石油化工儀表供電的設計與探討

鄧利永，隋陽

(北京石油化工工程有限公司 西安分公司,陜西 西安 710075)

在化工裝置的生產和運行中，儀控系統(tǒng)及現(xiàn)場大多數(shù)儀表的電源負荷均屬于一級負荷中特別重要的負荷，先進可靠的儀表供電設計能夠保證自動控制系統(tǒng)長期穩(wěn)定的工作。本文從儀表供電設計范圍、電源容量計算、供電器材選擇及電源系統(tǒng)配線等方面介紹儀表供電系統(tǒng)的設計，供工程設計人員參考。

1 儀表供電設計范圍

根據(jù)SH/T 3082—2019《石油化工儀表供電設計規(guī)范》[1]的條文說明：“本規(guī)范不適用于火災報警、消防、工業(yè)電視、電話及擴音對講、安防等電信設備及系統(tǒng)的供電設計。電信設備及系統(tǒng)供電電源不能與儀表UPS電源混用或接入儀表供電系統(tǒng)”。舊版規(guī)范SH/T 3082—2003并未對儀表與電信設備用電范圍有明確的要求。因此，SH/T 3082—2019發(fā)布之前，筆者在許多項目實踐中，電信系統(tǒng)與儀控系統(tǒng)經(jīng)常共用儀表電源柜。通常電信專業(yè)將用電條件提交給儀表專業(yè)，儀表專業(yè)匯總本專業(yè)儀控系統(tǒng)用電和電信系統(tǒng)用電，再提交給電氣專業(yè)[2]，電氣專業(yè)負責UPS電源和普通交流電源設計，儀表專業(yè)負責電源分配、容量計算、電纜規(guī)格計算等內容。SH/T 3082—2019發(fā)布之后，儀表專業(yè)和電信專業(yè)各自給電氣專業(yè)提交用電條件，在減少儀表專業(yè)與電信專業(yè)分工面的同時，也減少了電信用電可能對儀控系統(tǒng)產生的不利影響。特別需要注意的是： 考慮到火災報警系統(tǒng)對保障人身財產安全的重要性，根據(jù)GB 50116—2013《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》中規(guī)定：“火災自動報警系統(tǒng)主電源不應設置剩余電流動作保護和過負荷保護裝置”[3]，即在有過電流或漏電流情況下，也不允許斷電，所以火災報警系統(tǒng)一般不設漏電保護開關，并且選擇的空開額定容量較大。如果火災報警系統(tǒng)與儀控系統(tǒng)供電回路共用儀表電源柜，在火災自動報警系統(tǒng)供電回路出現(xiàn)故障時，則可能因為電流的波動，導致儀表電源柜的進線斷路器跳閘，危及儀控系統(tǒng)的正常運行，有可能中斷工廠的正常生產，造成重大經(jīng)濟損失及可能的設備損壞或人身傷害事故。

對比HG/T 20509—2014《儀表供電設計規(guī)范》的條文說明：“當自控專業(yè)不負責工業(yè)電視系統(tǒng)、安防系統(tǒng)的設計時，自控專業(yè)也就不負責工業(yè)電視系統(tǒng)、安防系統(tǒng)的供電設計”[4]，與SH/T 3082—2019的理念是一致的。

2 電源容量計算

SH/T 3082—2019規(guī)定：“交流UPS輸出配線應采用單相220 V(AC)三線制(相線L,中線N，接地線PE)；單臺UPS的額定容量不應超過100 kVA，儀表用電負荷超過100 kVA及以上時，宜采用多臺UPS多輸出回路供電方案”。SH/T 3082—2003要求UPS輸出電源電壓220 V(AC)及380 V(AC)都可以，以容量40 kVA為界，小于40 kVA時，采用單相輸出；大于40 kVA時，采用380 V(AC)三相輸出。筆者認為，新規(guī)范的修正，要求交流輸出配線采用220 V(AC)，使儀表專業(yè)在考慮向各供電回路進行電纜配線時，不用再考慮三相平衡的問題，簡化了儀表專業(yè)供配電設計，避免了因三相平衡問題考慮不周給儀控系統(tǒng)帶來的風險。同時，筆者翻閱了第4版《石油化工自動控制設計手冊》中供電設計部分的規(guī)定： 用電容量不大于100 kVA時，UPS采用單相220 V輸出；容量大于100 kVA時，UPS可采用380 V輸出，三相間負荷不平衡度小于20%[5]。該規(guī)定與SH/T 3082—2019并非完全一致。

基于以上規(guī)定及具體項目實踐，筆者認為在絕大多數(shù)化工項目工程設計時，所需每路UPS容量很少超過100 kVA，故UPS輸出配線采用單相220 V(AC)三線制可以滿足大多數(shù)工程應用。而當UPS容量大于100 kVA時，比如大型石化聯(lián)合裝置中心控制室用電，可采用220 V(AC)多臺UPS多輸出回路供電方案，也可以采用380 V(AC)輸出回路供電方案，此時可根據(jù)電源容量、用電設備數(shù)量及功耗、工程設計經(jīng)驗等選擇合適的供配電方案。

通常，在化工裝置的工程設計過程中，由儀表專業(yè)根據(jù)儀控系統(tǒng)集成商提供用電設備耗量逐一累加后，再乘以設計規(guī)范建議的備用系數(shù)得出總耗電量，然后提交電氣專業(yè)，進行UPS設備選型。基于以上原因，在計算儀表 UPS 容量時應考慮負載電源裝置的余量系數(shù)和同時系數(shù)[6]。對于石油化工行業(yè)的 DCS/SIS/GDS/CCS 等控制系統(tǒng)負載，控制器電源選擇時一般留有 50% 余量，但是系統(tǒng)廠家提供的負荷是將所有系統(tǒng)電源裝置銘牌上的功耗累加，沒有考慮電源的余量系數(shù)，也未考慮一些設備的同時率。因此，為獲得較為準確的用電設備功耗，設計人員應該研究系統(tǒng)廠家提供的耗電量計算書或容量清單，核實耗電量余量的具體情況。

根據(jù)《全國安全生產專項整治三年行動計劃》，筆者在執(zhí)行重慶某化肥廠全廠整改項目中，需要將廠區(qū)內6個裝置操作室/交接班室內的儀控系統(tǒng)統(tǒng)一搬遷至新建中心控制室，需要重新設計全廠所有儀控系統(tǒng)的供配電，電源配置方案與改造前保持一致，采用單UPS加GPS雙輸出回路供電方案，設計新增1面UPS配電柜和1面GPS柜，全廠DCS/SIS/PLC考慮全部利舊。筆者通過考察各操作室儀控系統(tǒng)實際耗電量并且收集項目新建時系統(tǒng)集成商提供的耗電量清單，對比發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)集成商提供的各系統(tǒng)機柜及操作站的耗電量清單明顯高于實際運行耗電量，本文以合成裝置DCS供電為例，儀表設備功耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1所列。

表1 合成裝置儀表設備功耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對于新建項目，一般自控專業(yè)都會根據(jù)系統(tǒng)集成商提供的銘牌功耗進行累加，以此為依據(jù)考慮UPS容量。根據(jù)SH/T 3082—2003，儀表電源容量按儀控系統(tǒng)的額定負荷總和的1.2～1.5倍考慮，參考表1儀表設備銘牌功耗數(shù)據(jù)，考慮50%備用余量，功率因素取0.9，合成裝置UPS電源容量計算值為19 000×1.5/0.9≈31(kVA)，明顯比實際耗電量大很多。而根據(jù)SH/T 3082—2019，儀表電源容量按儀控系統(tǒng)的額定負荷總和的0.8～1.2 倍考慮，參考表1銘牌功耗數(shù)據(jù)，不考慮備用余量(即按額定負荷總和的1倍)，得出合成裝置UPS電源容量計算值為19 000×1/0.9≈21(kVA)。

筆者認為，如果計算用電負荷時不準確，備用容量過大，將會導致UPS長期運行在低負荷率的狀態(tài)下，既降低了使用壽命，又增加了投資[7]。同時，石化或化工儀控系統(tǒng)設計規(guī)范中，要求控制系統(tǒng)運行負荷在50%左右，通常情況下不會滿負荷運行，所以對各控制系統(tǒng)耗電量有一個比較準確的估計，對UPS容量的合理設計是大有益處的。可以采用表1中提供的儀表設備實際功耗來估算UPS容量，在考慮50%的備用余量及功率因素按照0.9的情況下，合成裝置UPS電源容量計算值為13 200×1.5/0.9=22(kVA)，與按銘牌功耗根據(jù)新版規(guī)范規(guī)定的備用余量系數(shù)計算出的耗電量是基本一致的。

根據(jù)以上分析并且對比新舊規(guī)范，儀表電源容量將按儀控系統(tǒng)的額定負荷總和 1.2～1.5倍調整為 0.8～1.2 倍，相較于舊版本已經(jīng)做了合理化的修正[5]。

UPS后備供電時間選擇，SH/T 3082—2019規(guī)定不小于30 min，與HG/T 20509—2014中的規(guī)定是一致的，同時SY/T 6069—2020《油氣管道儀表及自動化系統(tǒng)運行技術規(guī)范》[8]規(guī)定： 對輸氣站場，UPS后備時間不宜少于1.5 h;對輸油站場，UPS后備時間不宜少于2 h。根據(jù)筆者執(zhí)行的項目經(jīng)歷，UPS后備時間選用過30 min,60 min, 90 min,120 min。后備電池時間的選擇與項目特點、工藝路線、現(xiàn)場操作人員素質密切相關，在滿足規(guī)范的基礎上，自控專業(yè)人員應熟悉工藝路線并且與業(yè)主充分溝通，在滿足相關規(guī)范的前提下，選擇合適容量的UPS電池柜。

3 供電器材選擇及電源系統(tǒng)配線

3.1 供電器材選擇

自控專業(yè)在進行儀表供配電設計時，需要重點關注儀表電源柜進線斷路器和配出斷路器的選型。SH/T 3082—2019中要求低壓斷路器應選用空氣斷路器等非熔斷式斷路器，交流單相電源應采用雙極斷路器，并具有短路保護，過負荷保護功能并且過負荷保護具有反時限特性[5]。

儀表電源柜進線斷路器與配出斷路器的選擇，還需要考慮在動作特性上應有選擇性配合。SH/T 3082—2019中條文說明：“對進線斷路器和配出斷路器相差較小的情況，可采用熱容量配合，即進線開關額定電流可選用比配出開關大出1～2級的開關，其整定電流可相同或相近。對上下級配合，過電流依靠電流值配合，短路保護依靠時限配合。這樣，對嚴重故障，有利于及時切除，對一般過負荷，可以有較好選擇性。”

熱容量配合可以理解為： 基于一定量值的短路能量同時作用于上下級斷路器上，由于上下級斷路器存在級差，作用于下級斷路器上足以使其能量跳閘，而作用于上級斷路器上，該能量還不足以其脫扣分斷，僅能使觸頭微微拆開，產生電弧而又限制了短路電流。當下級斷路器脫扣分斷后，上級斷路器又恢復而保持了閉合[8]。時限配合可以理解為： 基于上下級斷路器保護響應時間設定值的不同，使在相同電流下，下級斷路器先于上級斷路器脫扣，從而保證上級斷路器的繼續(xù)導通，達到保護的選擇性[9]。

3.1.1 儀表電源柜進線斷路器的選型

SH/T 3082—2019中條文說明：“儀表交流配電柜的進線斷路器過負荷保護電流整定值，可按不大于下級全部計算電流的1.05倍考慮；短路保護采用延時動作，時限可設定為0.2～0.5 s;進線斷路器定時限過電流脫扣器的整定值應大于等于1.3倍配出斷路器瞬時過電流脫扣器的整定值”。

根據(jù)儀表用電負荷大小及特點，對于儀表電源柜進線斷路器的選型，一般選擇塑殼式斷路器;對于儀表電源柜配出斷路器的選型，一般選擇微型斷路器。

筆者在執(zhí)行該項目儀表供配電設計時，根據(jù)現(xiàn)場實際情況需要對全廠上游工段合成裝置DCS，下游工段兩鈉裝置DCS及全廠SIS/GDS各送一路UPS和一路普通市電電源，根據(jù)SH/T 3082—2019對進線斷路器要求，儀表電源柜進線斷路器選型見表2所列。

由表2可知，UPS1支線路總負荷為21 kVA，計算得到的負荷電流為95 A，可考慮預留15%～25%的余量，因此斷路器殼架電流選擇125 A，反時限過電流脫扣器的整定電流可以選擇100 A。短路分斷類型可以根據(jù)用戶用電情況綜合考慮選取。從儀表用電設備運行特性考慮，一般情況下進線斷路器保護特性脫扣曲線選用C型[7]。

表2 儀表電源柜進線斷路器選型

3.1.2 儀表電源柜配出斷路器的選型

根據(jù)SH/T 3082—2019中條文說明：“配出斷路器過負荷保護電流整定值，可按不大于回路計算電流的1.05 倍考慮，短路保護為瞬時動作”。筆者查閱了許多大型化工項目儀表電源柜配出斷路器的選型，配出斷路器額定電流往往是計算電流的2～3倍，微型斷路器由于無法整定，并未起到過負荷保護的作用。從儀表設備運行特性上看，該系統(tǒng)機柜、操作站、打印機及現(xiàn)場儀表等儀表設備可認為是靜態(tài)負荷。基于以上工程實踐及理論分析，同時根據(jù)GB 50054—2011《低壓配電設計規(guī)范》[10]中相關規(guī)定，可以不設過負荷保護，只需要考慮因為線路故障有可能產生短路，做好短路保護即可。根據(jù)該設計思路，筆者在執(zhí)行該廠供配電設計時，儀表電源柜配出斷路器選型見表3所列。

表3 儀表電源柜配出斷路器選型

由表3可知，配出斷路器屬于微型斷路器，只有線路中電流大于斷路器額定電流時，過電流保護才能起作用，與SH/T 3082—2019規(guī)定并不統(tǒng)一。從末端用電設備運行特性考慮，一般情況下，常規(guī)負載及配電線路時斷路器保護特性脫扣曲線選用C型[7]。

另外，由于給電機供電存在啟動電流的問題，例如電動閥等供電回路，建議儀表專業(yè)給電氣專業(yè)提用電條件，由電氣專業(yè)統(tǒng)一考慮供電，盡量減少對儀控系統(tǒng)的影響。如果確定由儀表專業(yè)進行供電設計，應單獨設置儀表電源柜，電動機及沖擊性負載線路時斷路器保護特性脫扣曲線選用D型[11]。

由于計算被保護線路末端的短路電流需要考慮系統(tǒng)阻抗、變壓器阻抗、線路阻抗等因素，計算往往比較困難，當計算供電線路末端電路電流時，可要求電氣專業(yè)提供以上參數(shù)，并結合儀表電源柜出線回路電纜阻抗及電纜長度計算短路電流。根據(jù)SH/T 3082—2019相關規(guī)定：“當短路保護為斷路器時，被保護線路末端的短路電流不應小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍”。筆者根據(jù)以下某項目的工程實踐，校驗定時限或瞬時過電流脫扣器的整定電流。

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設計手冊》[12]4.6.4條規(guī)定，220 V低壓網(wǎng)絡短路電流計算，可化簡短路電流計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：I″K——短路點短路電流，A；RphpS，RphpT，Rphpl——系統(tǒng)相保電阻、變壓器相保電阻、線路相保電阻，mΩ;XphpS，XphpT，Xphpl——系統(tǒng)相保電抗、變壓器相保電抗、線路相保電抗，mΩ。

低壓供電系統(tǒng)各電氣設備阻抗如圖1所示。

圖1 低壓供電系統(tǒng)各電氣設備阻抗示意

以220 V(AC) 2 kW的某PLC機柜為例，電氣專業(yè)提供上述參數(shù)：RphpS=0.02 mΩ，XphpS=0.21 mΩ，RphpT=0.6 mΩ，XphpT=3.5 mΩ，Rphpl1=158 mΩ，Xphpl1=18.7 mΩ。儀表出線柜配出斷路器選用微型斷路器，額定電流為20 A,C型曲線斷路器；儀表電源柜出線選用聚氯乙烯絕緣(3×4)mm2電力電纜，電纜長度為50 m，根據(jù)《工業(yè)與民用配電設計手冊》[13]表4-25，Rphpl2=12.9 mΩ/m×50 m=645 mΩ，Xphpl2=0.2 mΩ/m×50 m=10 mΩ。根據(jù)式(1)計算可得：I″K=275 A。

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設計手冊》[12]表11.3-4，微型斷路器C型脫扣特性，瞬時脫扣范圍為5～10倍額定電流。瞬時過電流脫扣器的整定電流滿足SH/T 3082—2019的要求，當計算結果不滿足要求時，應適當增大儀表電源柜出線電纜截面，并重新計算。

3.2 電源系統(tǒng)配線

根據(jù)SH/T 3082—2019規(guī)定： 電源線的長期允許載流量，不應小于線路上游斷路器的額定電流或斷路器延時脫扣器整定電流的1.25倍。當儀表電源電纜的線芯截面積過小時，不能滿足電纜溫升的要求，容易導致電纜發(fā)熱損壞，且過小的線芯截面積容易導致儀表電源電纜的電壓降過大，不能滿足儀表用電設備對輸入電壓的要求。當儀表電源電纜的線芯截面積過大時，會導致儀表電源電纜的外徑過大，對儀表電源電纜的敷設和安裝不利，容易造成材料的浪費和成本的提高[14]。

根據(jù)筆者執(zhí)行項目的經(jīng)驗，無論是直流供電還是交流供電，由于儀表設備功耗不高，電源電纜允許載流量一般情況下都能滿足。對儀表設備的供電往往更關注配電線路上的電壓降不應使送到用電設備的供電電壓小于其最低工作電壓。以此為出發(fā)點，以下分別討論24 V直流供電和220 V交流供電兩種情況。

3.2.1 24 V直流供電線路壓降計算

24 V直流供電線路工作電阻及電阻率計算[5]，如式(2)～(3)所示。

Rt=2ρtCjL直/A×106

(2)

ρt=ρ20[1+α(t-20)]

(3)

式中：Rt——線路工作電阻，Ω；L直——線路距離，m；A——導線截面積，mm2；Cj——絞入系數(shù)，單股導線為1，多股導線為1.02；ρt——導線溫度為t(℃)時的電阻率，Ω·m；ρ20——導線溫度為20 ℃時的電阻率，銅線芯(包括電線、電纜、母線)為1.72×10-8Ω·m；α——電阻溫度系數(shù)，取0.004；t——導線實際工作溫度，取值75 ℃。

綜上，式(2)可簡化為Rt=4.28×L直/A×10-2。

1)直流供電線路允許壓降，根據(jù)電源輸出電壓及用電儀表(或系統(tǒng))最低工作電壓確定，如式(4)所示：

ΔU=U0-UW

(4)

式中： ΔU——允許線路壓降，V;U0——直流電源輸出電壓，V;UW——用電儀表最低工作電壓，V。

2)直流供電儀表工作電流的確定，如式(5)所示：

IW=Wmax/UW

(5)

式中：IW——線路最大工作電流，A；Wmax——儀表最大功耗，W。

3)允許線路電阻計算如式(6)所示：

R=ΔU/IW

(6)

式中：R——允許線路電阻，Ω。

綜上，電纜的供電距離和電纜尺寸的計算如下：

經(jīng)取整后，可計算已知電纜的供電距離：

考慮電纜的機械強度，一般室內供電電纜截面不小于1.5 mm2，室外供電電纜截面不小于2.5 mm2。

以直流24 V，4 W低功耗電磁閥為例，電磁閥壓降幅度要求不大于10%，即最低工作電壓按21.6 V考慮，如果選用截面積為2.5 mm2的線徑電纜，根據(jù)以上計算可得最大敷設距離為L直≤648 m。

3.2.2 220 V交流供電線路壓降計算

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設計手冊》[12]9.4.2條中電壓降計算式： 接相電壓的單相負荷線路如式(7)所示：

(7)

式中： Δu%——線路電壓損失百分數(shù)，%；Unph——標稱相電壓，kV；R″，X″——三相線路單位長度的電阻和電抗，Ω/km；tanφ——功率因數(shù)角正切值；P——有功負荷，kW；L交——線路長度，km；

以Unph=0.22 kV,P=2 kW儀表設備為例，cosφ=0.8(即tanφ=0.75)，如果選用聚氯乙烯絕緣(3×4)mm2電力電纜，根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設計手冊》表9.4-21[12]，即R″=4.988 Ω/km，X″=0.093 Ω/km。

一般情況下，儀表的交流電源電壓降及線路電壓降，不超過儀表設備額定電壓值的5%，根據(jù)以上計算可得最大敷設距離為L交≤120 m。

4 結束語

綜上所述，通過對SH/T 3082—2019與HG/T 20509—2014在應用過程中的學習和體會，筆者認為2個規(guī)范大同小異，為了方便工程應用及統(tǒng)一，未來可考慮2個規(guī)范合并；同時，為了較為準確地估算儀表設備的功耗，自控設計人員應加強與儀表設備廠家溝通學習，不斷加深對儀控系統(tǒng)及現(xiàn)場儀表設備功耗的認識；最后，由于在工程設計中，儀表供配電本質上屬于電氣供配電的一部分，自控設計人員應加強與電氣設計人員的溝通，并且注重自身電氣知識及經(jīng)驗的積累。