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]

1 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］。

图1 ESD系统结构简图Fig.1 Schematic diagram of ESD system structure

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。

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

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。

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

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。

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

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，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。

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

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。■