某海上油田電力系統優先脫扣系統改造研究

昝智海

摘 要：文章針對某海上油田電力系統的優先脫口的原理、現狀，以某海上油田優先脫口為例，結合海上油氣田電力系統的實際情況，對海上油田電力系統的優先脫口系統改造進行研究，并提出并分析某海上油田的優先脫扣改造方案，同時可為新油田開發提供優先脫扣設計參考。

關鍵詞：優先脫扣；過電流保護；PLC；分級；卸載

中圖分類號：U674.38 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）12-0001-03

電力系統是現代化工業企業當中不可或缺的重要組成部分，而電力系統中，“安全供電，安全生產”又是重中之重。優先脫扣系統就是企業為了保證安全生產供電所專門獨立設置的一套控制系統。在石油化工系統的生產過程中，更能深刻體現出優先脫扣系統的重要性。

1 優先脫扣系統介紹

1.1 優先脫扣的作用

發電機和變壓器等的主要供電設備，長期超載運行，會由于發熱大，溫升高而引起損壞。為了避免這種故障發生，如前所述設計了長延時過電流脫扣保護。例如：當發電機負荷電流超過發電機額定值的15%～25%時，長延時過電流保護動作經過20 s左右的延時，斷開真空斷路器停止供電，達到保護發電機的目的。

斷路器跳閘后，發電機雖然得到了保護，但電站卻停電，生產中斷了，這樣的電站系統的可靠性較低，為此設計了優先脫扣功能。

雖然負荷管理系統檢測到發電機負荷超過90%額定值時，負荷管理系統會發出信號起動第二臺發電機，但燃氣輪發電機從起動到投入運行往往需要4～5 min，較大的過載會使第一臺發電機在20 s左右的時間內，還等不到第二臺機組投入就跳閘停電。優先脫扣功能又可在長延時過電流保護動作前的20 s內，先將部分負荷卸掉，避免發電機超載，使長延時過電流保護不動作，等第二臺發電機自動投入并聯后，再投入卸掉的負荷，這種設計就可以避免電站系統在超載時出現跳閘停電的現象，提高了電站運行的可靠性。上述的提前卸載功能就是優先脫扣。

1.2 優先脫扣值的設定

優先脫扣保護實際上也是一個長延時過電流保護，只是其設定值與長延時過電流保護設定的不同而已。

1.2.1 設定的原則

設定值必須小于長延時過電流保護的設定值。它應先于長延時過電流保護動作，如果長延時過電流保護設定在120%的額定值，則優先脫扣就應設定在120%的額定值以下，可以取115%，105%，100%，95%，90%，85%……等。

主變壓器的長延時過電流保護值設定為120%的額定值，優先脫扣雖也設定在120%，但無延時，還是可以先于過流保護動作。

1.2.2 動作時間

一般在15 s以內完成，可以根據過載的大小和機組的運行情況，分1次或2次優先脫扣。

2 某油田優先脫扣系統目前的現狀和存在的問題

①此前，由于部分大功率設備停用，原電力系統脫扣邏輯發生變化。

②現增加了新設備，新增設備的負荷已經超過脫扣后單臺發電機的負荷，所以要在優先脫扣系統中加入，接回改造前原設備的脫扣回路。

③原優先系統由JACOM發電機控制器和相關中間繼電器組成，其功能較簡單，控制范圍也較小。而且隨著設備和負荷的變化，原先的分組級別及邏輯需要較大的改動，這些改動都需要通過硬線變化，施工不方便且風險較大。同時，由于油田電潛泵負荷越來越大，占透平機主體部分，如何靈活控制這部分負載，保護發電機及穩定生產，對優先脫扣系統改造有重要意義。

3 優先脫扣改造

3.1 PLC控制系統

增加一套獨立的PLC控制系統，實時采集平臺的負載運行信息及發電機組運行信息，采用循環累加優化算法，實時計算當發生發電機故障時需要卸載的負載數量，當發電機斷路器跳閘時立刻切除超載部分負載，改造后采用編程及設置終端控制可編程控制器，并通過遠程I/O對現場設備進行控制。監測、控制系統內設備運行狀態，對于系統內設備可以統一進行組態，設置各個設備的優先級別，對實時發生的各種報警和故障作出及時的調整和變化，以保證平臺必要設備的運行，保證油田的正常生產。

3.2 優先脫扣系統

新方案中優先脫扣系統如圖1所示，由新增加的一套A-B，Control Logix 5000 PLC和Panel View Plus1000觸摸屏來控制。ControlLogix系統是一種框架式控制系統，具有最新的I/O技術。ControlLogix系統可以在嚴格的工業環境下長期、穩定地運行。ControlLogix系統具備良好的電磁兼容性，支持I/O模板在系統運行過程中進行帶電熱的插拔、交換。

Control Logix 5000 PLC可以對各機組的運行、停止、溫度等實時數據進行采集，然后再經過一系列的運算，當機組出現故障時能對負載進行合理的脫卸。

按照以上拓撲圖：

①通過編程及設置終端（IFIX）獨立通信網絡監視并控制PLC（AB的CompactlLogix），以達到監視并控制優先脫扣狀況，調整現場各設備優先級，記錄并處理報警信息等功能。

②PLC（AB的CompactLogix的1769-L32E）作為控制器，接受編程及設置終端命令，讀取并控制現場設備運行。同時將讀取到的實時數據傳送給編程及設置終端。（具體邏輯關系可參考PLC程序，程序圖如圖2所示）。

③現場設備根據PLC命令，脫開或合上相應負荷。

3.3 分級設置的優點

①可以根據系統實際需要進行脫扣動作。

②可以在系統發生變化的情況下，調整各脫扣系統的優先級，以更好的適應變化后的系統。

③可以對各個優先級別的設備進行負荷統計，在脫扣動作執行之前，就可以提前預見到脫扣后效果。

3.4 優先脫扣的負荷分組

優先脫扣在過載時優先卸掉的負荷是不太重要的負荷，其分組如下：

A組 （用于發電機優先脫扣） 注水系統。

B組 吊機、空調、海水提升泵A、電伴熱、造淡機。

C組 生活模塊（不包括應急部分）。

D組 （用于主變壓器的優先脫扣）電潛泵。

3.5 優先脫扣設定原則

本電站系統發電機的優先脫扣設定值在負荷管理器起動另一臺發電機的設定值（90%）以上，而又在發電機的長延時過電流保護設定值（120%）以下。

3.6 本系統的優先脫扣邏輯

優先脫口系統硬件控制原理圖如圖3所示，優先脫口系統硬件控制原理圖如圖4所示。

①如果系統剩下兩臺透平機帶載運行，在系統出現過載信號時，延時5 s后將實際運行負荷總量（Q1）與當前運行機組總容量（Q）的80%進行比較，若Q1>80%Q，則執行1級優先脫扣。

在執行完1級優先脫扣后，延時5 s后，再將此時Q1與80%Q進行比較，若Q1若仍然大于80%Q，則執行2級優先脫扣。

如果有發電機超溫信號，延時5S脫掉1級和2級負載，若仍然有超溫信號，延時5 s脫3級負載。

②如果系統只有一臺透平機帶載運行，當透平機發生過載，若Q1>80%Q，立即脫掉1級和2級負載，在執行完1、2級優先脫扣后，延時5秒后，再將此時Q1與80%Q進行比較，若Q1若仍然大于80%Q，則執行3級優先脫扣。

如果有發電機超溫信號，延時5 s脫掉1級負載和2級負載，若仍然超溫，延時5 s脫3級負載。

③如果系統兩臺透平運行時，有一臺透平突然故障停機。此時立刻將Q1與Q進行比較，若Q1>80%Q，立即脫掉1級和2級負載，在執行完1、2級優先脫扣后，延時5 s后，再將此時Q1與80%Q進行比較，若Q1若仍然大于80%Q，則執行3級優先脫扣。

④如果有發電機超溫信號，延時5 s脫掉1級負載和2級負載，若仍然超溫，延時5 s脫3級負載。

經過上述優化后，即使在只有一臺主機運行的情況下，仍能保證部分油田不停產，供電系統的可靠性進一步提高。同時，井口平臺保持正常生產，避免了海管凝管的風險。

PLC實時取樣各機組的狀態，當有機組溫度過高（如果達到關停機組的設定值20 s內溫度還沒有降下去，那么該機組就會關停。

所以負載的脫卸必須在十幾秒內完成，給機組一個降溫的時間）或負荷率超過90%時，延時5 s進行一級脫扣，脫去Pre.1的負載，此時應急機啟動帶應急母排；若負荷率仍然超過90%或溫度高，延時10 s進行二級脫扣。為了防止有突然的波動，在PLC程序里應該對采樣來的數據進行過濾處理。

優先脫扣就是根據系統檢測到不同級別的動作電流，實現關斷不同組別的設備，從而由低級別關斷設備，在最大程度的保護到發電機的同時，還能保證生產。

3.7 編程及設置終端

目前對于優先脫扣系統的脫扣條件只能在相應的JACOM控制器進行調整，如果因為工程或者維修需要強制某些動作的話，在JACOM控制器強制動作影響范圍較大，這樣既不方便也不合理。

例如，以前因為發電機參數設置出問題導致起機時引起超溫脫扣，在原因不明之前，只有在脫扣控制器上摘除3臺發電機的過熱信號。

新增加編程及設置終端既便于觀察控制邏輯和條件，又可以在特殊情況下旁通脫扣條件和強制脫扣動作。

編程及設置終端畫面主要包括三部分，如圖5和圖6所示。

①現場設備實時狀況畫面。

②設備優先級更改及強制畫面。

③設備優先級列表。

4 使用效果評價

本方案利用油田原系統特點，通過利用潿洲電網有限脫扣控制方式，通過再進行軟硬件連接測試，最終完成優先脫扣改造，實現改造方案。改造后，油田優先系統穩定運行，運行一年多，未出現因為優先脫扣系統動作導致電力系統關斷、油田停產的情況，減少了大量的經濟損失，一次關斷需要約2 h全面恢復電力系統及生產系統，以油田日產1 200方原油，原油價格80美元計算，年減少損失約180萬美元。

5 結 語

①改造后優先脫扣系統運行情況表明，對海上油田電力系統的保護方案是可行的。

②可編程控制系統具有嚴謹的邏輯控制功能，較之繼電器控制的安全可靠性有著巨大的優勢。

③可編程控制系統具有強大的可擴展性，提高了現有系統的適用范圍。可編程控制系統保證了在今后的生產當中，對于增加的設備和負荷進行及時的調整，不必大范圍更改控制部分，很快地融入到整個優先脫扣系統當中，提高了整體的生產效率。

④網絡的實時性和可靠性提高了系統的通訊能力，能夠第一時間發現并且解決問題。

⑤能夠對現有的系統內設備的運行狀態進行顯示，并對系統實時脫扣狀態進行統計。對于設備優先級的調整，只要在編程及設置終端上對設備進行屬性的相應更改，就能達到目標，更能及時的適應系統的變化。

⑥中文化的人機界面不僅提高控制模式水平，體現現代化的控制理念，更方便員工的學習和使用。

參考文獻：

[1] 國家電力調度通信中心.電力系統繼電保護實用技術問答[M].北京：中國電力出版社，2000.