天然气净化厂DCS/ESD供配电优化

西南油气田分公司重庆天然气净化总厂

天然气净化厂主要对天然气进行脱硫（碳）、脱水并对酸气进行处理[1-2]。由于天然气净化厂的工艺介质具有高温、高压、有毒、有害等特性[3]，根据天然气净化厂相关设计规范，需设置DCS（分布式控制系统）、ESD（紧急停车系统）来满足生产安全。DCS的主要功能是实现天然气净化装置生产过程中的分散控制、集中操作和管理[4]。ESD 的主要功能是实现生产装置运行过程中的异常情况和工厂关闭时的安全紧急停车，实现人员、设备的安全保护，避免危险扩散造成更大的损失[5]。

1 DCS/ESD供配电组成

DCS/ESD 系统硬件主要包括服务器站、工程师站、操作员站、打印机站、现场控制站及相关的网络设备等[6]。每个现场控制站由系统柜和端子柜组成，系统柜内有冗余控制器、I/O（输入/输出）卡件、电源卡件等配置；端子柜内有冗余电源、浪涌保护器、安全栅、信号转换器、端子等配置[7]，是现场仪表与DCS/ESD 系统相连的关键环节，具有为现场仪表供电、信号隔离、信号转换、信号防浪涌等功能。

天然气净化厂DCS/ESD 系统供配电可分为四部分：UPS（不间断电源）的供配电，即UPS的进线和至电源分配柜出线；系统站的供配电，主要为DCS/ESD 系统柜、端子柜、服务器、操作站、交换机等提供220 V AC 电源；柜内供配电，主要包括系统柜内卡件的供配电、端子柜内用电仪表的供配电；现场仪表供配电，主要为现场仪表提供220 V AC和24 V DC的工作电源，其中为现场点火系统、火检系统、PLC、辐射高温计、在线分析仪等提供220 V AC 电源，为现场电磁阀、四线制仪表、三线制仪表提供24 V DC电源[8]。

2 存在问题及改进措施

2.1 未冗余供电

DCS/ESD 系统柜、端子柜未冗余供电；服务器未冗余供电；冗余交换机共用一个电源，未分开供电。在施工设计中，电源线路仅采用一路来自UPS电源分配柜的供电线路，供电线路接入柜内后分两路并联接入冗余用电模块（图1），该供电方式存在较大的安全隐患：当供电线路出现故障或其中一个供电模块出现故障引起电源开关跳闸时，都将导致该柜的供电电源丢失，造成生产装置失去监控或联锁停车的重大事故，从而失去电源模块冗余配置的意义，降低了DCS/ESD运行的安全性、可靠性[9]。

图1 原单回路供电方式Fig.1 Riginal power supply mode of single circuit

改进措施：对于具有双重化电源要求的DCS/ESD等系统，其双重化的交流电源配电柜宜分别独立设置，空气开关、端子排等应分开布置[10]。因此对DCS/ESD 系统柜、端子柜、服务器柜增加一条220 V AC 供电线路，由单回路供电变为双回路供电，实现冗余电源模块的独立供电，避免了冗余电源模块供电回路中故障的互相影响，从而提高冗余设备运行的可靠性，实现冗余设备的真正冗余，如图2所示。

图2 优化后的冗余供电方式Fig.2 Redundant power supply mode after optimization

2.2 24 V DC电源模块报警信号未使用

端子柜内通常安装有冗余24 V DC 电源模块，其作用包括：为柜内安全栅、信号转换器等用电仪表提供电源；为现场电磁阀、四线制仪表、三线制仪表提供电源。端子柜供电的可靠性要求不亚于系统柜供电的可靠性要求，端子柜供电中断一样会导致与该端子柜相连仪表所在的装置区域失去监控或联锁停车。24 V DC 电源模块是供电的关键设备，其报警信号未接入DCS系统。

改进措施：选择端子柜冗余24 V DC电源模块的报警信号常闭触点，将冗余电源模块的2个常闭触点串成一个DI（开关量输入）信号回路接入DCS，并将其报警级设置为“紧急”；只要电源模块中任一个报警信号触发都将导致DCS 系统中对应的报警触发，便于及时发现和处置24 V DC电源模块故障，以保证端子柜内24 V DC供电的可靠性[11]。

2.3 端子柜内现场仪表配电存在强、弱电混配

现场仪表配电主要通过DCS/ESD 端子柜实现。在同一端子柜内，既有为现场220 V AC 用电仪表配电的电源浪涌保护器、电源排、供电线路、开关，又有为柜内以及现场24 V DC用电仪表配电的电源浪涌保护器、电源排、供电线路、开关，如图3所示。这种强、弱电混配的方式，造成端子柜内配电方式和线路复杂，大大增加了检修误操作的风险，同时也增加了交直流供电回路串接导致24 V DC电源和用电仪表因强电压烧毁的风险。

改进措施：将现场220 V AC 用电仪表的配电回路（电源浪涌保护器、电源排、供电线路、开关）统一设置在电源分配柜内，端子柜内仅对24 V DC 用电仪表进行配电，如图4 所示，既节约了端子柜的安装空间，又避免了端子柜内强、弱电混配存在的安全风险。

2.4 电源分配柜内部设置不合理

将需冗余供电和非冗余供电的供电线路接在同一供电排上，未分开设置，当某一供电线路或设备发生短路故障时，将导致整个电源分配柜的所有供电都受影响，降低了供电质量和供电可靠性；原电源分配柜内仅考虑DCS/ESD 系统及辅助设施的供电，未考虑现场220 V AC 用电仪表的供电，导致端子柜内存在强电、弱电混配的现象。如图3、图5所示。

改进措施：将需冗余供电和非冗余供电的仪表设备或机柜分开设置供电端子排，减小供电回路相互间的影响度，保证电源分配柜的供电质量和可靠性；通过对非冗余供电母排上游安装双电源切换开关，实现了只能单电源供电的现场仪表及操作站、第三方通信控制器等中控设备的冗余供电；对所有的220 V AC 供电回路作统一考虑，将其供电回路及回路内的浪涌保护器、开关等都设置在电源分配柜内，便于管理和方便操作；如图6所示。

2.5 24 V DC供电线路保护设置不合理

端子柜内安装有温度变送器、安全栅、隔离器、信号分配器等仪表，另外装置现场安装的电磁阀、三线制仪表、四线制仪表也需24 V DC电源供电，存在8 台仪表共用一个24 V DC 电源供电线路和供电保险的问题，如图7 所示。当某个24 V DC供电回路发生短路故障导致电源保险被烧毁时，将导致其他所有共用该保险的仪表供电中断停止工作；尤其是参与控制和联锁的仪表失效时，将引发装置失去控制或联锁停车[9]。

DCS/ESD 系统的DO（开关量输出）信号控制了继电器线圈的通、断电，从而实现继电器触点闭合、断开的控制；在天然气净化装置中，主要用于两位式控制阀的开关、点火枪的伸缩和泵的启停等。当DO用于控制切断阀的开关、点火枪的伸缩时，需要在继电器的触点回路中串接24 V DC的电源，在大竹分厂、万州分厂的DCS/ESD 中，也同样存在8个继电器的输出触点回路共用一个24 V DC电源供电线路和供电保险的问题。

改进措施：每个需要单独供24 V DC电源的用电仪表均需独立设置供电电源保险端子（图8）；每个DO继电器输出触点回路独立设置供电电源保险端子；从而实现故障影响分离，缩小故障影响范围。

图3 原DCS/ESD端子柜供电图Fig.3 Power supply diagram of original DCS/ESD terminal cabinet

图4 优化后的DCS/ESD端子柜供电图Fig.4 Power supply diagram of DCS/ESD terminal cabinet after optimization

图5 原电源柜供电示意图Fig.5 Schematic diagram of original power supply cabinet

图6 优化后的电源分配柜供电图Fig.6 Power supply diagram of power distribution cabinet after optimization

图7 24 V DC供电回路共用保险端子示意图Fig.7 Schematic diagram of common safety terminals for 24 V DC power supply circuit

图8 优化后的24 V DC供电回路示意图Fig.8 Schematic diagram of 24 V DC power supply circuit after optimization

2.6 UPS单供电出口问题

DCS/ESD电源应采用UPS[10]，目前净化总厂各分厂配置给DCS/ESD 供电的UPS 均采用两台并联负荷均分的运行方式，UPS的输出经并接两个开关后分为两路输出至电源分配柜供电，如图9 所示。UPS自带有控制电路，实现市电正常供电、电池供电、旁路切换、单UPS供电等，导致UPS只有1路外供电出口。从UPS 在天然气净化厂的运行来看，近几年先后在忠县、大竹、长寿、万州等天然气净化厂出现因UPS自身故障导致UPS无供电输出，从而导致DCS/ESD 全掉电而引发装置联锁停车事故。UPS 单供电出口严重制约和降低了供电的质量。

图9 现UPS供电示意图Fig.9 Power supply diagram of current UPS

建议改进措施：将两台并联负荷均分的UPS改为两台独立运行的UPS，然后每台UPS分别与电站来的电源通过双电源自动切换开关后，作为冗余电源给DCS/ESD电源分配柜供电，如图10所示。

图10 优化后的UPS供电示意图Fig.10 Power supply diagram of optimized UPS

2.7 ESD系统柜自带UPS的作用问题

从2010 年长寿天然气净化厂DCS/ESD 升级整改开始，新设计的ESD 系统都要求带有容量为2 kVA的UPS。配置该UPS的主要作用是ESD系统柜主供电源掉电后，短时间内为ESD 系统柜提供后备电源，一是防止ESD 系统失电引发联锁动作，导致生产装置的联锁停车；二是防止控制器等组态程序的丢失。实际上该UPS起不到上述作用，主要原因为：当ESD 系统柜突然发生掉电故障时，端子柜也会发生掉电故障，而该UPS 只对ESD 系统柜供电，由于容量小未对ESD 系统柜对应的端子柜供电，同样会造成ESD 的联锁动作和生产装置的联锁停车；ESD 的CPU（中央处理器）卡配有专用的电池卡，能保证为CPU 卡在系统平均失效时间内提供CMOS（互补金属氧化物半导体）电源；ESD 供电电源除在检修情况下，不可能长时间停电。此外，该UPS 使ESD 系统柜供电线路更加复杂，还占用机柜内的安装空间。

建议改进措施：鉴于ESD 系统柜自带UPS 的作用较小，建议取消该UPS。

3 结束语

净化总厂通过加强对施工图审查和强化施工过程监督，将冗余供电、利用电源模块报警功能、优化端子柜和电源分配柜的配电方式、合理设置24 V DC 供电线路保护端子等改进措施落实在DCS/ESD 新建或改造施工过程中。通过这些措施的实施，净化总厂的DCS/ESD 供配电得到了优化，其供配电的可靠性、稳定性得到了显著提高，从而确保了天然气净化装置的安全平稳运行。