海洋石油平台电气设备紧急停车系统回路可靠性分析.pdf

63 2023 年 11 月第 50 卷 第 11 期2023 年 11 月Vol.50 No.11Nov.2023天 津 科 技 TIANJIN SCIENCE&TECHNOLOGY收稿日期：2023-11-011 ESD系统紧急停车系统（Emergency Shutdown Device，简称ESD）是海上平台的专用安全保护系统，用于保障人员、设施和流程的安全。它能够实时监控生产过程，能在出现异常时立即报警，并通过自动控制触发相应的关断设备，以防止事故发生或扩大。ESD系统在海洋石油平台中分为 4 个等级2。一级关断：用于紧急撤离平台，在此情况下，人员必须立即撤离，并关闭所有生产设备和主电力系统。二级关断：用于严重火灾或可燃气体泄漏，可自动或手动触发。其目的是进行火灾区域的消防、隔离工艺介质和电源，防止火灾扩大。三级关断：针对生产/公用系统中关键设备的故障情况，需要等待排除故障或设备参数恢复正常后才能恢复生产。四级关断：针对单个井（设备）的异常或故障，只影响目标单元的安全，不会影响整个生产系统的运行。不同等级的关断采取不同措施，以确保平台的安全运行，高级别的关断会触发低级别的关断。ESD系统需要经过精心设计和严格测试，以保证可靠性和实用性，它需要快速、准确地识别，并响应不同的紧急情况和故障，最小化关断范围，以减少对生产的干扰，具备自适应能力。此外，系统还需要根据不同情况自动切换至适当的关断级别，以保证平台的安全和稳定运行。一套完整的ESD系统包括检测单元、输入模块、控制模块、输出模块和执行单元，如图 1 所示3-4。ESD系统中的执行元件通常带电，在出现异常工况时，会失去电源并执行关断操作。关断操作通 应用技术海洋石油平台电气设备紧急停车系统回路可靠性分析王 鹏，李海涛，郑高意，王志鹏中海石油（中国）有限公司曹妃甸作业公司 天津 300451 摘 要：探讨海洋石油平台中紧急停车系统（Emergency Shutdown Device，简称ESD）的构成和等级，详细描述了某油田多个项目中不同电气设备ESD回路的构成和功能实现过程，并指出了其在海洋石油平台上的关键作用。通过对几种ESD回路的可靠性进行综合分析比较，提出了改进不可靠回路的建议，以期对电气设备二次回路中ESD回路的设计和选型提供借鉴参考。关键词：电气设备 ESD 可靠性 比较中图分类号：TM762 文献标志码：A 文章编号：1006-8945（2023）11-0063-04Reliability Analysis of ESD Circuit for Electrical Equipment on Offshore Oil Platform WANG Peng，LI Haitao，ZHENG Gaoyi，WANG Zhipeng（Caofeidian Operation Company，CNOOC Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China）Abstract：The composition and level of Emergency Shutdown Device（ESD）systems on offshore oil platforms are discussed.The composition and functional realization process of ESD circuits of different electrical equipment in multiple projects in an oilfield are described，and their key role on offshore oil platforms is pointed out.The reliability of several ESD circuits is comprehensively analyzed and compared，and suggestions are put forward to improve the unreliable circuits.This study has guiding significance for the design and selection of ESD circuits in the secondary circuits of electrical equipment.Key words：electrical equipment；ESD；reliability；comparison 64 天 津 科 技第 50 卷 第 11 期过电磁阀、关断阀、安全阀和继电器实现，继电器在ESD系统中发挥着关键作用，接收信号后触发关断操作，切断电路或设备的电源，从而确保安全。继电器的失电动作至关重要，能够确保电气设备在紧急情况下及时停止工作，防止事故发生或扩大。因此，继电器的设计和选用非常重要，需要严格测试和验证，定期维护和检修继电器是保障其正常工作和稳定可靠的关键措施。2 电气设备ESD 功能电气设备ESD功能通常通过二次回路实现。将ESD系统的中间继电器的辅助触点与电气设备的二次回路相连，在紧急情况下，中间继电器的闭合触点动作后触发脱扣器动作，使相应断路器分闸，切断电气设备的电源以确保安全。这种集成设计简单可靠，通过二次回路控制电气设备关断，可完成高效的保护操作过程。2.1 电气原理图电气原理图分为一次回路和二次回路。一次回路，也称为主电路或主回路，主要用于转换、输送和分配电能，相对于二次回路而言，一次回路的电压较高、电流较大；二次回路，也称为控制电路或二次系统，主要用于监视、测量、控制、保护和发出各种信号，其工作状态可以反映一次设备运行的实际情况。相对于一次回路，二次回路的电压较低、电流较小，但需要控制多个二次设备，并且二次回路的复杂性远高于一次回路。以三相异步电机正反转控制电路为例，左边是主回路，右边是控制回路，如图 2 所示。在电气原理图中，主回路提供电能和执行电机的正反转操作，控制回路用于启动、停止和转向电机，并监视其运行，主回路和控制回路相互作用。当电机堵转时，主回路中的电流超过热继电器的整定值，导致热继电器动作，其辅助触点断开，切断控制回路的电源，这将导致控制回路失电，无法对主回路进行控制。主控回路相互制约，状态和动作相互影响。2.2 常用ESD回路简介某油田于 2004 年投产，并在随后进行了综合调整、新建和改造项目，新增了一些电气设备。这些新增设备与原有平台的电气系统ESD回路构造有所不同。在新扩改造的设备中，ESD功能的实现借助于分励脱扣和失压脱扣 2 种机制。分励脱扣器用于断路器的分闸操作，当发生紧急情况时，ESD系统会触发分励脱扣器，使其动作，将断路器切断，从而实现电气设备的关断。另一种途径是通过失压脱扣器来实现断路器的分闸。失压脱扣器的作用是在电气系统失压时自动动作，切断电路，以确保安全。当ESD系统检测到异常情况、导致电气系统失压时，失压脱扣器会动作，以实现电气设备的关断。这种新增设备的ESD回路构造不仅提供了多种实现ESD功能的方式，还充分考虑了不同紧急情况下的应对措施。通过分励脱扣器和失压脱扣器，电气设备可以在需要时迅速、可靠地进行关断操作，以保障平台的安全。2.2.1 通过分励脱扣器实现ESD功能分励脱扣器是用于实现断路器的远程操作和控制的装置。在正常情况下，分励脱扣器的线圈处于断电状态，在发生异常情况时，分励脱扣器的线圈会通电，使衔铁吸合，通过传动机构推动脱扣机构，从而实现断路器的分闸。下面介绍不同项目采用的ESD回路如何实现紧急停车功能。平台投产时低压400 V配电盘馈线开关的ESD回路如图 3 所示。回路的电源由UPS提供AC 110 V，并通过FU1 和FU2 两个熔断器来提供短路保护。ESD触点在图中表示为常闭点，与R中间继电器回路串接，常闭触点R-1 则与分励线圈回路串接。在正常情况下，R继电器得到电源供电，使其常闭触点R-1 断开，从而分励线圈不得电。当ESD触点动作（即断图 1 ESD系统结构简图Fig.1 Schematic diagram of ESD system structure图 2 三相异步电动机正反转电路图Fig.2 Three-phase asynchronous motor forward and reverse circuit diagram 65 2023 年 11 月 王鹏等：海洋石油平台电气设备紧急停车系统回路可靠性分析开）时，R继电器失去电源供应，使其常闭触点R-1闭合，从而分励线圈得到电源供应。这将带动脱扣器进行脱扣操作，使得MCB（微型断路器）断开。平台在 2019 年新增的低压 400 V配电盘馈电开关的ESD回路如图 4 所示。它与图 3 的工作原理相似，但唯一的区别在于分励线圈回路中添加了一个MCCB（塑壳断路器）的常开触点，只有MCCB处于合闸状态，ESD动作发生时分励线圈才会得到电源供应。在正常情况下，MCCB处于断开状态，其常开触点不闭合，分励线圈无法得到电源供应，无法进行脱扣操作。当MCCB处于合闸状态时，常开触点闭合，分励线圈可以得到电源供应，如果此时发生ESD动作，则分励线圈会被激活，从而实现脱扣操作，使开关断开。图 4 某平台新增低压 400 V配电盘馈线开关ESD回路Fig.4 ESD circuit of new low-voltage 400 V distribution panel feeder switch on a certain platform这种设计确保了在MCCB合闸状态下才能触发ESD动作，有效防止了误操作。这种改进提高了ESD回路的可靠性，同时降低了不必要的关断操作，确保了电气设备的安全运行。该油田 2021 年新建平台的低压 400 V配电盘马达控制中心的ESD回路如图 5 所示。该回路与图 4的工作原理大体相似，但存在一些区别。首先，回路电源由UPS提供的AC 110 V变为直流屏提供的DC 110 V。其次，ESD触点从原先的开关量信号变为24 V电源，用于给J2 继电器供电。在该回路中，当发生ESD动作（即失去电源）时，J2 继电器将被断电，导致常闭触点J2 闭合，这时分励线圈得到电源供应，进而带动脱扣器进行脱扣操作，使MCCB（塑壳断路器）断开。通过这种设计，当发生ESD动作时，J2 继电器将被断电，触发分励线圈得到电源供应，从而实现脱扣操作，使得MCCB断开。这种改进设计提高了回路的可靠性和操作的准确性。2.2.2 通过失压脱扣器实现ESD功能失压脱扣器与断路器的电源并联，具有欠压及零压保护功能。在正常情况下，当电源电压处于额定范围时，通过操作手柄扳动，断路器的常开辅助触头闭合，电磁铁得到供电，衔铁被电磁铁吸住，主触头闭合且锁定在合闸位置，使断路器处于工作状态。一旦停电或电源电压过低时，电磁铁所产生的电磁力难以克服弹簧的拉力，衔铁被向上拉，通过传动机构推动自由脱扣机构使断路器掉闸，从而实现欠压及零压保护功能。失压脱扣器并联在断路器的电源侧，以确保在电源停电或电源电压过低的情况下能够及时断开断路器，以实现保护作用。在失压脱扣器的电磁线圈回路中，通常还会串联一个常闭按钮，用于进行手动分闸操作。当电源电压低于额定电压 40%时，失压线圈会脱开，使断路器掉闸分断。这种设计能够保证在电源电压异常情况下，通过失压脱扣器的动作实现断路器的合闸和分闸，以确保电路的安全运行。该油田 2019 年新建平台的低压 400 V配电盘馈线开关的ESD回路如图 6 所示。由UPS对失压线圈YU供电，并与ESD常开触点串联。在正常情况下，图 3 某平台低压 400 V配电盘馈线开关ESD回路Fig.3 ESD circuit of low-voltage 400 V distribution panel feeder switch on a certain platform图 5 某新建平台低压 400 V配电盘马达控制中心ESD回路Fig.5 ESD circuit of low-voltage 400 V distribution panel motor control center on a new platform 66 天 津 科 技第 50 卷 第 11 期ESD常开触点闭合，保持线圈得电状态。在异常情况下，ESD常开触点断开，导致YU线圈失去电源供应，进而带动脱扣器执行脱扣操作，使得MCCB（塑壳断路器）断开。这种配置确保了回路的可靠性和安全性。UPS对失压线圈供电，并提供稳定的电源，ESD通过控制失压线圈通断电实现脱扣操作，即使发生异常情况，如电源中断或其他故障，ESD仍能正常工作并可及时切断电流，从而保护设备和系统的安全运行。2.3 ESD回路可靠性分析上述几种ESD回路的主要区别在于使用的线圈类型不同，即分励线圈和失压线圈。分励线圈主要用于防止造成更大的事故损失或保护特定设施设置，如在发生火灾时，在消防喷淋启动之前，通过信号驱动分励线圈动作，切断供电回路，防止二次伤害。失压线圈主要用于防止供电系统失电后重新通电导致设备自动启动，或其他回路突然通电，进而对人员和设备造成伤害。分励线圈的可靠性较高，通过在回路中串接一个断路器的辅助触点，可以延长其使用寿命。对于低压电气设备，ESD回路的供电电源可以是交流电源或直流电源。中高压电气设备的控制回路通常采用直流电源供电，因为直流电源具有较高的可靠性。失压线圈实现ESD功能的回路没有短路保护，一旦失压线圈烧毁，则可能导致短路，进而引发大面积电气设备的断电。3 结 语ESD系统是海洋石油平台的标准配置，对平台安全生产至关重要。设计ESD控制回路时，必须综合考虑设备运行环境和安装情况，以确保与其他系统协调运行。每个环节都必须准确无误、安全可靠，就像“木桶原理”一样，因而需要考虑连接、操作方式、信号传输和互锁机制等因素，并选择适应特殊条件的控制模块和设备。关注ESD控制回路的可靠性和安全性，采用可靠元件，如继电器、断路器和触点，确保系统快速、准确地响应紧急情况，可为海洋石油平台的安全生产提供有力支持。参考文献刘美，张宪举.紧急停车系统在石化企业的应用 J .仪器仪表用户，2006（2）：116-117.王伟杰.浅谈海洋石油平台紧急停车系统的设计 J .中国造船，2012（A02）：134-139.郭英才.紧急停车系统ESD J .石油化工建设，2015，37（2）：81-83.荆胜南，张继，王洪元.紧急停车系统（ESD）的实现 J .计算机与应用化学，2010，27（8）：1123-1126.1234图 6 某新建平台低压 400 V配电盘馈线开关ESD回路Fig.6 ESD circuit of low-voltage 400 V distribution panel feeder switch on a new platform