石化工業(yè)電源系統(tǒng)技術(shù)改造方案探討
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(chǎn)過程中稍有失誤將會釀成災難性事故,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(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(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)一標準,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(shè)計、施工和維護。下面結(jié)合儀表電源系統(tǒng)故障實例,針對改造方案的設(shè)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(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(chǎn)供電中斷,本應由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(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靜態(tài)開關(guān)1,產(chǎn)生故障的原因是由于UPS1內(nèi)部風扇故障,導致靜態(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8s的波動之后,靜態(tài)開關(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(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)絡出現(xiàn)一點接地故障,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)計當前缺乏統(tǒng)一標準,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)實際,改造儀表電源系統(tǒng),有許多成功的經(jīng)驗,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)安全運行的法則實行保守設(shè)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(shè)備、材料,如空氣開關(guān)、熔斷器、導線等,在選型時應采用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)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(guān)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(shè)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(shè)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(shè)計,防止專業(yè)分工間出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)。
3.2 儀表電源改造實例
某大型氨廠,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)進行了改造,技術(shù)方案,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(chǎn)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(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(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(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(shè)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
綜上所述,大型石油化工裝置儀表電源的設(shè)置,對于重要負荷和保安負荷的儀表供電系統(tǒng)必須進行保守設(shè)計,不能簡單地按《低壓配電裝置及線路設(shè)計規(guī)范》的一般原則進行,要增大部分經(jīng)濟投入。要把設(shè)計理念從保護電器設(shè)備本身安全轉(zhuǎn)移到保護生產(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)定運行。大化工裝置的長周期運行,就是保證了人身設(shè)備安全,保證了經(jīng)濟效益。