控制系統能耗計算方法及在海洋石油平臺應用

倪學莉，李 俊，王 晶，張庚新

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

目前，國內外針對控制系統能耗計算沒有比較可靠的取值依據，導致UPS和HVAC的負荷率不夠優化，一般都是儀表專業根據項目規模及I/O點數等大致情況借鑒個人工作經驗以及已投產大致規模項目中控廠家的用電量計算給出一個控制系統能耗估算值，電氣和機械專業利用該估算值來確定UPS和HVAC的功率。鑒于上述估算值的來源可知，該估算值沒有可靠的計算依據，如果估計少了，將來UPS和HVAC的負荷不夠會帶來很多問題，因此，經常會在估算時采取保守考慮取值較大，這樣勢必就會造成浪費。

1 控制系統能耗的組成及系統商的計算方法比較

1.1 控制系統能耗的組成

控制系統能耗源頭分為：卡件自身、外部設備、操作站、交換機、機柜風扇、機柜燈、可尋址盤[1-2]。

注：卡件自身耗電：I/O卡件、通訊卡件、控制器；外部設備耗電：變送儀表、電磁閥、探頭等，系統24 V供電；操作站：電腦主機、顯示器和CONSOLE；交換機（根據廠家機柜布置而定處于PCS、ESD、FGS哪個系統柜中）機柜風扇、機柜燈、可尋址盤；電源依項目要求而定一般采用110 V、120 V、220 V等。

1.2 各大控制系統能耗計算方法比較

對市場上幾大流行控制系統的廠家進行能耗對比分析，總結出幾大知名控制系統廠家關于控制系統能耗的計算方法，相關的一些細節如表1所示[3-7]。

表1 幾大知名中控廠家能耗計算對比分析Tab.1 Analysis of power consumption method for several famous control system manufacturer

2 控制系統能耗計算方法分析

2.1 控制系統用電精確計算方法

經過我方研究分析，提出一套針對于平臺不同工況（正常生產工況、應急關斷工況、火災工況）下，控制系統能耗精確計算方法，用于控制系統能耗估算，控制系統用電精確計算方法按照如下步驟實施：

第1步 依據平臺I/O清單類型分類打X%余量（余量根據項目需求而定，如20%，30%），按照各控制系統廠家的卡件產品進行I/O卡件的分配。

第2步 計算卡件自身的耗電量（依據各廠家提供參數值而得）。

第3步 針對不同工況分系統 （正常生產工況、應急關斷工況、火災工況）對負載進行耗電計算；注：負載耗電主要指現場儀表耗電。

第4步 將第二步和第三步的計算值進行疊加求和，再考慮電源模塊轉換的效率綜合求和，分別求出PCS、ESD、FGS三系統耗電量。

第5步 將外圍設備 （操作站耗電+交換機耗電+機柜風扇耗電+機柜燈耗電+打印機+服務器+風扇）按照提供的實際功耗求和。

第6步 依據平臺情況考慮是否選擇火氣可尋址盤，可尋址盤的卡件實際功耗疊加計算，外部負載根據實際探頭的功耗值。

第7步 考慮FGS系統充電電池的耗電（正常運行時為浮充狀態，基本已充滿，因此充電電池的耗電可根據項目需求考慮是否納入計算耗電范圍之內）。

第8步 根據FGS可尋址盤的布置位置，綜合考慮可尋址盤的耗電，耗電量依據可尋址盤系統的內部設備、尋址回路卡件查閱硬件參數依次疊加計算耗電值。

第9步 將第4步、第5步、第6步耗電值進行疊加，同時考慮第7步和第8步，綜合計算控制系統耗電總值。

2.2 控制系統散熱量精確計算方法

經研究分析，控制系統散熱精確計算方法按照如下步驟實施：

第1步 依據平臺I/O清單類型分類打30%余量，按照各廠家的卡件產品進行I/O卡件的分配。

第2步 依據各系統所需要的卡件、控制器、變壓器供電模塊散熱量總和疊加，取3%余量（散熱值依據廠家提供的參數資料）。

第3步 將外圍設備 （操作站耗電+交換機耗電+機柜風扇耗電+機柜燈耗電+打印機+服務器+風扇）的散熱值進行疊加。

第4步 根據FGS可尋址盤的布置位置，綜合考慮可尋址盤的散熱，散熱量依據可尋址盤系統的內部設備、尋址回路卡件查閱硬件參數依次疊加計算散熱。

第5步 將第2步與第3步求和，同時考慮第3步，綜合求和得出該控制系統散熱值。

注：操作室和機柜間在海洋平臺中基本設置在同一房間，故散熱量放在一起不再單獨計算。

3 中控能耗計算應用案例分析及推廣性

以BZ26-3平臺為例，針對研發的控制系統能耗計算方法進行了對比分析，如表2所示。

表2 系統能耗已知條件Tab.2 Input of power consumption for central control system

3.1 控制系統能耗計算軟件的運行界面及計算結果

在自研軟件界面中輸入項目能耗信息，如圖1所示。軟件自動生成控制系統的能耗結果，如圖2所示。軟件運行結果可以作為有效配置UPS與空調的依據。

圖1 能耗計算運行界面圖Fig.1 Operation interface diagram of power consumption calculation

圖2 正常工況下能耗計算結果Fig.2 Calculation results at condition of normal power consumption

3.2 海洋石油平臺現場實測法

通過海上對BZ26-3平臺進行現場控制系統耗電實測，其測試值為9000 W。

3.3 分析小結

（1）控制系統能耗計算軟件計算結果與實測結果一致；

（2）正常工況下控制系統耗電所占最大功耗百分比為9000 W/16100 W=56%；

（3）我方在設計耗電需求時已按照后期擴展X%考慮；

（4）控制系統耗電需求是按照最惡劣工況設計計算，比正常工況下高很多，一旦出現惡劣工況能提供相應的電量；

（5）正常工況部分設備不在工作狀態中，這樣在計算電源模塊效率及后期三系統取1.25系數后，三系統總耗電整體耗電比最大工況下大大降低。

本控制系統能耗計算方法已經在LF7-2FEED，SZ36-1II、QK18-1等項目進行了應用推廣，取得了較好效果，具有較好的推廣應用性。

4 結語

為響應國家節能減排的宗旨，需要設計出科學合理的中控能耗計算方法，科學購置UPS及合理配置中控室空調，充分滿足了海洋石油平臺快速發展的需求。提高了設計精度及質量，提高了工作效率，現階段已經成功應用于海洋平臺工程設計的所有項目中。

[1] 陸德民.石油化工自動控制設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2001.

[2] 樂嘉謙.儀表工手冊[M].北京：化學工業出版社，2004.

[3] 俞金壽，孫自強.過程控制系統[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4] 石油化工儀表自動化培訓教材編寫組.石油化工儀表自動化培訓教材：安全儀表控制系統（SIS）[M].北京：中國石化出版社，2009.

[5] 王樹青，樂嘉謙.自動化與儀表工程師手冊[M].北京：化學工業出版社，2010.

[6] 馬菲.DCS控制系統的構成與操作[M].北京：化學工業出版社，2012.

[7] 王常力，羅安.分布式控制系統（DCS）設計與應用實例[M].2版.北京：電子工業出版社，2010. ■