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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，生產過程中稍有失誤將會釀成災難性事故，造成生產、設備、人員等多方面不可挽回的重大損失，所以各企業(yè)對生產裝置安全穩(wěn)定運行視為頭等大事。為此，許多大中型化工裝置使用DCS進行過程控制，使用ESD/PLC進行裝置的安全保護控制，系統(tǒng)的安全可靠性大大提高。生產控制與聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性，人們注意到DCS、ESD設備的可靠性設置――冗余配置、三重化設置等，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識到，要保證儀表控制系統(tǒng)可靠地運行，在重視DCS、PLC自身設置可靠性的同時，必須重視它們的動力源――電源系統(tǒng)的可靠性設計。然而，儀表電源系統(tǒng)的設計目前尚未統(tǒng)一標準，有關規(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低兩個數量級，所以在近幾年各大石化公司生產裝置發(fā)生的事故中，因儀表供電系統(tǒng)故障導致的裝置停車事故占有一定比例。因此，有的集團公司在安全檢查會上專門提出：必須重視儀表電源的設計、施工和維護。下面結合儀表電源系統(tǒng)故障實例，針對改造方案的設計、維護中應注意的問題進行分析，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)典型故障實例

根據調查了解，電源故障源多數出于單個UPS供電、蓄電池組個別電池內阻增大、短路、一點接地等，人們對這些器件往往容易忽視，進而使故障發(fā)生，釀成大禍。下面以實例說明。

例一 某集團公司乙烯裂解裝置，因高壓電源故障而造成生產供電中斷，本應由UPS自動轉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阻增大，UPS逆變轉換失敗，致使DCS、聯(lián)鎖ESD全部斷電失控，造成生產裝置事故的擴大。然而該電池組幾個月前才被國外UPS廠家專項檢查確定為合格電池組。

例二 某現(xiàn)場―電磁閥密封不嚴，進雨水接地短路，儀表供電分支空氣開關拒動，致使UPS輸出空氣開關過流跳開，造成兩套正常生產裝置的控制與聯(lián)鎖系統(tǒng)斷電而跳車。因該裝置的控制與聯(lián)鎖系統(tǒng)為斷電跳車式設計，沒有使事故進一步擴大，但遭受經濟損失很大。

例三 另―石化集團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1，產生故障的原因是由于UPS1內部風扇故障，導致靜態(tài)開關1溫度上升引發(fā)輸出電壓波動，此時靜態(tài)開關1上面的一組處于一個從好到壞的中間狀態(tài)，時間長達8s的波動之后，靜態(tài)開關1下面的一組才導通切換到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。

據反映，還有的生產裝置因UPS輸出總母線長期過熱相間絕緣下降，致使UPS輸出空氣開關過流跳闡斷電造成裝置斷電跳車。還有24VDC供電網絡出現(xiàn)一點接地故障，為生產裝置安全運行埋下了重大隱患等等。儀表電源故障的發(fā)生，嚴重威協(xié)大型化工裝置安全運行，已引起人們的關注，紛紛投入財力人力對供電電源實施技術改造。

3 電源系統(tǒng)技術改造方案探討

由于儀表電源系統(tǒng)設計當前缺乏統(tǒng)一標準，國內大型石化企業(yè)都參考國內外比較成熟的技術設計方案，結合企業(yè)實際，改造儀表電源系統(tǒng)，有許多成功的經驗，從而保證了安全生產。

3.1 設計原則

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)安全運行的法則實行保守設計。特大型石油化工裝置中，儀表電源應實行雙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際耗電量總和的2倍計算，并且應環(huán)行向負載母線供電；與電源系統(tǒng)配套的輔助設備、材料，如空氣開關、熔斷器、導線等，在選型時應采用優(yōu)質產品，其容量必須按儀表實際耗電量總和的2～3倍考慮，以滿足儀表回路、電磁閥、行程開關等現(xiàn)場個體儀表出現(xiàn)短路、接地等準故障時造成的電流沖擊承載力；要設計電源系統(tǒng)故障預報系統(tǒng)，利用報警系統(tǒng)將電源系統(tǒng)出現(xiàn)的接地、過流等準故障及時檢出、及時將其消除，防止故障擴大；針對當前儀表電源由電氣、儀表兩個專業(yè)共同設計管理的現(xiàn)實，儀表專業(yè)要深入介入控制與聯(lián)鎖電源系統(tǒng)的設計，防止專業(yè)分工間出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)。

3.2 儀表電源改造實例

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

從圖1看出該電源系統(tǒng)有如下特點：

(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)運行。采用意大利生產的波動CPS-3系列雙機并聯(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，當任何一臺UPS出現(xiàn)故障時，另一臺UPS自動承擔全部負荷，仍為一個完整的供電系統(tǒng)。

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

(4) 電纜、空氣開關、熔斷器等附件按照保守設計的原則選型施工。

(5) 制定系統(tǒng)維護規(guī)章，蓄電池堅持一月一次帶電檢查，及時查出并換掉壞的電池。堅持每
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安全運行。改進后的電源系統(tǒng)已在現(xiàn)場運行了5年。

3.3 聯(lián)鎖供電系統(tǒng)的改進

某大型乙烯裝置，聯(lián)鎖控制的電源系統(tǒng)是采用經過AC/DC轉換器的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、主開關任一設備故障，都將造成系統(tǒng)失電。

(2) AC/DC轉換器故障也造成系統(tǒng)失電。

結合單位實際，采用了意大利ELCON公司生產的1500系列雙路獨立供電的AC/DC電源作為改造的關鍵設備，改進后的供電方式如圖2所示.

電源系統(tǒng)改造后，強化系統(tǒng)維護措施，使乙烯裝置的信號報警和連鎖系統(tǒng)正常運行。
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，一旦電磁閥負極一側發(fā)生接地問題，繼電器控制的接點不管動作與否，都不會對電磁閥產生任何作用，電磁閥發(fā)生拒動現(xiàn)象。所以在聯(lián)鎖系統(tǒng)中，要堅決避免此類設計，改進后工作回路見圖3(b)所示。

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