石油化工儀表系統供電方式改進與應用

任玉超

（山東華魯恒升集團德化設計研究有限公司，山東 德州 253000）

石油化工生產處于高溫高壓的環境中，而且生產過程也有易燃易爆的特點，因此對生產自動化水平有很高的要求，自動化系統必須具備高精度的控制能力，以及能對生產情況做出正確反應，儀表在其中發揮了巨大的作用。為了進一步保證系統運行的穩定性，還需要為儀表提供穩定的供電系統，避免供電系統的安全隱患，提升石化系統的安全性。

1 石油化工電氣儀表供電系統的特點

儀器設備數量多、種類多，是石油化工企業在發展過程中的一個重要特點，如溫度測量儀器、壓力傳感器、液位測量儀器和分析儀器等。這些儀器在設計過程中具有非常精確的特性，在應用過程中往往需要配備合適的集中操作站或工程師站，以確保儀器的高效使用。

在石化企業的正常生產過程中，常用的兩種控制系統是儀表測控系統和分布式控制器。控制系統、220V 交流電源、電控閥等儀表在使用過程中必須進行全面管理，確保儀表等設備正常高效運行。但由于石化產品生產所用儀器設備的特性差異，具有電力系統應用的特殊性，這些電力系統的主要特點如下：

1.1 DCS 分散控制系統

DCS 指控制功能分散、風險分散、操作顯示集中，是通過分布式構成的智能網絡控制系統，即利用計算機技術對整個制造流程實施的集中監控、運行、集中管理和分散控制。作為一個縱向分層和橫向分散的大規模工業綜合管理系統，它以多級計算機網絡為基礎，通過把布置在全廠區域內的不同部門控制裝置的數據處理裝置聯系在一起，以完成各部門信息系統的數據共享的協同工作，并共同完成監控、管理和決策的功能。現階段，DCS 分散控制系統也是石油化工生產中極為重要的儀表設備控制系統，在石油化工生產中處在核心位置。為了對儀表穩定供電，確保該系統運行的可靠性，該系統并不使用供電穩定性不足的單回路供電，而是會在儀表內設置雙回路不同電源供電的方式[1]。通過在儀表設備內部建立起雙回路冗余電源，極大程度提升了儀表供電的連續性，其中一路斷電后儀表仍然可以穩定運行，為儀表的安全穩定創造了良好條件。

1.2 SIS 儀表安全監控系統

SIS 的全稱是工業生產安全儀表控制器，它通過對工業生產裝置或設備中可能存在的危險性加以緊急措施，并對日益改變的工業環境狀態進行及時反映，使其進入一個預定含義的安全停車工況，以便于把風險和損失降到最低程度，進而有效保障工業的生產設備、環境和人員安全。

目前，SIS 系統已經被廣泛應用在石化等流程的工業領域，是生產企業自動控制中的主要部分。在石油化工電氣儀表供電系統中SIS 儀表安全監控系統和DCS系統采取相同的供電方式，也是用雙回路冗余電源配置，還配備雙電源調整設備，在運行期間可以靈活調整，從而保障供電的穩定性[2]。

1.3 聯鎖運轉現場的監測儀表雙回路供電

由于石化生產過程中電源可能會出現暫時性波動，雖然對溫度表、變壓器等影響并不是很大，但是對聯鎖運轉現場的監測儀表卻會產生非常大的波動，比如軸位移、振動信號等波動就比較明顯，之后會導致聯鎖控制系統出現拒動或者勿動的情況。為了保證相關儀表信號采集保持穩定，提升信號的有效性，和儀表相關的電源一般都設置雙電源并聯式供電，最大程度保證系統的穩定和安全。

2 影響石油石化儀表供電穩定運行的因素

2.1 操作問題

目前石油化工生產過程中使用的儀表都有精密復雜的內部構造，操作人員必須具備足夠的知識和經驗，才能對各種情況及時采取措施，保證儀表的穩定供電。但是在實際應用中，一些員工并不具備足夠的能力，或者由于日常管理問題導致員工的操作意識比較差，工作態度相對懶散，所以在出現突發故障時難以進行有效的處理。由于工作人員水平問題，導致在生產期間容易出現安全事故[3]。

2.2 設備因素

儀表在運行過程中容易因為各種因素的作用出現故障，包括測量引線被儀器儀表介質阻礙、儀器儀表長時間運行之后出現老化、儀表溫度過高等，在這些情況出現之后會阻礙儀表運行，并造成嚴重的數據偏差，甚至可能出現火災和爆炸。

另外，DCS、SIS和PLC采用兩路或三路的供電方式，具體包括不間斷電源（UPS）與市電不同結合形式的電源方式。UPSI+UPS2 的電源方式，對系統中機柜照明、啟動系統中風扇都需要啟動UPS 電源，但其對UPS 電源質量有嚴格的要求。UPS+市電的電源方式，能保證二路電源基本需要，并能保證設備穩定性，但一些特殊儀器一旦與UPS 或市電源發生故障，就會直接影響設備穩定性，從而出現嚴重的安全隱患。

3 儀表供電系統改進

3.1 儀表系統供電改進設計規范

國家對石油化工裝置的具體要求，即在滿足安全環保、經濟效益的前提下，對儀表供電系統加以改進，使得裝置少受供電系統的影響。使用UPS+GPS 電源方式，可以滿足兩路供電需要并且能提升供電穩定性，但是一些特殊的儀表如果出現UPS 或者GPS 故障，也會影響儀表的穩定性。在滿足石油化工裝置要求、環境保護、經濟效益的情況下，對儀表供電系統的改進應該確保裝置能減少供電系統不穩定因素的影響。對于重要的控制系統，都要有儲存剩余電流功能，保證供電過程中兩路電源都能被滿足。對于供電方式不同的電表，報警信號需要引至DCS、SIS、PLC 記錄，以及加強對日常電路的檢查工作。

3.2 UPS 并聯/串聯

UPS 串聯中，一臺主機輸出供儀表系統供電，另一臺備用設備輸出作為主機備用電源供電。使用串聯工作方式，主機可以一直給儀表系統供電，在正常情況下，備機會始終保持備用狀態，不利于備機電池組放電，會導致備用電池組的壽命縮短，容易出現主機出現故障，備用機組不能備用的情況，會導致儀表嚴重受損。使用UPS 并聯時，兩臺UPS 會同時對儀表負載供電，每臺UPS 負責一般的負荷，如果一臺UPS 出現故障，另一臺UPS 需要給儀表系統提供100%的負載供電。通過這種供電方式，能保證UPS 始終保持良好的工作狀態，而且在任意一臺UPS 出現故障后，儀表系統的供電也不會中斷。但是并聯的成本比較高，而且要保證UPS 輸出頻率一致，所以在選擇供電方式時，應結合儀表的重要性進行選擇[4]。

3.3 對UPS 增加外硬旁路

在不間斷供電的使用流程中，是為解決不間斷電源問題而設定的，將蓄電池組和主機相連接，并利用主機逆變器等模塊電路將市直流電轉換成直流電的系統裝置，它必備的四個部分：整流電路、逆變器、電池、旁路。而大電流模塊則是指在一個系統的正常過程中，有一個檢查和考核的機制，其ByPass Mode 正是在檢查和考核的機制中出現異常，而無法在短時間內完全消除時，使整個系統的作業能繞過這種檢查和考核機制，使整個系統工作可以繼續正常執行的作業模塊。在UPS 的外側增加外硬旁路開關能增加UPS 系統的靈活性，如果UPS 出現軟故障，需要外移處理時，可以將其切換至電子旁路供電，然后合上旁路開關，之后斷開UPS 輸出開關，對UPS 可以進行外移處理。整個調整過程中，系統能保持供電不中斷。如果UPS 系統出現了燒崩等嚴重故障，可以將UPS 輸出開關斷開，合上旁路開關，可以縮短儀表的失電時間，控制損失最低，并且通過增加旁路開關，也能方便UPS 的維修工作，對系統進行更為有效的檢測，分析系統運行狀況。

4 石油化工儀表系統供電改進策略

4.1 提升電源的總體安全性和可靠性

保證電源的安全可靠性對提升安全性和可靠性有著決定性的作用，在選擇電源時，應該選擇具有穩定性能、高質量的電源，尤其應該選擇10kVA 以上的電源，保證在生產過程中可以對各種自動化儀表提供足夠的電力支撐。為了進一步達到優化供電的目的，還應該優化城市供電、UPS 供電系統，保證并行供電效果。電廠還需要核算熔斷斷路器容量，保證電源和斷路器之間協調配合，確保供電系統的整體穩定性。

4.2 優化雙回路儀表供電系統

對于DCS 分散控制系統、SIS 儀表監控系統、PLC系統都屬于化工生產過程中最核心的系統，必須始終保證供電穩定性，以滿足生產過程中的精確控制要求，并避免出現安全問題。因此在優化供電系統時也要從安全穩定的角度出發，圍繞如何提升供電系統安全性和穩定性開展優化工作，避免對生產儀表造成影響。為保證供電電源的穩定，控制站的冗余電源系統應該嚴格設置兩個獨立的電源，滿足所有關鍵元器件供電都使用冗余聯合容錯控制的要求，保證任何一個回路出現故障的情況下，另一個回路也可以正常供電，保證儀表安全穩定。尤其對于生產性儀表，通過優化雙回路供電可以獲得較好的控制效果。

4.3 優化配置直流供電

在石油石化生產中，直流電源主要為24V DC 直流儀表供電，為了保證系統的穩定性、測量的精確性以及直流儀表供電系統的安全性，需要對直流儀表一般采用不同電源供電的24V DC 直流穩壓電源進行并行供電，以及在每個直流電源的輸出端正極設置一個大功率二極管，將兩個電源分開。

從結構設計上，兩臺24V DC 直流穩壓電源應分別來自兩個不同的220V AC 交流UPS 電源，也可以由市電和UPS 電源分別進行供電，從而保證冗余電源設置，確保直流電源的穩定以及供電系統運行過程中的經濟性、安全性和可靠性。

直流電源系統在改進工作中應保證電源模塊為偶數，而且分別由不同的直流系統供電，每個直流電源模塊的負荷應控制在50%以內，還可以使用N+1 直流電源系統，但是需要保證輸入電源相位相同，否則直流電源系統在切換模塊時模塊可能會損壞[5]。

4.4 照明、風扇配電

在石油化工企業運行的過程中，照明、風扇等設備屬于儀表的輔助設備，相對儀表對供電穩定性要求并不高，為滿足成本需求可以使用市電進行單獨供電，但是優化過程中也需要保證供電線路的穩定性，避免出現短路等問題對整個系統造成影響。

4.5 優化單項220V AC 供電儀表電源配置

現階段，在我國石油化生產的過程中，有一些儀器儀表的應用對供電系統并沒有太高的要求，這類儀表即便出現故障，石油石化生產依然可以正常進行，不會影響整個化工系統的自動化控制，對安全的影響也比較低。為了能更好地優化供電系統的有效運行，簡化系統的結構，降低系統運行成本和提升生產經濟效益，對于這類不重要的儀表就可以直接使用220V AC城市電網供電。此類供電模式具有較強的可實施性，能夠同時滿足經濟效益與技術安全兩方面的要求。并且在供電系統中配置STS 之后，電氣儀表供電系統的整體安全穩定性會明顯高于UPS 電源，并且在該模式下，即便UPS 電源出現故障，STS 也能在內部電路閉鎖狀態自動完成市電供電切換，可以將市電分開，通過穩壓電路達到正常供電的目的，也能時刻保證儀表的供電安全，方便日后工作中工作人員對UPS 電源進行檢修。

4.6 交流電源切換開關

切換開關的時間設定需要結合設備的需求，對于只負責測量工作的重要儀表和電動閥，瞬間失電并不會有太大的影響，可以使用切換時間相對比較寬的開關。對于操作站的主機電源、帶電連鎖電磁閥等，切換時間要求比較短，必須選擇滿足要求的產品保證切換速度。

5 結語

石油化工工業在自動化個控制過程中，逐漸建立了集成度高、功能全面的儀表測控系統，為了確保生產過程中的穩定性，必須保證儀表供電的穩定。通過對關鍵儀表使用雙回路供電，并不斷優化供電系統的結構，分析供電負荷、安全生產等，保證供電的經濟性，最大化實現石油石化的生產效益和社會效益。