油气站场电控一体化装置的研发及应用

西安长庆科技工程有限责任公司

油气站场电控一体化装置的研发及应用

任晓峰 王登海 谭 滨 冯亚军

西安长庆科技工程有限责任公司

将电气、仪表及通信等设备集成为电控一体化装置（以下简称电控橇），可进一步提高站场橇装化水平，进一步优化流程，简化地面设施，全面提升装置技术水平，有效降低建设造价和运行成本。电控橇的研发是为了取消常规配电室、控制值班室、宿舍等建（构）筑物，实现站场快速、高质量的橇装化建设，并通过装置的智能供电、自动控制、数据采集、智能预警、远程紧急切断、视频监控、站间通信等功能，实现站场无人值守、定期巡检，在作业区监控中心统一远程监控的数字化管理。长庆首台电控装置于2013年11月中旬在长庆油田某集气站安装，实现了单日吊装、次日投产。装置运行满足现场各种生产工况的要求，还缩短了安装周期近30天，节约站占地面积30%以上。

油气站场；一体化；橇装化；电控橇；集成

将电气、仪表及通信等设备集成为电控一体化装置（以下简称电控橇），实现简化设计、采购、安装及调试，降低现场施工工作量，是解决工程新难题的好方法，也是对地面建设新模式的充实和完善。电控橇是实现站场建设全橇装化、一体化的重要组成部分和数字化管理的核心装置。油气站场采用电控橇与工艺橇配合，可进一步提高站场橇装化水平，优化流程，简化地面设施，全面提升装置技术水平，有效降低建设造价和运行成本。

1 装置设计思路

电控橇的研发是为了取消常规配电室、控制值班室、宿舍等建（构）筑物，实现站场快速、高质量的橇装化建设，并通过装置的智能供电、自动控制、数据采集、智能预警、远程紧急切断、视频监控、站间通信等功能，实现站场无人值守、定期巡检，在作业区监控中心统一远程监控的数字化管理。

电控橇与工艺橇的连接方式如图1所示。图中：Y1～Yn为工艺装置，DYX为电控装置，虚线为信号与控制线，实线为电力线，双点划线是光信号。Y1～Yn与DYX之间通过电缆连接，橇装工艺站场与作业区监控中心之间通过光缆连接。

图1 橇装站系统连接框图

DYX完成工艺装置的供电、数据采集、自动控制及连锁保护、站场视频信号采集与数据传输，并由所属作业区监控中心通过DYX完成橇装站的远程监视、报警和控制。

电控橇在研发过程中，要突破两个观念：一要突破专业界限，打破电气、仪表及通信3个专业限制，按装置功能需要，统筹考虑、统一布局，在同一平台进行设备集成、系统布置、综合布线等设计；二要突破设计界限，打破传统设计思路，由工程应用设计向设备制造设计转变，由产品选型设计向设备定制设计转变，实现设备统一、功能融合。

在此基础上，从集成和安全方面进行充分研究，评估装置性能，保证装置本体的安全和稳定。

2 装置设计的关键点

2.1 系统的集成

2.1.1 与工艺橇控制方式的统筹考虑

工艺橇的监控有两种方式：一是在橇本体设置控制单元完成数据采集与本地控制、数据与站场控制单元通信；二是在橇本体设置接线箱，信号传至站场控制单元集中进行监控。

本地控制的优势在于易于固化程序，方便单套装置的使用及站场的扩建。但受限于控制设备在橇体安装的防爆设计，同时站场一般采用多个工艺橇，不可避免要设置集中控制单元与各工艺橇控制单元通信，接收其他信号（如可燃气体、污水罐液位等），且串口通信调试容易出问题。

集中控制的优势在于不受工艺橇布置控制单元的防爆设计的限制，整体成本较低；缺点是整体调试的工作量较大、扩展不易，但可通过固定预留来解决，这需要做好站场的整体规划及标准化设计。

长庆橇装站场的设计是在标准化场站基础上发展的，具有整体规划及标准化的优势，采用集中控制的原则可以节约成本，站场扩展可以通过标准化的预留来解决。因此，工艺橇的仪表自控装置主要采用了在橇本体设置接线箱，信号传至站场控制单元集中进行监控的控制方式，对应电控橇考虑全站的数据采集及控制。

2.1.2 设备的集成

在保证功能的前提下，电控装置的设计首要考虑的是尽可能减少装置内的设施、缩小装置的体积，以便于装置的成橇和运输。对装置内各单元进行高度的集成主要从以下几个方面考虑：

（1）不同设备类型的集成。根据站场类型，3个专业设备使用14～15面机柜，优化后集成为供配电、变频、PLC、UPS及通信几个单元，可减至4～7面机柜。

（2）不同电压等级的集成。供配电单元在柱上变负荷不满足的情况下，电控装置要考虑整个装置的10kV/0.4kV的集成安装。主要采用的集成方式是按《高压/低压预装式变电站(GB/T17467—2010)》标准将电控箱体设置高压及低压2个区。

（3）强弱电设备进行集成。根据标准化站场的UPS及通信设备的数量及体积，UPS、通信设备可集成为1个单元、1面机柜。

（4）不同厂家产品的集成。配电、变频、PLC、UPS及通信设备很难由同一厂家全部生产，需要从性能、价格、安装尺寸等方面平衡，并由最终的制造厂进行机柜集成，保证安装的统一。

2.1.3 空间的利用

电控橇空间的高效利用一方面是为了减小体积、方便运输，另一方面是为降低成本。电控橇撬体采用箱式结构，分顶部、中部和基础三层。

（1）顶部根据橇内设备的不同，分为弧顶层和平顶层，设置通风、照明设施，其中弧顶采用强制通风、顶部排风，平顶设专用通风道、侧面排风。

（2）中部为单元机柜布置、检修、操作层，根据站场类型的不同，分为“L、一、П”型布局，检修通道充分利用机柜背面的橇体开门。

（3）基础层主要布线，采用槽盒并设隔板，布线槽根据机柜的布局分为底部布置或前面布置，门位置基础设置内台阶。

2.1.4 平台的通用化

通过对全类型装置进行相似性分析、通用性研究，按照标准、通用、精简的原则对全系列装置进行整合，制定统一制造标准，实现装置的模式标准化、平台通用化、设备模块化。

（1）模式标准化。实现型式统一，便于设计及管理。一是统一模式为高压模式与低压模式：高压模式适用于电加热增压点、注水站、联合站；低压模式适用于中低压集气站、高压集气站、脱水站、增压点、接转站、采出水回注站等。二是统一橇体制造标准：结构形式分上、中、下三层，上层为顶盖层，防雨、通风、照明，中层为设备布置、检修维护层，下部为基础电缆走线层；外观形式遵循《油气田地面工程视觉形象标准化设计规范》，采用汽车烤漆工艺；外观尺寸低压模式统一为4200mm× 2600mm×3020mm，高压模式统一为9000mm× 2600mm×3020mm；材料选择，底座为“工”字钢焊接，主、附骨架采用方钢，板材为聚氨酯防火隔温材料，门采用专用防水转轴锁，大型不锈钢合页，防风固定闭锁卡，双层防沙通风窗。

（2）平台通用化。实现安装统一，便于订货及生产。设计三种通用平台，统一各类装置的安装，方便提前采购和先期制造，缩短供货周期；同时预留一定的扩展能力，满足滚动开发后期站场调整时的需要。“П”型平台适用于中低压集气站、高压集气站、脱水站；“一”型平台适用于增压点、接转站、采出水回注站；“L”型平台适用于增压点（电加热）、注水站、联合站。

（3）设备模块化。实现装置通用，便于安装及维护。装置内部各功能单元均采用模块化设计，同功能单元做到设备外形尺寸、安装方式均相同，同类型装置之间可以互换。

2.2 系统的安全设施

2.2.1 电磁干扰防护

装置内部强、弱电设备高度集成，为避免电磁干扰对弱电设备造成影响，借鉴壳牌蝴蝶结分析方式，针对骚扰源、敏感设备、耦合途径及其他干扰因素进行分析，采取多种技术措施切断耦合途径，防止电磁干扰影响设备正常运行。

（1）屏蔽。各单元采用3mm金属机柜全封闭屏蔽，而非采用开放式非金属防护布局。

（2）接地。各单元机柜设置工作接地排与保护接地排，橇内设置总接地排，各机柜保护接地排与总接地排等电位连接，各机柜工作接地排相互连接并与总接地排等电位连接。

（3）布线。各单元之间连接线采用屏蔽电缆，强、弱电电缆在带隔板的槽盒内走线。

2.2.2 环境控制

为保障装置在野外恶劣环境下的正常运行，必须设置可靠的温度控制系统。装置统一设置了自然通风、强制通风、辅助空调、电加热系统及智能温度控制逻辑。

（1）自然通风。由设置在正门下侧及侧后门上侧的双层防沙通风窗形成下进、上出的风道，并利用机柜本体的强制散热风扇，形成对流。

（2）强制通风。由橇体顶层的风机和门板通风窗、橇外屋顶下檐通风孔形成强制对流。

（3）辅助空调及电加热。由冷暖空调和电加热器组成。

（4）智能温控逻辑。在橇内设置环境温度传感器，橇内温度超过30℃时控制单元启动强制风机，超过40℃时启动空调制冷；温度0℃时启动空调制热，温度降至-10℃时启动电加热装置。

2.2.3 防雷防爆设计

装置的防雷措施包括：①采取了完善装置和各单元系统机柜的等电位连接方式，在保证各单元机柜接地设置的基础上，橇本体设置了总接地排及四角接地螺栓，方便与站场接地装置连接；②在总电源进线端设置一级浪涌防护器。

按油气场所配电机柜室基础不低于600mm防爆要求，电控橇的基础考虑600mm高的密闭空间，一是满足规范要求，二是方便布线。

2.2.4 绝缘防护设计

为保障装置操作过程的安全性，装置内部所有带电部分的连接均采用全密封的形式，设备内部配电可触摸部分均具有绝缘功能，避免在操作和运行中人员触电危险。如外电—变压器电缆采用肘头电缆头连接，变压器—配电柜的母线置入密集型母线槽内，配电柜—电加热控制柜、配电柜—变频器柜的母线采用绝缘密封护套，橇内地面敷设绝缘橡胶垫等。

2.2.5 抗风核算

电控橇的设计采用无基础安装，仅做地基处理。由于橇使用位置地处空旷或黄土塬顶，环境风力常年在7～8级，需要验算装置的自稳定性。设计按照北方地区50年一遇的大风天气，最大风速为30m/s（国家相关标准可确定为11级风）进行抗风计算。一是计算橇与地面的摩擦力和承受的风载力，若摩擦力大于风载力，则装置不会产生水平移动，否侧要进行加固处理；二是计算橇的自重稳定力矩和风载力矩，若自重稳定力矩大于风载力矩，则装置不会产生侧翻，否侧要进行加固处理。

2.2.6 抗震核算

设计时对电控橇的结构强度是否能满足使用场合一般的抗震烈度进行了验算，主要是通过有限元结构分析软件ANSYS，采用振型分解反应谱分析法对电控橇的结构进行了9度设防烈度（0.4g）和9度罕遇烈度（0.62g）两级纵横两个方向地震作用下的抗震计算分析。

3 现场应用

3.1 应用情况

长庆首台电控装置于2013年11月中旬在长庆油田某集气站安装，实现了单日吊装、次日投产。经过8个多月的现场测试，装置运行平稳，各项功能均得到有效验证，设置的多个自控流程经全面测试全部符合设计要求，装置运行满足现场各种生产工况的要求，还缩短了安装周期近30天，节约站占地面积30%以上。

通过系列化研究，电控装置9大类18个系列基本满足了油气田各类站场（如增压点、接转站、脱水站、采出水回注站、联合站、注水站等）的控制要求。

3.2 应用效果

各类电控橇比常规站场平均节约占地面积30%以上，缩短建设周期50%以上，降低工程投资10%以上，此外通过远程终端控制实现了站场无人值守，节约了人力资源。电控橇装置在油气田规模使用后，从节约建设用地、缩短设计和建设周期、降低工程投资、减少操作人员、消除安全隐患、实现节能环保等各个方面，均取得了显著的效果。

4 结语

电控橇作为橇装站场的重要组成部分，集成了电气、仪表及通信各单元设备，实现了工厂组装、联合调试，可大大降低现场工作量及环境对施工的影响，有效保障了工程质量，降低了工程投资。电控一体化装置作为标准化设计的重大成果，是优化工艺、优化地面设备、减少站场层次、减少现场用工、节能降耗的重要载体，也是转变发展方式、创新油气田管理模式的重要举措，促进了标准化设计工作向更大范围、更宽领域、更高层次的发展，具有广泛的应用前景。

（栏目主持关梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.016