炼油厂仪表供电方案研究

林洪俊

(中国石油工程建设公司 华东设计分公司，山东 青岛 266071)

炼油厂主要由工艺装置、油品罐区、油品装卸、公用工程等生产设施组成。除油品装卸设施为间断操作外，其他都是连续生产流程。

完备的自动控制是炼油生产过程安全、平稳、高效运行的保证。随着炼油厂的发展，对自动控制的依赖度越来越高，换言之，自控设备的运行水平决定了炼油厂的生产运行水平。而自动控制系统的可靠运行依赖于可靠的供电，日常工作中习惯称为仪表供电。

传统的仪表供电仅指自动控制系统中有关仪表设备本体的供电。笔者认为，除此之外，还应考虑为控制系统提供运行条件的辅助设施的供电，其运行状况直接影响控制系统可靠运行的能力。

炼油厂自动控制系统供电设计应严格遵循SH/T 3082—2003《石油化工仪表供电设计规范》。该规范对仪表供电范围、负荷等级、电源质量、电源配置、供电系统设计、供电器材选择、电源系统的配线做了规定。但实际工程中仪表供电系统设计存在诸多问题，如： 没有配备不间断电源(UPS)，造成仪表供电中断；UPS配置不合理造成停电；UPS选型不合理，UPS联锁停机造成停电；供电系统设计杂乱，装置间容易误操作或无法异步检修。

笔者参与了多次供电事故原因分析，事故原因总结如下： 自控专业往往注重仪表设备本体的有关设计，轻视了供电系统的设计；仪表供电设计由自控专业和电气专业合作完成，由于分工问题和专业知识所限，造成仪表供电系统可靠性设计不完善；仪表供电设计中所参照的标准规范偏重于原则性、通用性，缺乏具体实施方案，对设计规范理解不同，致使实际设计方案多种多样，势必存在部分不正确、不合理、待优化的方案。

近年来，炼油厂设计模式发生了较大的变化。以前，控制室设置模式或是全厂/区域性中心控制室，或是装置级独立控制室，控制系统的控制站和操作站集中于一处。现在，控制室基本设置变成现场机柜室加中心控制室的模式。控制系统由集中布置改为分散布置。面对新模式，仪表供电设计也应有新方案，但实际情况中供电设计没有很好地适应这种变化。

近年来，结合国内千万吨级炼油厂的设计和国外发达国家炼油项目的设计，笔者进行了学习与研究，也多次组织业内专家召开研讨会，形成了一系列仪表供电设计方案，并经过多个项目从投产、运行、维保等实际应用检验、考评，证明设计方案合理。现把部分方案进行梳理，供业界讨论和参考，以便完善和提高，更好地服务于炼油企业。

1 供电分类

为合理设计供电系统，在工程设计中应首先对所涉及的自控专业所有用电负荷进行分类，负荷包括仪表设备本体用电、保证仪表正常工作的辅助设施用电等，如： DCS，SIS，MCS等生产控制系统的控制站、网络交换机、操作站等；现场仪表；控制室、机柜室空调供电；控制室、机柜室室内照明供电，以此作为仪表供电设计基础。

2 供电方案

2.1 中心控制室仪表供电

2.1.1用电特点

中心控制室主要用电设备包括控制系统操作站、厂级网络交换机、SIS远程I/O站或控制站、工程师站、服务器。设备用电特点如下：

1) 操作站。为控制系统与操作人员之间的人机接口设备，如果操作站失电，操作人员将看不到工艺装置的运行状态，无法操作，工艺装置将有失控的危险，会导致严重后果。即使在工艺装置停电后的一定时间内，仍然需要操作站正常运行，至少是部分操作站能运行。因此，操作站供电必须可靠，应采用UPS供电，并且应采用双路供电。但是，每个操作站却只有1路电源接口。

2) 厂级网络交换机。网络交换机起到控制系统神经中枢的作用，一旦失电，中心控制室内的操作站、工程师站将与现场的控制站失去联系，导致的结果和操作站失电一样危险。即使在全厂停电后的一定时间内，仍然需要交换机正常运行。因此，交换机的供电必须可靠，应采用UPS供电，并且应采用双路供电。交换机具有2路电源接口。

3) SIS远程I/O站或控制站。布置于中心控制室内的SIS远程I/O站或控制站用于处理SIS操作台上的按钮、开关、指示灯等信号。远程I/O站或控制站失电将导致联锁停车，会带来很大的经济损失。因此，SIS远程I/O站或控制站供电必须可靠，应采用UPS供电，并且应采用双路供电。SIS远程I/O站或控制站具有2路电源接口。

4) 工程师站、历史站、服务器。单纯功能的工程师站仅用于控制系统组态，工程师站停机不会造成安全事故，对供电可靠性无特殊要求。但对兼备SOE记录站、OPC服务器等功能的工程师站，或兼做操作站，供电要求较高，应采用UPS供电。

历史站主要用于工艺参数和操作记录。有的独立设置，有的由操作站兼任，有的由工程师站兼任。尽管纯粹意义的历史站断电停机不影响DCS运行，但还应采用UPS供电，以便全程记录，包括停电过程和停电后的应急处理过程，供事后事故分析。

服务器分多种，包括网络接口服务器和辅助监控系统服务器。网络接口服务器用于控制系统与工厂LAN，MES，APC等进行数据交换，系统突然停机不影响生产安全，但将影响正常生产管理或生产效率，应采用UPS供电。辅助监控系统服务器是辅助监控系统的核心，虽然为非实时控制系统，突然停机也不影响生产安全，但失去监控毕竟不利于生产，宜采用UPS供电。

2.1.2供电方案

1) 操作站。根据上述分析，操作站采用分组供电方式，即把1个装置的操作站分成A和B 2组，2组功能冗余配置。A组操作站电源来自第1路UPS，B组操作站电源来自第2路UPS。

2) 厂级网络交换机。每台网络交换机应接2路电源，1路引自第1路UPS，另一路引自第2路UPS。

3) SIS远程I/O站或控制站。每个SIS远程I/O站或控制站应接2路电源，1路引自第1路UPS，另一路引自第2路UPS。

4) 工程师站、历史站、服务器。工程师站、历史站、服务器电源宜引自1路UPS。如果有多台工程师站，宜把工程师站分成2组，2组的电源分别引自不同的UPS。

2.1.3供电系统

根据上述分析，典型的中心控制室仪表供电系统原理如图1所示。

2.2 现场机柜室仪表供电系统

2.2.1用电特点

现场机柜室主要用电仪表设备包括控制系统控制站、区域网络交换机、工程师站、操作站、服务器、现场仪表。设备用电特点如下：

图1 中心控制室仪表供电原理

1) 控制站。控制站是控制系统的核心，一旦失电，控制系统将失效。因此，控制站供电必须可靠，应采用UPS供电，并且应采用双路供电。

2) 区域网络交换机。网络交换机是控制系统的神经中枢，一旦失电，该现场机柜室内控制站间将失去联系，影响控制功能；控制系统与中心控制室内的操作站将失去联系，导致工艺装置失控。因此，区域网络交换机供电必须可靠，应采用UPS供电，并且应采用双路供电。

3) 工程师站。工程师站特点与中心控制室工程师站情况雷同，不再赘述。

4) 操作站。现场机柜室的操作站只用于显示，日常不能操作，供电方面没有特殊要求，由于数量很少，每个机柜室有1～2台，宜采用UPS供电，有利于装置停电时查看有关信息。

5) 服务器。大部分控制系统采用无服务器的点对点通信结构，只有部分厂商的控制系统采用“服务器+客户机”的结构。因此，只有选用后一种结构的控制系统时，现场机柜室才有服务器。这种服务器对控制系统的正常运行至关重要，必须可靠供电，应采用UPS供电，并且应采用双路供电。

6) 现场仪表。现场仪表按用电规格分为24 V(DC)和220 V(AC)两种。

24 V(DC)供电仪表主要有检测仪表、变送器、电气阀门定位器、电磁阀。这些仪表可靠性要求高，供电不能中断，应采用UPS供电，并且应采用冗余的电源。

220 V(AC)用电仪表数量很少，多数为在线分析仪，还有少量的流量计。根据统计，在线分析仪一般不用于实时控制，从其用途看一般不需要UPS供电。极少数重要用途的在线分析仪，或突然供电中断导致分析仪功能受损时，可用UPS 供电。使用220 V(AC)规格电源的流量计情况与此类似。现场仪表本体只有1路电源输入口。

2.2.2供电方案

1) 控制站。每台控制器应接2路电源，1路引自第1路UPS，另一路引自第2路UPS。

2) 区域网络交换机。每台网络交换机应接2路电源，1路引自第1路UPS，另一路引自第2路UPS。

3) 工程师站。工程师站电源宜引自1路UPS，如果有多台工程师站，宜把工程师站分成2组，2组的电源应分别引自不同的UPS。

4) 操作站。若有1台操作站，其电源宜引自1台UPS，若有2台或多台操作站，宜分2组，2组的电源宜分别引自不同的UPS。

5) 服务器。每台服务器应接2路电源，1路引自第1路UPS，另一路引自第2路UPS。

6) 24 V(DC)电源现场仪表。通用变送器、阀门定位器，如回路中无隔离式安全栅时，可以通过控制系统I/O卡件供电，通过控制系统已经满足2路UPS供电的需求。

对于回路中有隔离式安全栅或其他外供电的辅助仪表时，或现场仪表不能通过控制系统I/O卡件供电时，仪表供电方案如下：

选用2组直流电源模块，第1组的交流输入引自第1路UPS，另一组引自第2路UPS。2组直流电源装置的直流输出至同一直流母排，24 V(DC)电源现场仪表从直流母排引电。目前，有一种直流电源装置，每一台都可以接入2路交流电源，1路电源中断时，另一路可以继续供电。

7) 220 V(AC)电源现场仪表。对于单路电源供电的仪表，电源直接引用市电或引自某1台UPS。对于需要双电源的仪表，供电方案如下： 选用互投器，互投器的2路输入分别接2路UPS，输出接供电母排后向仪表供电。互投器工作方式： 正常情况下通过1路UPS供电，该路中断时自动切换到另一路。切换时间可以根据负载要求确定。根据笔者的经验，目前所设计的炼油装置中尚无这种需求。但笔者调查了解到个别石化企业的确使用了该方案。笔者建议，要避免这种情况出现，应首先在仪表选型方面避免选用这种仪表，尽量选用24 V(DC)电源的仪表。

另外，对于较大负荷的在线分析仪，需要UPS供电时，应单独为其配置UPS装置。

2.3 现场控制室/区域控制室仪表供电系统

现场控制室/区域控制室相当于中心控制室与现场机柜室的合并。供电系统设计方案已包括在中心控制室和现场机柜室供电方案中，不再赘述。

图2 现场机柜室仪表供电原理

2.4 控制室和机柜室空调供电

2.4.1用电特点

空调设施用于调节控制室、机柜室的温度和湿度，为控制系统提供适宜的工作环境。尤其机柜间，机柜发热量大，如果机柜间空调断电停机，机柜间温度会快速上升，导致控制系统自动停机，甚至严重损坏。笔者曾在南方某炼油厂遇到一案例，机柜间空调供电故障停电，在约2 h内室内温度由23 ℃升至50 ℃，只得把控制系统主动停机。

2.4.2供电方案

控制室、机柜室空调由电气专业直接供电，应按一级负荷供电，或与工艺流程泵供电等级相同。另外，对于空调系统，宜设2台空调。在1台空调停止运行时，另1台能维持室内温度不超过控制系统运行条件的上限。

2.4.3供电系统原理

根据上述分析，典型的现场机柜室仪表供电系统原理如图2所示。

2.5 控制室和机柜室室内照明供电

2.5.1用电特点

控制室、机柜室室内照明的目的是保证工艺操作人员的操作与记录，保证仪表维护人员维护控制系统。如果照明中断，其主要后果是影响操作人员的操作，存在失控的危险。

2.5.2供电方案

控制室、机柜室照明由电气专业负责供电。操作室等必须有人操作的地方在市电停电后，其照明应按一级负荷中重要负荷级别供电，在装置停电时，仍能在一定时间内保证一定照度的照明。其他房间按建筑物照明规定设计。

3 其他供电事项

3.1 储运设施仪表供电

储运设施包括油品罐区、油品装载设施等。同工艺装置相比，储运设施一般为间断性操作，操作条件平缓，对实时控制要求较低，对供电可靠性要求比工艺装置低，使用单UPS可以满足要求。

3.2 公用工程仪表供电

公用工程包括水、电、汽、风等设施，如净水厂、循环水场、污水处理厂、发电站、配电站、蒸汽锅炉、空压站、空分站。公用工程是工艺装置正常运行的前提，对其可靠性要求特别高。因此，公用工程仪表供电的可靠性要求不能低于工艺装置。

3.3 UPS冗余配置方案

关于双UPS的供电方案，市面上有多种组合方案，主要区别在于UPS的输入和输出关系，其中最典型的是2台UPS的输出关系。早期，常采用2台UPS输出并联的方案，2台UPS间采用同步器协调。每台UPS的容量满足全部负荷的要求。无论是理论分析，还是供应商制造技术，该方案似乎都是可行的。但经过多年运行、维护实践证明，该方案故障率很高，常发生UPS联锁停机，仪表与控制系统失电，工艺装置停车等故障。

近十年来，笔者在调查研究的基础上，取消了上述输出并联方案，采用了2台UPS独立供电方案，实践证明，该方案安全可靠，维护方便，完全满足炼油厂仪表供电要求。

3.4 配电柜设置

仪表用电取自配电柜。目前，中心控制室配电柜设置基本一致，设总配电柜，由总配电柜配电到用电设备。现场机柜室配电柜的设置花样繁多，常见有三种方案： 按装置设配电柜，按控制系统设配电柜，设总配电柜。

1) 按装置设配电柜方案。该方案主要流程： 每台UPS输出至总配电柜；该机柜室内按工艺装置设分配电柜；总配电柜配电至分配电柜；分配电柜配电至该装置所用的各机柜。当只有一个装置时不设分配电柜，总配电柜直接配电到各机柜。

2) 按控制系统设配电柜。同方案1)相比，该方案分配电柜按控制系统类别设置，如DCS配电柜、SIS配电柜等。该方案源于控制系统供应商集成模式，控制系统各自管各自的供电，包括与各系统相连的仪表供电。

3) 设总配电柜。每路UPS输出设1个配电柜，由该配电柜向各机柜等用电负荷直接供电。

方案1)的优点是用电管理界面清晰，便于各装置不同期检修，用电安全性高；缺点是配电级数多。方案2)优点是设计简单，工作量小；缺点是装置间界面不清，不利于装置间独立的维护与检修，用电安全性较低。方案3)优点是配电级数少；缺点是装置间界面不清，用电安全性较低。综合比较，多装置共用一个机柜室时，笔者推荐方案1)。

3.5 UPS输入要求

UPS对输入有一定的要求，超出条件范围，UPS会联锁停机，造成严重后果。但设计者往往关注对UPS输出的要求，而忽略对UPS输入条件的要求。因此，有些工程的UPS出现频繁跳闸的现象。这种情况一般发生在市电电网质量不高，或附近经常有大负荷设备的启停，笔者曾经历过几个案例。因此，应仔细核实UPS的输入条件，并在UPS规格书中注明，条件不好时还需特别强调，以便让UPS供应商做个性化配置。

3.6 UPS输出要求

目前，UPS输出分为中线接地式和浮空式两种。由于仪表供电系统是中线接地式的，要求UPS输出也应是中线接地式。

3.7 UPS状态指示

UPS具有一定的自诊断能力，表现为能够输出多种状态报警，尤其当前的UPS智能化程度很高。UPS的状态报警对仪表供电可靠性非常重要，可以帮助使用者及时采取各种应急预案。但由于UPS布置于无人值守的UPS间，其报警无人知晓，另外，UPS一般由电气专业设计，由于专业间的“隔阂”，UPS状态报警常常被忽略。因此，在工程设计中需要重视UPS状态报警，应主动把报警状态信号接入到DCS等控制系统中，使UPS状态报警能被及时发现，及时采取措施。

4 结束语

仪表供电事关炼油厂的安全、平稳运行，在工程设计中必须高度重视。仪表供电负荷种类繁多，须分类对待。仪表供电设计应兼顾使用、维护、管理的需求。仪表供电由电气、仪表专业合作完成，应注意明晰需求，协调一致。

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