天然氣凈化廠DCS/ESD供配電優化

西南油氣田分公司重慶天然氣凈化總廠

天然氣凈化廠主要對天然氣進行脫硫（碳）、脫水并對酸氣進行處理[1-2]。由于天然氣凈化廠的工藝介質具有高溫、高壓、有毒、有害等特性[3]，根據天然氣凈化廠相關設計規范，需設置DCS（分布式控制系統）、ESD（緊急停車系統）來滿足生產安全。DCS的主要功能是實現天然氣凈化裝置生產過程中的分散控制、集中操作和管理[4]。ESD 的主要功能是實現生產裝置運行過程中的異常情況和工廠關閉時的安全緊急停車，實現人員、設備的安全保護，避免危險擴散造成更大的損失[5]。

1 DCS/ESD供配電組成

DCS/ESD 系統硬件主要包括服務器站、工程師站、操作員站、打印機站、現場控制站及相關的網絡設備等[6]。每個現場控制站由系統柜和端子柜組成，系統柜內有冗余控制器、I/O（輸入/輸出）卡件、電源卡件等配置；端子柜內有冗余電源、浪涌保護器、安全柵、信號轉換器、端子等配置[7]，是現場儀表與DCS/ESD 系統相連的關鍵環節，具有為現場儀表供電、信號隔離、信號轉換、信號防浪涌等功能。

天然氣凈化廠DCS/ESD 系統供配電可分為四部分：UPS（不間斷電源）的供配電，即UPS的進線和至電源分配柜出線；系統站的供配電，主要為DCS/ESD 系統柜、端子柜、服務器、操作站、交換機等提供220 V AC 電源；柜內供配電，主要包括系統柜內卡件的供配電、端子柜內用電儀表的供配電；現場儀表供配電，主要為現場儀表提供220 V AC和24 V DC的工作電源，其中為現場點火系統、火檢系統、PLC、輻射高溫計、在線分析儀等提供220 V AC 電源，為現場電磁閥、四線制儀表、三線制儀表提供24 V DC電源[8]。

2 存在問題及改進措施

2.1 未冗余供電

DCS/ESD 系統柜、端子柜未冗余供電；服務器未冗余供電；冗余交換機共用一個電源，未分開供電。在施工設計中，電源線路僅采用一路來自UPS電源分配柜的供電線路，供電線路接入柜內后分兩路并聯接入冗余用電模塊（圖1），該供電方式存在較大的安全隱患：當供電線路出現故障或其中一個供電模塊出現故障引起電源開關跳閘時，都將導致該柜的供電電源丟失，造成生產裝置失去監控或聯鎖停車的重大事故，從而失去電源模塊冗余配置的意義，降低了DCS/ESD運行的安全性、可靠性[9]。

圖1 原單回路供電方式Fig.1 Riginal power supply mode of single circuit

改進措施：對于具有雙重化電源要求的DCS/ESD等系統，其雙重化的交流電源配電柜宜分別獨立設置，空氣開關、端子排等應分開布置[10]。因此對DCS/ESD 系統柜、端子柜、服務器柜增加一條220 V AC 供電線路，由單回路供電變為雙回路供電，實現冗余電源模塊的獨立供電，避免了冗余電源模塊供電回路中故障的互相影響，從而提高冗余設備運行的可靠性，實現冗余設備的真正冗余，如圖2所示。

圖2 優化后的冗余供電方式Fig.2 Redundant power supply mode after optimization

2.2 24 V DC電源模塊報警信號未使用

端子柜內通常安裝有冗余24 V DC 電源模塊，其作用包括：為柜內安全柵、信號轉換器等用電儀表提供電源；為現場電磁閥、四線制儀表、三線制儀表提供電源。端子柜供電的可靠性要求不亞于系統柜供電的可靠性要求，端子柜供電中斷一樣會導致與該端子柜相連儀表所在的裝置區域失去監控或聯鎖停車。24 V DC 電源模塊是供電的關鍵設備，其報警信號未接入DCS系統。

改進措施：選擇端子柜冗余24 V DC電源模塊的報警信號常閉觸點，將冗余電源模塊的2個常閉觸點串成一個DI（開關量輸入）信號回路接入DCS，并將其報警級設置為“緊急”；只要電源模塊中任一個報警信號觸發都將導致DCS 系統中對應的報警觸發，便于及時發現和處置24 V DC電源模塊故障，以保證端子柜內24 V DC供電的可靠性[11]。

2.3 端子柜內現場儀表配電存在強、弱電混配

現場儀表配電主要通過DCS/ESD 端子柜實現。在同一端子柜內，既有為現場220 V AC 用電儀表配電的電源浪涌保護器、電源排、供電線路、開關，又有為柜內以及現場24 V DC用電儀表配電的電源浪涌保護器、電源排、供電線路、開關，如圖3所示。這種強、弱電混配的方式，造成端子柜內配電方式和線路復雜，大大增加了檢修誤操作的風險，同時也增加了交直流供電回路串接導致24 V DC電源和用電儀表因強電壓燒毀的風險。

改進措施：將現場220 V AC 用電儀表的配電回路（電源浪涌保護器、電源排、供電線路、開關）統一設置在電源分配柜內，端子柜內僅對24 V DC 用電儀表進行配電，如圖4 所示，既節約了端子柜的安裝空間，又避免了端子柜內強、弱電混配存在的安全風險。

2.4 電源分配柜內部設置不合理

將需冗余供電和非冗余供電的供電線路接在同一供電排上，未分開設置，當某一供電線路或設備發生短路故障時，將導致整個電源分配柜的所有供電都受影響，降低了供電質量和供電可靠性；原電源分配柜內僅考慮DCS/ESD 系統及輔助設施的供電，未考慮現場220 V AC 用電儀表的供電，導致端子柜內存在強電、弱電混配的現象。如圖3、圖5所示。

改進措施：將需冗余供電和非冗余供電的儀表設備或機柜分開設置供電端子排，減小供電回路相互間的影響度，保證電源分配柜的供電質量和可靠性；通過對非冗余供電母排上游安裝雙電源切換開關，實現了只能單電源供電的現場儀表及操作站、第三方通信控制器等中控設備的冗余供電；對所有的220 V AC 供電回路作統一考慮，將其供電回路及回路內的浪涌保護器、開關等都設置在電源分配柜內，便于管理和方便操作；如圖6所示。

2.5 24 V DC供電線路保護設置不合理

端子柜內安裝有溫度變送器、安全柵、隔離器、信號分配器等儀表，另外裝置現場安裝的電磁閥、三線制儀表、四線制儀表也需24 V DC電源供電，存在8 臺儀表共用一個24 V DC 電源供電線路和供電保險的問題，如圖7 所示。當某個24 V DC供電回路發生短路故障導致電源保險被燒毀時，將導致其他所有共用該保險的儀表供電中斷停止工作；尤其是參與控制和聯鎖的儀表失效時，將引發裝置失去控制或聯鎖停車[9]。

DCS/ESD 系統的DO（開關量輸出）信號控制了繼電器線圈的通、斷電，從而實現繼電器觸點閉合、斷開的控制；在天然氣凈化裝置中，主要用于兩位式控制閥的開關、點火槍的伸縮和泵的啟停等。當DO用于控制切斷閥的開關、點火槍的伸縮時，需要在繼電器的觸點回路中串接24 V DC的電源，在大竹分廠、萬州分廠的DCS/ESD 中，也同樣存在8個繼電器的輸出觸點回路共用一個24 V DC電源供電線路和供電保險的問題。

改進措施：每個需要單獨供24 V DC電源的用電儀表均需獨立設置供電電源保險端子（圖8）；每個DO繼電器輸出觸點回路獨立設置供電電源保險端子；從而實現故障影響分離，縮小故障影響范圍。

圖3 原DCS/ESD端子柜供電圖Fig.3 Power supply diagram of original DCS/ESD terminal cabinet

圖4 優化后的DCS/ESD端子柜供電圖Fig.4 Power supply diagram of DCS/ESD terminal cabinet after optimization

圖5 原電源柜供電示意圖Fig.5 Schematic diagram of original power supply cabinet

圖6 優化后的電源分配柜供電圖Fig.6 Power supply diagram of power distribution cabinet after optimization

圖7 24 V DC供電回路共用保險端子示意圖Fig.7 Schematic diagram of common safety terminals for 24 V DC power supply circuit

圖8 優化后的24 V DC供電回路示意圖Fig.8 Schematic diagram of 24 V DC power supply circuit after optimization

2.6 UPS單供電出口問題

DCS/ESD電源應采用UPS[10]，目前凈化總廠各分廠配置給DCS/ESD 供電的UPS 均采用兩臺并聯負荷均分的運行方式，UPS的輸出經并接兩個開關后分為兩路輸出至電源分配柜供電，如圖9 所示。UPS自帶有控制電路，實現市電正常供電、電池供電、旁路切換、單UPS供電等，導致UPS只有1路外供電出口。從UPS 在天然氣凈化廠的運行來看，近幾年先后在忠縣、大竹、長壽、萬州等天然氣凈化廠出現因UPS自身故障導致UPS無供電輸出，從而導致DCS/ESD 全掉電而引發裝置聯鎖停車事故。UPS 單供電出口嚴重制約和降低了供電的質量。

圖9 現UPS供電示意圖Fig.9 Power supply diagram of current UPS

建議改進措施：將兩臺并聯負荷均分的UPS改為兩臺獨立運行的UPS，然后每臺UPS分別與電站來的電源通過雙電源自動切換開關后，作為冗余電源給DCS/ESD電源分配柜供電，如圖10所示。

圖10 優化后的UPS供電示意圖Fig.10 Power supply diagram of optimized UPS

2.7 ESD系統柜自帶UPS的作用問題

從2010 年長壽天然氣凈化廠DCS/ESD 升級整改開始，新設計的ESD 系統都要求帶有容量為2 kVA的UPS。配置該UPS的主要作用是ESD系統柜主供電源掉電后，短時間內為ESD 系統柜提供后備電源，一是防止ESD 系統失電引發聯鎖動作，導致生產裝置的聯鎖停車；二是防止控制器等組態程序的丟失。實際上該UPS起不到上述作用，主要原因為：當ESD 系統柜突然發生掉電故障時，端子柜也會發生掉電故障，而該UPS 只對ESD 系統柜供電，由于容量小未對ESD 系統柜對應的端子柜供電，同樣會造成ESD 的聯鎖動作和生產裝置的聯鎖停車；ESD 的CPU（中央處理器）卡配有專用的電池卡，能保證為CPU 卡在系統平均失效時間內提供CMOS（互補金屬氧化物半導體）電源；ESD 供電電源除在檢修情況下，不可能長時間停電。此外，該UPS 使ESD 系統柜供電線路更加復雜，還占用機柜內的安裝空間。

建議改進措施：鑒于ESD 系統柜自帶UPS 的作用較小，建議取消該UPS。

3 結束語

凈化總廠通過加強對施工圖審查和強化施工過程監督，將冗余供電、利用電源模塊報警功能、優化端子柜和電源分配柜的配電方式、合理設置24 V DC 供電線路保護端子等改進措施落實在DCS/ESD 新建或改造施工過程中。通過這些措施的實施，凈化總廠的DCS/ESD 供配電得到了優化，其供配電的可靠性、穩定性得到了顯著提高，從而確保了天然氣凈化裝置的安全平穩運行。