在产老油田火气系统电源柜适应性改造升级措施

谷现伟，娄本祥

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

火气系统(F＆G System)是石油化工等行业的重要安全保障设施之一，对可靠性要求非常高，一旦系统失效会导致操作人员丧失现场火情与可燃性气体泄漏情况的监控能力，后果非常严重。海上油田是一个相对封闭的环境，人员和设备集中，一旦发生事故，若无法及时响应和正确应对，将会引发覆灭性的后果。因此，火气系统的可靠性十分重要。然而，近几年伴随着石油价格的持续低迷，国家发展中对石油和天然气供应有着保供、稳供的强烈要求，寻找一条经济性、实用性同时兼顾安全性的设备适应性升级改造措施，对海上油田的安全生产就具有十分重要的意义。

1 海上油田火气系统

1.1 火气系统的定义

火气系统是海上平台针对火灾和气体探测的安全管理设备，通过现场火气探头(UV/IR探头、GAS探头、H2S探头、H2探头、烟探头、热探头、易熔塞等)连续在线监测，及时发现有毒、可燃气体泄漏、火灾事故，采取相应措施来控制火灾和气体泄漏的进一步蔓延，并根据现场情况启动相应的报警和消防设备，从而控制灾难的发生，以最大限度保障人员和设备安全，避免环境污染[1-3]。

1.2 火气系统的组成

火气系统由中央控制设备、独立供电设备、现场探测/报警设备组成，通过冗余的安全网络，与ESD(紧急关断系统)进行通讯，火气系统配备有冗余以太网接口，连接至控制系统的交换机实现与过程控制系统相互通讯。

2 某海上老油田火气系统电源柜存在的缺陷

目前海上平台中控系统的生产厂家比较多，大体上有GE、霍尼韦尔、艾默生、横河、ABB等厂家。各个厂家的系统之间供电方式是不同的，目前较为稳妥的方式是采用变压-整流方式和高频开关电源方式并联使用。而某海上老油田采用的GE公司的FGS系统，供电方式设计使用的是单一供电模式，即只有一路变压-整流供电柜为系统供电。

虽然变压-整流模式的技术成熟可靠，但是随着使用年限的延长，元器件逐步老化，难免会出现问题。同时，变压-整流供电方式本身也存在一定的缺点。渤海某海上油田采用的就是这种模式的电源供电方式(图1)，就曾经多次发生供电柜的低电压故障，该系统所使用的变压整流供电方式存在以下缺点：

图1 火气电源柜升级改造单线图

首先，变压-整流供电柜本身的备件冗余度不够，采用单回路供电，仅满足SIL2标准，可靠性较低。且此种类型电源柜在使用一定时间后，会出现电容击穿和瞬间低压的故障，没有故障规律。

第二，变压-整流供电方式电能转换效率低，发热量大。从现场实际测量来看，变压-整流供电柜的电能转换效率低于30%，而与之相比较的高频开关式电源电能转换效率可以达到90%左右。转换效率低造成设备的无效负荷增加，电能以热能和电磁波等方式散发到外界，长期高温运行引发各电子元件的寿命降低，易造成元器件击穿及火灾事故。

第三，供电柜设计有缺陷，缺少必要的通风散热设备。对于变压器、电容、二极管等主要发热元件没有任何强制散热措施，仅仅靠元件本身散热片进行散热。这种设计风格严重依赖元件本身的质量，对可能发生的过热问题考虑不足。

第四，备件更换困难。从各平台供电柜故障问题来看，一旦供电柜内部元器件损坏或出现故障时，只能对供电柜做停机处理，难以实现备件的在线更换和维修，增加了现场停机风险和维修人员的压力。

3 升级改造的思路及可行性分析

3.1 升级改造的思路与方案

第一种思路，鉴于火气系统电源柜的重要性，油田考虑对火气系统进行整体更换。更换后将系统安全度等级由SIL2提升到SIL3，保证日常运转的稳定。但该思路存在3个重要弊端：

(1)控制室空间有限，无法安装更大体积的柜体；

(2)设备整体更换费用昂贵，将产生较高费用；

(3)设备整体更换耗时较长，需要油田长时间停产配合更换，影响油田产量。

第二种思路，进行适应生升级改造。该思路通过以下6点来解决其存在问题：

(1)设计并增加冗余的UPS电源，包括二极管，稳压电源，电池组等组成；

(2)定期进行热成像检查，对温度过高的元器件进行重点关注；

(3)加强对柜内元器件运行状态的观察，例如电容是否鼓包、漏液，电阻外观及接线状态；

(4)每3年对柜内蓄电池进行强制更换，确保蓄电池运行稳定；

(5)采购常用备件，如电容、电阻及保险等；

(6)升级更换全新架构设计双路冗余UPS控制器，从本质上提高设备可靠性。

3.2 思路对比与可行性分析

鉴于思路一的改造措施违背了现场处理问题的经济性和实用性原则，且超出了现场解决能力，无法及时有效的进行落实，故思路一无法通过。而思路二中的做法值得我们进行论证。

按照现场要求，需要做到以下3个方面：

(1)设计并选择冗余的UPS电源，包括二极管，稳压电源，电池组等组成，为节约空间，将其模块化。传统的UPS电源、二极管、稳压电源、电池组等体积较大，老油田中控空间有限，更换完成后需要考虑空间问题。经过多方考察、咨询、论证，采取WEIMULER公司的模块化设计二极管、稳压电源、电池组占用体积较小，可以满足现场空间需求；

(2)更换全新架构双路冗余UPS。新电源UPS柜可采用两路电源冗余输入，根据现场功率计算，现场需要功率是1 942.44 W，现场可以选用4组40 A的UPS电源电路并联，蓄电池一路采用4组24 V的电路(图1)，满足功率需求的情况下，还留有一定的余量。这样，当任何一路电源出现故障都不会影响系统正常运行。此外，在线路上增加在线监测系统，实时监测电网电压、电流、功率情况，并将其上传至上位机，方便值班人员第一时间发现电源问题；

(3)选择开关稳压电源，保证电流稳定输出的同时，避免因火气系统故障造成电网的冲击，引发次生故障。开关稳压电源是一种电压转换电源电路，由变压器和一个充当“开和关”功能的晶体管串联于电路中，直流电经过晶体管的“开和关”状态，在电路上形成脉冲电压，这个脉冲电压在变压器的磁芯上面形成瞬间变化的磁场，然后在同一磁场里的另一个线圈上就感应出了脉冲电压，这个脉冲电压经过整流和滤波就形成了输出的直流电压了，稳压部分是由输出电压提供信号控制晶体管的开关时间及幅度，达到稳压输出的目的[4]。采用开关稳压电源高效节能，适应海上变化能力强，体积小，重量轻，能够有效满足现场需求。

4 电源柜适应性升级改造及使用效果验证

4.1 电源柜适应性升级改造

电源柜采用两路电源冗余输出设计，任何一路电源出现故障都不会影响系统正常运行。每路电源都采用4套小型供电系统并联供电，在某一套供电系统出现问题时可以断掉该套供电系统进行检修，不影响其他供电系统正常运行。电源柜采用两路交流供电，转换为2路直流电源相互冗余，给火气系统供电，第一路电源采用4个40 A直流模块单独给UPS模块供电，UPS模块通过二极管模块输出给系统供电，UPS可以给电池充电，在外部电源断电时电池经过UPS放电保证设备正常运行。第二路电源采用4个40 A直流模块通过二极管模块输出给系统供电。

改造应采用两路电源冗余输入，任何一路电源发生故障都不能影响系统的正常运行。改造后的UPS应有电源运行状态指示灯和电源报警出点，报警触点接入中控PKS系统，便于平台监控电源系统运行状况，且电源UPS应选择模块化组件，便于后期维护与检修更换。

4.2 改造效果验证及分析

火气系统电源柜升级后，由单一回路供电模式升级为双回路供电，单供电回路结构由单一的变压—整流模式升级为4组开关式电源并联输出结构，最大电流输出能力提高100%，电池充电功率下降50%，且能够实现元器件故障后在线更换，电源柜整体冗余能力与可靠性均实现大幅提升，具体性能对比如表1所示。

表1 改造前后性能参数对比

改造完成后，经过一年的使用，火气系统电源柜充放电正常，电压、电流稳定，达到了预想的效果。

5 结语

此次适应性升级改造，保障油田火气系统稳定的同时，排除了油田的一项较大的隐患。它还使生产运营维护人员认识到，在进行维保的过程中，通过部分适应性升级改造来代替整体更换的思路是可行的。此项改造同样适用于其他火气电源柜的电源供电回路，如举一反三推广到了具有类似问题的其他油田装置，可为后期新投产的项目火气电源柜的采用提供参考经验[3]。