仪表电源系统的可靠性分析

　　1 前言

　　随着石油化工工业的迅速发展，装置规模越来越大型化、连续化，加之化工过程具有易燃、易爆、高温、高压、有毒、有害、有腐蚀等特点，生产过程中稍有失误将会酿成灾难性事故，造成生产、设备、人员等多方面不可挽回的重大损失，所以各企业对生产装置安全稳定运行视为头等大事。为此，许多大中型化工装置使用DCS进行过程控制，使用ESD/PLC进行装置的安全保护控制，系统的安全可靠性大大提高。生产控制与联锁系统的可靠性，人们注意到DCS、ESD设备的可靠性设置——冗余配置、三重化设置等，使DCS、PLC的平均无故障工作时间MTBF=1.25Mh以上。但我们必须清醒地认识到，要保证仪表控制系统可靠地运行，在重视DCS、PLC自身设置可靠性的同时，必须重视它们的动力源——电源系统的可靠性设计。然而，仪表电源系统的设计目前尚未统一标准，有关规范中规定的UPS的平均无故障工作时间不小于55Kh，要比DCS的平均无故障工作时间大于1.25Mh低两个数量级，所以在近几年各大石化公司生产装置发生的事故中，因仪表供电系统故障导致的装置停车事故占有一定比例。因此，有的集团公司在安全检查会上专门提出：必须重视仪表电源的设计、施工和维护。下面结合仪表电源系统故障实例，针对改造方案的设计、维护中应注意的问题进行分析，并与同行们共同探讨这一瓶颈问题的解决方法。

　　2 电源系统典型故障实例

　　根据调查了解，电源故障源多数出于单个UPS供电、蓄电池组个别电池内阻增大、短路、一点接地等，人们对这些器件往往容易忽视，进而使故障发生，酿成大祸。下面以实例说明。

　　例一 某集团公司乙烯裂解装置，因高压电源故障而造成生产供电中断，本应由UPS自动转入备用电池向仪表控制与联锁系统正常供电，保证控制与联锁停车。但是，因后备电池组中个别电池内阻增大，UPS逆变转换失败，致使DCS、联锁ESD全部断电失控，造成生产装置事故的扩大。然而该电池组几个月前才被国外UPS厂家专项检查确定为合格电池组。

　　例二 某现场—电磁阀密封不严，进雨水接地短路，仪表供电分支空气开关拒动，致使UPS输出空气开关过流跳开，造成两套正常生产装置的控制与联锁系统断电而跳车。因该装置的控制与联锁系统为断电跳车式设计，没有使事故进一步扩大，但遭受经济损失很大。

　　例三 —石化集团使用的热备式仪表供电方案，输出电源只有一种，UPS1、UPS2的输出电源都得通过静态开关1，产生故障的原因是由于UPS1内部风扇故障，导致静态开关1温度上升引发输出电压波动，此时静态开关1上面的一组处于一个从好到坏的中间状态，时间长达8s的波动之后，静态开关1下面的一组才导通切换到UPS2供电，所以造成DCS和PLC系统8s时间的失电。对于DCS来说，供电间断时间不得大于20ms，而控制联锁的PLC供电间断时间不得大于11ms。供电故障间断时间8s，造成所有US操作站黑屏，操作处于失控状态，联锁系统电磁阀动作，造成全装置停车。

　　据反映，还有的生产装置因UPS输出总母线长期过热相间绝缘下降，致使UPS输出空气开关过流跳阐断电造成装置断电跳车。还有24VDC供电网络出现一点接地故障，为生产装置安全运行埋下了重大隐患等等。仪表电源故障的发生，严重威协大型化工装置安全运行，已引起人们的关注，纷纷投入财力人力对供电电源实施技术改造。

　　3 电源系统技术改造方案探讨

　　由于仪表电源系统设计当前缺乏统一标准，国内大型石化企业都参考国内外比较成熟的技术设计方案，结合企业实际，改造仪表电源系统，有许多成功的经验，从而保证了安全生产。

　　3.1 设计原则

　　为保证电源系统在任何情况下都万无一失，必须遵照系统安全运行的法则实行保守设计。特大型石油化工装置中，仪表电源应实行双UPS配置，并各自配置蓄电池，工作时间宜分别为15～30min；电源额定容量按照仪表实际耗电量总和的2倍计算，并且应环行向负载母线供电；与电源系统配套的辅助设备、材料，如空气开关、熔断器、导线等，在选型时应采用优质产品，其容量必须按仪表实际耗电量总和的2～3倍考虑，以满足仪表回路、电磁阀、行程开关等现场个体仪表出现短路、接地等准故障时造成的电流冲击承载力；要设计电源系统故障预报系统，利用报警系统将电源系统出现的接地、过流等准故障及时检出、及时将其消除，防止故障扩大；针对当前仪表电源由电气、仪表两个专业共同设计管理的现实，仪表专业要深入介入控制与联锁电源系统的设计，防止专业分工间出现的薄弱环节。

　　3.2 仪表电源改造实例

　　某大型氨厂，在经历了几次仪表电源故障之后，认真剖析了每次故障发生的原因，参照多套引进装置的仪表供电系统的设置，取各家设计之长，对仪表电源系统进行了改造。该电源系统有如下特点：

　　(1) 正常时由两路380V交流电源向母线供电，一旦两路380V电源电压均跌落，事故柴油发电机自动启动，30s后取代外供交流电源向母线正常供电。

　　(2) 变单台UPS为双台UPS并联运行。采用意大利生产的波动CPS-3系列双机并联，功率均分别为30KVA的UPS，向控制与联锁系统提供220VAD电源。正常时由两台UPS分别供电，当任何一台UPS出现故障时，另一台UPS自动承担全部负荷，仍为一个完整的供电系统。

　　(3) 在仪表侧设置总电流表和分电流表，分别设置报警装置，监测总负载和分负载局部发生的过流、短路等准故障，以便及时发现并处理准故障点，防止酿成大祸。

　　(4) 电缆、空气开关、熔断器等附件按照保守设计的原则选型施工。

　　(5) 制定系统维护规章，蓄电池坚持一月一次带电检查，及时查出并换掉坏的电池。坚持每次的巡检记录，便于及时发现UPS的珠丝马迹并及时处理，保障UPS安全运行。改进后的电源系统已在现场运行了5年。

　　3.3 电磁阀供电回路的改造

　　在电磁阀供电回路中，一旦电磁阀负极一侧发生接地问题，继电器控制的接点不管动作与否，都不会对电磁阀产生任何作用，电磁阀发生拒动现象。所以在联锁系统中，要坚决避免此类设计。

　　综上所述，大型石油化工装置仪表电源的设置，对于重要负荷和保安负荷的仪表供电系统必须进行保守设计，不能简单地按《低压配电装置及线路设计规范》的一般原则进行，要增大部分经济投入。要把设计理念从保护电器设备本身安全转移到保护生产装置的大安全上来，就是在事故状态下宁可部分仪表、电器设备受损，也不能稍有越限就跳阐断电，使生产装置处于失控状态，从而保证生产装置的长周期安全稳定运行。大化工装置的长周期运行，就是保证了人身设备安全，保证了经济效益。

摘自　慧聪网