化工自動(dòng)化研究所 左 庚

1 前言

隨著(zhù)石油化工工業(yè)的迅速發(fā)展，裝置規模越來(lái)越大型化、連續化，加之化工過(guò)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(guò)程中稍有失誤將會(huì )釀成災難性事故，造成生產(chǎn)、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(chǎn)裝置安全穩定運行視為頭等大事。為此，許多大中型化工裝置使用DCS進(jìn)行過(guò)程控制，使用ESD/PLC進(jìn)行裝置的安全保護控制，系統的安全可靠性大大提高。生產(chǎn)控制與聯(lián)鎖系統的可靠性，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(wú)故障工作時(shí)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可靠地運行，在重視DCS、PLC自身設置可靠性的同時(shí)，必須重視它們的動(dòng)力源――電源系統的可靠性設計。然而，儀表電源系統的設計目前尚未統一標準，有關(guān)規范中規定的UPS的平均無(wú)故障工作時(shí)間不小于55Kh，要比DCS的平均無(wú)故障工作時(shí)間大于1.25Mh低兩個(gè)數量級，所以在近幾年各大石化公司生產(chǎn)裝置發(fā)生的事故中，因儀表供電系統故障導致的裝置停車(chē)事故占有一定比例。因此，有的集團公司在安全檢查會(huì )上專(zhuān)門(mén)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故障實(shí)例，針對改造方案的設計、維護中應注意的問(wèn)題進(jìn)行分析，并與同行們共同探討這一瓶頸問(wèn)題的解決方法。

2 電源系統典型故障實(shí)例

根據調查了解，電源故障源多數出于單個(gè)UPS供電、蓄電池組個(gè)別電池內阻增大、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(shuō)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(chǎn)供電中斷，本應由UPS自動(dòng)轉入備用電池向儀表控制與聯(lián)鎖系統正常供電，保證控制與聯(lián)鎖停車(chē)。但是，因后備電池組中個(gè)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(chǎn)裝置事故的擴大。然而該電池組幾個(gè)月前才被國外UPS廠(chǎng)家專(zhuān)項檢查確定為合格電池組。

例二 某現場(chǎng)―電磁閥密封不嚴，進(jìn)雨水接地短路，儀表供電分支空氣開(kāi)關(guān)拒動(dòng)，致使UPS輸出空氣開(kāi)關(guān)過(guò)流跳開(kāi)，造成兩套正常生產(chǎn)裝置的控制與聯(lián)鎖系統斷電而跳車(chē)。因該裝置的控制與聯(lián)鎖系統為斷電跳車(chē)式設計，沒(méi)有使事故進(jìn)一步擴大，但遭受經(jīng)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(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)1，產(chǎn)生故障的原因是由于UPS1內部風(fēng)扇故障，導致靜態(tài)開(kāi)關(guān)1溫度上升引發(fā)輸出電壓波動(dòng)，此時(shí)靜態(tài)開(kāi)關(guān)1上面的一組處于一個(gè)從好到壞的中間狀態(tài)，時(shí)間長(cháng)達8s的波動(dòng)之后，靜態(tài)開(kāi)關(guān)1下面的一組才導通切換到UPS2供電，所以造成DCS和PLC系統8s時(shí)間的失電。對于DCS來(lái)說(shuō)，供電間斷時(shí)間不得大于20ms，而控制聯(lián)鎖的PLC供電間斷時(shí)間不得大于11ms。供電故障間斷時(shí)間8s，造成所有US操作站黑屏，操作處于失控狀態(tài)，聯(lián)鎖系統電磁閥動(dòng)作，造成全裝置停車(chē)。

據反映，還有的生產(chǎn)裝置因UPS輸出總母線(xiàn)長(cháng)期過(guò)熱相間絕緣下降，致使UPS輸出空氣開(kāi)關(guān)過(guò)流跳闡斷電造成裝置斷電跳車(chē)。還有24VDC供電網(wǎng)絡(luò )出現一點(diǎn)接地故障，為生產(chǎn)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(guān)注，紛紛投入財力人力對供電電源實(shí)施技術(shù)改造。

3 電源系統技術(shù)改造方案探討

由于儀表電源系統設計當前缺乏統一標準，國內大型石化企業(yè)都參考國內外比較成熟的技術(shù)設計方案，結合企業(yè)實(shí)際，改造儀表電源系統，有許多成功的經(jīng)驗，從而保證了安全生產(chǎn)。

3.1 設計原則

為保證電源系統在任何情況下都萬(wàn)無(wú)一失，必須遵照系統安全運行的法則實(shí)行保守設計。特大型石油化工裝置中，儀表電源應實(shí)行雙UPS配置，并各自配置蓄電池，工作時(shí)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，并且應環(huán)行向負載母線(xiàn)供電；與電源系統配套的輔助設備、材料，如空氣開(kāi)關(guān)、熔斷器、導線(xiàn)等，在選型時(shí)應采用優(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(mǎn)足儀表回路、電磁閥、行程開(kāi)關(guān)等現場(chǎng)個(gè)體儀表出現短路、接地等準故障時(shí)造成的電流沖擊承載力；要設計電源系統故障預報系統，利用報警系統將電源系統出現的接地、過(guò)流等準故障及時(shí)檢出、及時(shí)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(gè)專(zhuān)業(yè)共同設計管理的現實(shí)，儀表專(zhuān)業(yè)要深入介入控制與聯(lián)鎖電源系統的設計，防止專(zhuān)業(yè)分工間出現的薄弱環(huán)節。

3.2 儀表電源改造實(shí)例

某大型氨廠(chǎng)，在經(jīng)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(jìn)裝置的儀表供電系統的設置，取各家設計之長(cháng)，對儀表電源系統進(jìn)行了改造，技術(shù)方案
如圖1所示。

從圖1看出該電源系統有如下特點(diǎn)：

(1) 正常時(shí)由兩路380V交流電源向母線(xiàn)供電，一旦兩路380V電源電壓均跌落，事故柴油發(fā)電機自動(dòng)啟動(dòng)，30s后取代外供交流電源向母線(xiàn)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(chǎn)的波動(dòng)CPS-3系列雙機并聯(lián)，功率均分別為30KVA的UPS，向控制與聯(lián)鎖系統提供220VAD電源。正常時(shí)由兩臺UPS分別供電，當任何一臺UPS出現故障時(shí)，另一臺UPS自動(dòng)承擔全部負荷，仍為一個(gè)完整的供電系統。

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

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

(5) 制定系統維護規章，蓄電池堅持一月一次帶電檢查，及時(shí)查出并換掉壞的電池。堅持每
次的巡檢記錄，便于及時(shí)發(fā)現UPS的珠絲馬跡并及時(shí)處理，保障UPS安全運行。改進(jìn)后的電源系統已在現場(chǎng)運行了5年。

3.3 聯(lián)鎖供電系統的改進(jìn)

某大型乙烯裝置，聯(lián)鎖控制的電源系統是采用經(jīng)過(guò)AC/DC轉換器的24VDC電源，該電源系統存在如下問(wèn)題：

(1) 單路UPS供電，由于母線(xiàn)、UPS、電纜、主開(kāi)關(guān)任一設備故障，都將造成系統失電。

(2) AC/DC轉換器故障也造成系統失電。

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

電源系統改造后，強化系統維護措施，使乙烯裝置的信號報警和連鎖系統正常運行。
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(wèn)題，繼電器控制的接點(diǎn)不管動(dòng)作與否，都不會(huì )對電磁閥產(chǎn)生任何作用，電磁閥發(fā)生拒動(dòng)現象。所以在聯(lián)鎖系統中，要堅決避免此類(lèi)設計，改進(jìn)后工作回路見(jiàn)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必須進(jìn)行保守設計，不能簡(jiǎn)單地按《低壓配電裝置及線(xiàn)路設計規范》的一般原則進(jìn)行，要增大部分經(jīng)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(chǎn)裝置的大安全上來(lái)，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(chǎn)裝置處于失控狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)裝置的長(cháng)周期安全穩定運行。大化工裝置的長(cháng)周期運行，就是保證了人身設備安全，保證了經(jīng)濟效益。