油氣站場電控一體化裝置的研發及應用

西安長慶科技工程有限責任公司

油氣站場電控一體化裝置的研發及應用

任曉峰 王登海 譚 濱 馮亞軍

西安長慶科技工程有限責任公司

將電氣、儀表及通信等設備集成為電控一體化裝置（以下簡稱電控橇），可進一步提高站場橇裝化水平，進一步優化流程，簡化地面設施，全面提升裝置技術水平，有效降低建設造價和運行成本。電控橇的研發是為了取消常規配電室、控制值班室、宿舍等建（構）筑物，實現站場快速、高質量的橇裝化建設，并通過裝置的智能供電、自動控制、數據采集、智能預警、遠程緊急切斷、視頻監控、站間通信等功能，實現站場無人值守、定期巡檢，在作業區監控中心統一遠程監控的數字化管理。長慶首臺電控裝置于2013年11月中旬在長慶油田某集氣站安裝，實現了單日吊裝、次日投產。裝置運行滿足現場各種生產工況的要求，還縮短了安裝周期近30天，節約站占地面積30%以上。

油氣站場；一體化；橇裝化；電控橇；集成

將電氣、儀表及通信等設備集成為電控一體化裝置（以下簡稱電控橇），實現簡化設計、采購、安裝及調試，降低現場施工工作量，是解決工程新難題的好方法，也是對地面建設新模式的充實和完善。電控橇是實現站場建設全橇裝化、一體化的重要組成部分和數字化管理的核心裝置。油氣站場采用電控橇與工藝橇配合，可進一步提高站場橇裝化水平，優化流程，簡化地面設施，全面提升裝置技術水平，有效降低建設造價和運行成本。

1 裝置設計思路

電控橇的研發是為了取消常規配電室、控制值班室、宿舍等建（構）筑物，實現站場快速、高質量的橇裝化建設，并通過裝置的智能供電、自動控制、數據采集、智能預警、遠程緊急切斷、視頻監控、站間通信等功能，實現站場無人值守、定期巡檢，在作業區監控中心統一遠程監控的數字化管理。

電控橇與工藝橇的連接方式如圖1所示。圖中：Y1～Yn為工藝裝置，DYX為電控裝置，虛線為信號與控制線，實線為電力線，雙點劃線是光信號。Y1～Yn與DYX之間通過電纜連接，橇裝工藝站場與作業區監控中心之間通過光纜連接。

圖1 橇裝站系統連接框圖

DYX完成工藝裝置的供電、數據采集、自動控制及連鎖保護、站場視頻信號采集與數據傳輸，并由所屬作業區監控中心通過DYX完成橇裝站的遠程監視、報警和控制。

電控橇在研發過程中，要突破兩個觀念：一要突破專業界限，打破電氣、儀表及通信3個專業限制，按裝置功能需要，統籌考慮、統一布局，在同一平臺進行設備集成、系統布置、綜合布線等設計；二要突破設計界限，打破傳統設計思路，由工程應用設計向設備制造設計轉變，由產品選型設計向設備定制設計轉變，實現設備統一、功能融合。

在此基礎上，從集成和安全方面進行充分研究，評估裝置性能，保證裝置本體的安全和穩定。

2 裝置設計的關鍵點

2.1 系統的集成

2.1.1 與工藝橇控制方式的統籌考慮

工藝橇的監控有兩種方式：一是在橇本體設置控制單元完成數據采集與本地控制、數據與站場控制單元通信；二是在橇本體設置接線箱，信號傳至站場控制單元集中進行監控。

本地控制的優勢在于易于固化程序，方便單套裝置的使用及站場的擴建。但受限于控制設備在橇體安裝的防爆設計，同時站場一般采用多個工藝橇，不可避免要設置集中控制單元與各工藝橇控制單元通信，接收其他信號（如可燃氣體、污水罐液位等），且串口通信調試容易出問題。

集中控制的優勢在于不受工藝橇布置控制單元的防爆設計的限制，整體成本較低；缺點是整體調試的工作量較大、擴展不易，但可通過固定預留來解決，這需要做好站場的整體規劃及標準化設計。

長慶橇裝站場的設計是在標準化場站基礎上發展的，具有整體規劃及標準化的優勢，采用集中控制的原則可以節約成本，站場擴展可以通過標準化的預留來解決。因此，工藝橇的儀表自控裝置主要采用了在橇本體設置接線箱，信號傳至站場控制單元集中進行監控的控制方式，對應電控橇考慮全站的數據采集及控制。

2.1.2 設備的集成

在保證功能的前提下，電控裝置的設計首要考慮的是盡可能減少裝置內的設施、縮小裝置的體積，以便于裝置的成橇和運輸。對裝置內各單元進行高度的集成主要從以下幾個方面考慮：

（1）不同設備類型的集成。根據站場類型，3個專業設備使用14～15面機柜，優化后集成為供配電、變頻、PLC、UPS及通信幾個單元，可減至4～7面機柜。

（2）不同電壓等級的集成。供配電單元在柱上變負荷不滿足的情況下，電控裝置要考慮整個裝置的10kV/0.4kV的集成安裝。主要采用的集成方式是按《高壓/低壓預裝式變電站(GB/T17467—2010)》標準將電控箱體設置高壓及低壓2個區。

（3）強弱電設備進行集成。根據標準化站場的UPS及通信設備的數量及體積，UPS、通信設備可集成為1個單元、1面機柜。

（4）不同廠家產品的集成。配電、變頻、PLC、UPS及通信設備很難由同一廠家全部生產，需要從性能、價格、安裝尺寸等方面平衡，并由最終的制造廠進行機柜集成，保證安裝的統一。

2.1.3 空間的利用

電控橇空間的高效利用一方面是為了減小體積、方便運輸，另一方面是為降低成本。電控橇撬體采用箱式結構，分頂部、中部和基礎三層。

（1）頂部根據橇內設備的不同，分為弧頂層和平頂層，設置通風、照明設施，其中弧頂采用強制通風、頂部排風，平頂設專用通風道、側面排風。

（2）中部為單元機柜布置、檢修、操作層，根據站場類型的不同，分為“L、一、П”型布局，檢修通道充分利用機柜背面的橇體開門。

（3）基礎層主要布線，采用槽盒并設隔板，布線槽根據機柜的布局分為底部布置或前面布置，門位置基礎設置內臺階。

2.1.4 平臺的通用化

通過對全類型裝置進行相似性分析、通用性研究，按照標準、通用、精簡的原則對全系列裝置進行整合，制定統一制造標準，實現裝置的模式標準化、平臺通用化、設備模塊化。

（1）模式標準化。實現型式統一，便于設計及管理。一是統一模式為高壓模式與低壓模式：高壓模式適用于電加熱增壓點、注水站、聯合站；低壓模式適用于中低壓集氣站、高壓集氣站、脫水站、增壓點、接轉站、采出水回注站等。二是統一橇體制造標準：結構形式分上、中、下三層，上層為頂蓋層，防雨、通風、照明，中層為設備布置、檢修維護層，下部為基礎電纜走線層；外觀形式遵循《油氣田地面工程視覺形象標準化設計規范》，采用汽車烤漆工藝；外觀尺寸低壓模式統一為4200mm× 2600mm×3020mm，高壓模式統一為9000mm× 2600mm×3020mm；材料選擇，底座為“工”字鋼焊接，主、附骨架采用方鋼，板材為聚氨酯防火隔溫材料，門采用專用防水轉軸鎖，大型不銹鋼合頁，防風固定閉鎖卡，雙層防沙通風窗。

（2）平臺通用化。實現安裝統一，便于訂貨及生產。設計三種通用平臺，統一各類裝置的安裝，方便提前采購和先期制造，縮短供貨周期；同時預留一定的擴展能力，滿足滾動開發后期站場調整時的需要。“П”型平臺適用于中低壓集氣站、高壓集氣站、脫水站；“一”型平臺適用于增壓點、接轉站、采出水回注站；“L”型平臺適用于增壓點（電加熱）、注水站、聯合站。

（3）設備模塊化。實現裝置通用，便于安裝及維護。裝置內部各功能單元均采用模塊化設計，同功能單元做到設備外形尺寸、安裝方式均相同，同類型裝置之間可以互換。

2.2 系統的安全設施

2.2.1 電磁干擾防護

裝置內部強、弱電設備高度集成，為避免電磁干擾對弱電設備造成影響，借鑒殼牌蝴蝶結分析方式，針對騷擾源、敏感設備、耦合途徑及其他干擾因素進行分析，采取多種技術措施切斷耦合途徑，防止電磁干擾影響設備正常運行。

（1）屏蔽。各單元采用3mm金屬機柜全封閉屏蔽，而非采用開放式非金屬防護布局。

（2）接地。各單元機柜設置工作接地排與保護接地排，橇內設置總接地排，各機柜保護接地排與總接地排等電位連接，各機柜工作接地排相互連接并與總接地排等電位連接。

（3）布線。各單元之間連接線采用屏蔽電纜，強、弱電電纜在帶隔板的槽盒內走線。

2.2.2 環境控制

為保障裝置在野外惡劣環境下的正常運行，必須設置可靠的溫度控制系統。裝置統一設置了自然通風、強制通風、輔助空調、電加熱系統及智能溫度控制邏輯。

（1）自然通風。由設置在正門下側及側后門上側的雙層防沙通風窗形成下進、上出的風道，并利用機柜本體的強制散熱風扇，形成對流。

（2）強制通風。由橇體頂層的風機和門板通風窗、橇外屋頂下檐通風孔形成強制對流。

（3）輔助空調及電加熱。由冷暖空調和電加熱器組成。

（4）智能溫控邏輯。在橇內設置環境溫度傳感器，橇內溫度超過30℃時控制單元啟動強制風機，超過40℃時啟動空調制冷；溫度0℃時啟動空調制熱，溫度降至-10℃時啟動電加熱裝置。

2.2.3 防雷防爆設計

裝置的防雷措施包括：①采取了完善裝置和各單元系統機柜的等電位連接方式，在保證各單元機柜接地設置的基礎上，橇本體設置了總接地排及四角接地螺栓，方便與站場接地裝置連接；②在總電源進線端設置一級浪涌防護器。

按油氣場所配電機柜室基礎不低于600mm防爆要求，電控橇的基礎考慮600mm高的密閉空間，一是滿足規范要求，二是方便布線。

2.2.4 絕緣防護設計

為保障裝置操作過程的安全性，裝置內部所有帶電部分的連接均采用全密封的形式，設備內部配電可觸摸部分均具有絕緣功能，避免在操作和運行中人員觸電危險。如外電—變壓器電纜采用肘頭電纜頭連接，變壓器—配電柜的母線置入密集型母線槽內，配電柜—電加熱控制柜、配電柜—變頻器柜的母線采用絕緣密封護套，橇內地面敷設絕緣橡膠墊等。

2.2.5 抗風核算

電控橇的設計采用無基礎安裝，僅做地基處理。由于橇使用位置地處空曠或黃土塬頂，環境風力常年在7～8級，需要驗算裝置的自穩定性。設計按照北方地區50年一遇的大風天氣，最大風速為30m/s（國家相關標準可確定為11級風）進行抗風計算。一是計算橇與地面的摩擦力和承受的風載力，若摩擦力大于風載力，則裝置不會產生水平移動，否側要進行加固處理；二是計算橇的自重穩定力矩和風載力矩，若自重穩定力矩大于風載力矩，則裝置不會產生側翻，否側要進行加固處理。

2.2.6 抗震核算

設計時對電控橇的結構強度是否能滿足使用場合一般的抗震烈度進行了驗算，主要是通過有限元結構分析軟件ANSYS，采用振型分解反應譜分析法對電控橇的結構進行了9度設防烈度（0.4g）和9度罕遇烈度（0.62g）兩級縱橫兩個方向地震作用下的抗震計算分析。

3 現場應用

3.1 應用情況

長慶首臺電控裝置于2013年11月中旬在長慶油田某集氣站安裝，實現了單日吊裝、次日投產。經過8個多月的現場測試，裝置運行平穩，各項功能均得到有效驗證，設置的多個自控流程經全面測試全部符合設計要求，裝置運行滿足現場各種生產工況的要求，還縮短了安裝周期近30天，節約站占地面積30%以上。

通過系列化研究，電控裝置9大類18個系列基本滿足了油氣田各類站場（如增壓點、接轉站、脫水站、采出水回注站、聯合站、注水站等）的控制要求。

3.2 應用效果

各類電控橇比常規站場平均節約占地面積30%以上，縮短建設周期50%以上，降低工程投資10%以上，此外通過遠程終端控制實現了站場無人值守，節約了人力資源。電控橇裝置在油氣田規模使用后，從節約建設用地、縮短設計和建設周期、降低工程投資、減少操作人員、消除安全隱患、實現節能環保等各個方面，均取得了顯著的效果。

4 結語

電控橇作為橇裝站場的重要組成部分，集成了電氣、儀表及通信各單元設備，實現了工廠組裝、聯合調試，可大大降低現場工作量及環境對施工的影響，有效保障了工程質量，降低了工程投資。電控一體化裝置作為標準化設計的重大成果，是優化工藝、優化地面設備、減少站場層次、減少現場用工、節能降耗的重要載體，也是轉變發展方式、創新油氣田管理模式的重要舉措，促進了標準化設計工作向更大范圍、更寬領域、更高層次的發展，具有廣泛的應用前景。

（欄目主持關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.016