控制系统能耗计算方法及在海洋石油平台应用

倪学莉，李 俊，王 晶，张庚新

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

目前，国内外针对控制系统能耗计算没有比较可靠的取值依据，导致UPS和HVAC的负荷率不够优化，一般都是仪表专业根据项目规模及I/O点数等大致情况借鉴个人工作经验以及已投产大致规模项目中控厂家的用电量计算给出一个控制系统能耗估算值，电气和机械专业利用该估算值来确定UPS和HVAC的功率。鉴于上述估算值的来源可知，该估算值没有可靠的计算依据，如果估计少了，将来UPS和HVAC的负荷不够会带来很多问题，因此，经常会在估算时采取保守考虑取值较大，这样势必就会造成浪费。

1 控制系统能耗的组成及系统商的计算方法比较

1.1 控制系统能耗的组成

控制系统能耗源头分为：卡件自身、外部设备、操作站、交换机、机柜风扇、机柜灯、可寻址盘[1-2]。

注：卡件自身耗电：I/O卡件、通讯卡件、控制器；外部设备耗电：变送仪表、电磁阀、探头等，系统24 V供电；操作站：电脑主机、显示器和CONSOLE；交换机（根据厂家机柜布置而定处于PCS、ESD、FGS哪个系统柜中）机柜风扇、机柜灯、可寻址盘；电源依项目要求而定一般采用110 V、120 V、220 V等。

1.2 各大控制系统能耗计算方法比较

对市场上几大流行控制系统的厂家进行能耗对比分析，总结出几大知名控制系统厂家关于控制系统能耗的计算方法，相关的一些细节如表1所示[3-7]。

表1 几大知名中控厂家能耗计算对比分析Tab.1 Analysis of power consumption method for several famous control system manufacturer

2 控制系统能耗计算方法分析

2.1 控制系统用电精确计算方法

经过我方研究分析，提出一套针对于平台不同工况（正常生产工况、应急关断工况、火灾工况）下，控制系统能耗精确计算方法，用于控制系统能耗估算，控制系统用电精确计算方法按照如下步骤实施：

第1步 依据平台I/O清单类型分类打X%余量（余量根据项目需求而定，如20%，30%），按照各控制系统厂家的卡件产品进行I/O卡件的分配。

第2步 计算卡件自身的耗电量（依据各厂家提供参数值而得）。

第3步 针对不同工况分系统 （正常生产工况、应急关断工况、火灾工况）对负载进行耗电计算；注：负载耗电主要指现场仪表耗电。

第4步 将第二步和第三步的计算值进行叠加求和，再考虑电源模块转换的效率综合求和，分别求出PCS、ESD、FGS三系统耗电量。

第5步 将外围设备 （操作站耗电+交换机耗电+机柜风扇耗电+机柜灯耗电+打印机+服务器+风扇）按照提供的实际功耗求和。

第6步 依据平台情况考虑是否选择火气可寻址盘，可寻址盘的卡件实际功耗叠加计算，外部负载根据实际探头的功耗值。

第7步 考虑FGS系统充电电池的耗电（正常运行时为浮充状态，基本已充满，因此充电电池的耗电可根据项目需求考虑是否纳入计算耗电范围之内）。

第8步 根据FGS可寻址盘的布置位置，综合考虑可寻址盘的耗电，耗电量依据可寻址盘系统的内部设备、寻址回路卡件查阅硬件参数依次叠加计算耗电值。

第9步 将第4步、第5步、第6步耗电值进行叠加，同时考虑第7步和第8步，综合计算控制系统耗电总值。

2.2 控制系统散热量精确计算方法

经研究分析，控制系统散热精确计算方法按照如下步骤实施：

第1步 依据平台I/O清单类型分类打30%余量，按照各厂家的卡件产品进行I/O卡件的分配。

第2步 依据各系统所需要的卡件、控制器、变压器供电模块散热量总和叠加，取3%余量（散热值依据厂家提供的参数资料）。

第3步 将外围设备 （操作站耗电+交换机耗电+机柜风扇耗电+机柜灯耗电+打印机+服务器+风扇）的散热值进行叠加。

第4步 根据FGS可寻址盘的布置位置，综合考虑可寻址盘的散热，散热量依据可寻址盘系统的内部设备、寻址回路卡件查阅硬件参数依次叠加计算散热。

第5步 将第2步与第3步求和，同时考虑第3步，综合求和得出该控制系统散热值。

注：操作室和机柜间在海洋平台中基本设置在同一房间，故散热量放在一起不再单独计算。

3 中控能耗计算应用案例分析及推广性

以BZ26-3平台为例，针对研发的控制系统能耗计算方法进行了对比分析，如表2所示。

表2 系统能耗已知条件Tab.2 Input of power consumption for central control system

3.1 控制系统能耗计算软件的运行界面及计算结果

在自研软件界面中输入项目能耗信息，如图1所示。软件自动生成控制系统的能耗结果，如图2所示。软件运行结果可以作为有效配置UPS与空调的依据。

图1 能耗计算运行界面图Fig.1 Operation interface diagram of power consumption calculation

图2 正常工况下能耗计算结果Fig.2 Calculation results at condition of normal power consumption

3.2 海洋石油平台现场实测法

通过海上对BZ26-3平台进行现场控制系统耗电实测，其测试值为9000 W。

3.3 分析小结

（1）控制系统能耗计算软件计算结果与实测结果一致；

（2）正常工况下控制系统耗电所占最大功耗百分比为9000 W/16100 W=56%；

（3）我方在设计耗电需求时已按照后期扩展X%考虑；

（4）控制系统耗电需求是按照最恶劣工况设计计算，比正常工况下高很多，一旦出现恶劣工况能提供相应的电量；

（5）正常工况部分设备不在工作状态中，这样在计算电源模块效率及后期三系统取1.25系数后，三系统总耗电整体耗电比最大工况下大大降低。

本控制系统能耗计算方法已经在LF7-2FEED，SZ36-1II、QK18-1等项目进行了应用推广，取得了较好效果，具有较好的推广应用性。

4 结语

为响应国家节能减排的宗旨，需要设计出科学合理的中控能耗计算方法，科学购置UPS及合理配置中控室空调，充分满足了海洋石油平台快速发展的需求。提高了设计精度及质量，提高了工作效率，现阶段已经成功应用于海洋平台工程设计的所有项目中。

[1] 陆德民.石油化工自动控制设计手册[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2] 乐嘉谦.仪表工手册[M].北京：化学工业出版社，2004.

[3] 俞金寿，孙自强.过程控制系统[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4] 石油化工仪表自动化培训教材编写组.石油化工仪表自动化培训教材：安全仪表控制系统（SIS）[M].北京：中国石化出版社，2009.

[5] 王树青，乐嘉谦.自动化与仪表工程师手册[M].北京：化学工业出版社，2010.

[6] 马菲.DCS控制系统的构成与操作[M].北京：化学工业出版社，2012.

[7] 王常力，罗安.分布式控制系统（DCS）设计与应用实例[M].2版.北京：电子工业出版社，2010. ■