬無一失，必須遵照系統(tǒng)安全運(yùn)行的法則實(shí)行保守設(shè)計。特大型石油化工裝置中，儀表電源應(yīng)實(shí)行雙UPS配置，并各自配置蓄電池，工作時間宜分別為15～30min；電源額定容量按照儀表實(shí)際耗電量總和的2倍計算，并且應(yīng)環(huán)行向負(fù)載母線供電；與電源系統(tǒng)配套的輔助設(shè)備、材料，如空氣開關(guān)、熔斷器、導(dǎo)線等，在選型時應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，其容量必須按儀表實(shí)際耗電量總和的2～3倍考慮，以滿足儀表回路、電磁閥、行程開關(guān)等現(xiàn)場個體儀表出現(xiàn)短路、接地等準(zhǔn)故障時造成的電流沖擊承載力；要設(shè)計電源系統(tǒng)故障預(yù)報系統(tǒng)，利用報警系統(tǒng)將電源系統(tǒng)出現(xiàn)的接地、過流等準(zhǔn)故障及時檢出、及時將其消除，防止故障擴(kuò)大；針對當(dāng)前儀表電源由電氣、儀表兩個專業(yè)共同設(shè)計管理的現(xiàn)實(shí)，儀表專業(yè)要深入介入控制與聯(lián)鎖電源系統(tǒng)的設(shè)計，防止專業(yè)分工間出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)。

3.2 儀表電源改造實(shí)例

某大型氨廠，在經(jīng)歷了幾次儀表電源故障之后，認(rèn)真剖析了每次故障發(fā)生的原因，參照多套引進(jìn)裝置的儀表供電系統(tǒng)的設(shè)置，取各家設(shè)計之長，對儀表電源系統(tǒng)進(jìn)行了改造，技術(shù)方案
如圖1所示。

從圖1看出該電源系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

(1) 正常時由兩路380V交流電源向母線供電，一旦兩路380V電源電壓均跌落，事故柴油發(fā)電機(jī)自動啟動，30s后取代外供交流電源向母線正常供電。

(2) 變單臺UPS為雙臺UPS并聯(lián)運(yùn)行。采用意大利生產(chǎn)的波動CPS-3系列雙機(jī)并聯(lián)，功率均分別為30KVA的UPS，向控制與聯(lián)鎖系統(tǒng)提供220VAD電源。正常時由兩臺UPS分別供電，當(dāng)任何一臺UPS出現(xiàn)故障時，另一臺UPS自動承擔(dān)全部負(fù)荷，仍為一個完整的供電系統(tǒng)。

(3) 在儀表側(cè)設(shè)置總電流表和分電流表，分別設(shè)置報警裝置，監(jiān)測總負(fù)載和分負(fù)載局部發(fā)生的過流、短路等準(zhǔn)故障，以便及時發(fā)現(xiàn)并處理準(zhǔn)故障點(diǎn)，防止釀成大禍。

(4) 電纜、空氣開關(guān)、熔斷器等附件按照保守設(shè)計的原則選型施工。

(5) 制定系統(tǒng)維護(hù)規(guī)章，蓄電池堅(jiān)持一月一次帶電檢查，及時查出并換掉壞的電池。堅(jiān)持每
次的巡檢記錄，便于及時發(fā)現(xiàn)UPS的珠絲馬跡并及時處理，保障UPS安全運(yùn)行。改進(jìn)后的電源系統(tǒng)已在現(xiàn)場運(yùn)行了5年。

3.3 聯(lián)鎖供電系統(tǒng)的改進(jìn)

某大型乙烯裝置，聯(lián)鎖控制的電源系統(tǒng)是采用經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)換器的24VDC電源，該電源系統(tǒng)存在如下問題：

(1) 單路UPS供電，由于母線、UPS、電纜、主開關(guān)任一設(shè)備故障，都將造成系統(tǒng)失電。

(2) AC/DC轉(zhuǎn)換器故障也造成系統(tǒng)失電。

結(jié)合單位實(shí)際，采用了意大利ELCON公司生產(chǎn)的1500系列雙路獨(dú)立供電的AC/DC電源作為改造的關(guān)鍵設(shè)備，改進(jìn)后的供電方式如圖2所示.

電源系統(tǒng)改造后，強(qiáng)化系統(tǒng)維護(hù)措施，使乙烯裝置的信號報警和連鎖系統(tǒng)正常運(yùn)行。
3.4 電磁閥供電回路的改造

如圖3(a)所示的電磁閥供電回路，在該回路中，一旦電磁閥負(fù)極一側(cè)發(fā)生接地問題，繼電器控制的接點(diǎn)不管動作與否，都不會對電磁閥產(chǎn)生任何作用，電磁閥發(fā)生拒動現(xiàn)象。所以在聯(lián)鎖系統(tǒng)中，要堅(jiān)決避免此類設(shè)計，改進(jìn)后工作回路見圖3(b)所示。

綜上所述，大型石油化工裝置儀表電源的設(shè)置，對于重要負(fù)荷和保安負(fù)荷的儀表供電系統(tǒng)必須進(jìn)行保守設(shè)計，不能簡單地按《低壓配電裝置及線路設(shè)計規(guī)范》的一般原則進(jìn)行，要增大部分經(jīng)濟(jì)投入。要把設(shè)計理念從保護(hù)電器設(shè)備本身安全轉(zhuǎn)移到保護(hù)生產(chǎn)裝置的大安全上來，就是在事故狀態(tài)下寧可部分儀表、電器設(shè)備受損，也不能稍有越限就跳闡斷電，使生產(chǎn)裝置處于失控狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)裝置的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。大化工裝置的長周期運(yùn)行，就是保證了人身設(shè)備安全，保證了經(jīng)濟(jì)效益。