王 飛 劉鴻雁 張偉娜

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

SF6全絕緣高壓開關(guān)柜具有全封閉、免維護(hù)、尺寸小、性能優(yōu)異和安全可靠的特點(diǎn)，用于海洋石油平臺(tái)能夠節(jié)約較多的平臺(tái)空間，降低建造成本，近幾年已經(jīng)開始在海上油田上使用，如綏中36-1油田、秦皇島32-6油田及墾利3-2油田等項(xiàng)目。

由于SF6在電弧作用下分解遇水后會(huì)產(chǎn)生高毒性分解物，如SF4、S2F2、S2F10、SOF2、HF及SO2等硫化物和氟化物，嚴(yán)重影響工作人員的人身安全，為了保障該區(qū)域工作人員的人身安全，必須要對(duì)SF6氣體泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，筆者提出了針對(duì)海上平臺(tái)的SF6氣體泄漏在線測(cè)控方案，并已經(jīng)在各油田群上取得了成功應(yīng)用。

1 SF6探測(cè)器的選型①

1.1 探測(cè)方法比較

常用的SF6探測(cè)方法有負(fù)電暈放電法、熱裂解電化學(xué)法和紅外吸收光譜法。

1.1.1負(fù)電暈放電法

負(fù)電暈放電法是以高頻脈沖負(fù)電暈連續(xù)放電效應(yīng)為原理，根據(jù)SF6的負(fù)電性對(duì)負(fù)電暈放電有抑制作用的特性來(lái)檢測(cè)泄漏氣體[1]。但是，高頻脈沖產(chǎn)生的電暈電場(chǎng)對(duì)于空氣中的其他負(fù)電性氣體也會(huì)發(fā)生反應(yīng)，不能真實(shí)反映SF6的氣體濃度，而且測(cè)量結(jié)果波動(dòng)較大，很容易受到灰塵的影響，導(dǎo)致探測(cè)器無(wú)法定量測(cè)量，只能做定性產(chǎn)品使用。根據(jù)某陸地化工廠的調(diào)研結(jié)果，負(fù)電暈放電法的實(shí)際測(cè)量結(jié)果誤報(bào)率較高，最多的記錄一天有近20次報(bào)警，該化工廠電氣主管得出的結(jié)論是探測(cè)設(shè)備誤報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)并未發(fā)現(xiàn)SF6氣體泄漏。

1.1.2熱裂解電化學(xué)法

熱裂解電化學(xué)法是利用儀器內(nèi)置的吸氣泵使SF6氣體進(jìn)入儀器并通過(guò)熱裂解器使其發(fā)生裂解反應(yīng)，其分解產(chǎn)物與空氣中的氧氣及水等化合后生成二次產(chǎn)物，再利用電化學(xué)傳感器檢測(cè)其二次產(chǎn)物就可以達(dá)到間接測(cè)量SF6氣體的目的[2]。該原理檢測(cè)的是二次產(chǎn)物，不能直接反映SF6的氣體濃度，而且測(cè)量精度不高，約為滿量程的±5%。利用該原理的傳感器探頭具有易鈍化、老化，壽命短和需定期更換電化學(xué)探頭的普遍缺點(diǎn)。

1.1.3紅外吸收光譜法

紅外吸收光譜法的原理是化合物分子振動(dòng)時(shí)吸收特定波長(zhǎng)的紅外光。非對(duì)稱雙原子和多分子氣體在紅外光波段有一定的吸收帶，吸收帶的強(qiáng)弱與所在的波長(zhǎng)范圍由分子本身的結(jié)構(gòu)決定，只有當(dāng)物質(zhì)分子本身特定振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與紅外光譜中某一波段的頻率相一致時(shí)，分子才能吸收這一波段的紅外輻射能量[3]。SF6對(duì)10.6μm紅外光具有很強(qiáng)的吸收特性[4]，而且不受其他氣體影響，受溫度和濕度的影響也很小。使用該原理的SF6探測(cè)器能夠真實(shí)、直接地反映SF6氣體濃度，而且精度高達(dá)0.001‰，誤報(bào)率低，反應(yīng)迅速，使用壽命長(zhǎng)。

1.1.4其他探測(cè)方法

其他SF6探測(cè)方法還有聲波法、電子捕獲法及色相色譜法[5]等，由于測(cè)量效果較差、不適于在線監(jiān)測(cè)及價(jià)格昂貴等因素，在此不建議采用。

通過(guò)對(duì)比分析，采用紅外吸收光譜法的SF6探頭能夠可靠、準(zhǔn)確地在線監(jiān)測(cè)SF6濃度，應(yīng)作為SF6探測(cè)器的首選。

1.2 取樣方式比較

取樣方式分為點(diǎn)式和主動(dòng)吸入式兩種：點(diǎn)式SF6探頭一般布置在SF6設(shè)備房間墻壁的下方，距離泄漏源較遠(yuǎn)，探測(cè)報(bào)警結(jié)果滯后，探測(cè)效果較差；主動(dòng)吸入式采用管線吸入，可以直接伸入機(jī)柜內(nèi)部，靠近泄漏源，而且安裝空間小，不受機(jī)柜內(nèi)部電場(chǎng)干擾，同時(shí)可以通過(guò)分支采樣管線增加取樣點(diǎn)，不需要額外增加探頭數(shù)量，降低成本。因此，應(yīng)優(yōu)先選擇主動(dòng)吸入式取樣方式。

綜上所述，本方案最終選用了基于紅外吸收光譜原理的主動(dòng)吸入式SF6探測(cè)器，利用耐海上鹽霧腐蝕的不銹鋼儀表管將室內(nèi)SF6氣體吸入到SF6分析儀中進(jìn)行濃度分析。為了減少灰塵的影響，在采樣點(diǎn)末端增加了氣體過(guò)濾器，提高測(cè)量精度，同時(shí)便于維護(hù)。

2 SF6探測(cè)器的布置方案

以某海上井口平臺(tái)高壓開關(guān)間為例，該房間內(nèi)共有13臺(tái)高壓開關(guān)柜，為非密閉柜體，內(nèi)部的高壓開關(guān)采用SF6作為絕緣滅弧氣體。

13臺(tái)高壓開關(guān)柜可視為13個(gè)SF6泄漏點(diǎn)，原則上需要對(duì)每個(gè)泄漏點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)?；谥鲃?dòng)吸入式的設(shè)計(jì)理念，選用7路采樣管線，其中6路同時(shí)對(duì)每?jī)膳_(tái)高壓開關(guān)柜進(jìn)行主動(dòng)吸入式采樣，剩下一路單獨(dú)對(duì)第13臺(tái)進(jìn)行采樣。采樣管線從甲板下部布置，穿過(guò)甲板后進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)部，穿甲板處做好密封。由于SF6比重約為空氣的5～6倍，當(dāng)發(fā)生SF6泄漏時(shí)，會(huì)首先往空氣下層聚集，所以需將采樣點(diǎn)布置于地面層[6]，本方案將采樣點(diǎn)布置于機(jī)柜下方300～500mm處。SF6分析裝置布置于室外門口，高1.5m，帶LCD顯示，通過(guò)內(nèi)置的吸入泵和紅外分析儀對(duì)所連接采樣管內(nèi)的氣體進(jìn)行分析，并實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)的SF6濃度。

在室內(nèi)、外門口上方明顯位置布置聲光報(bào)警器，當(dāng)SF6泄漏達(dá)到1‰時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)聲光報(bào)警，提醒室內(nèi)工作人員撤離，室外工作人員不可進(jìn)入。

在室內(nèi)靠近門口位置設(shè)置氧氣傳感器和溫、濕度傳感器，用于監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣情況，其中氧氣傳感器布置于地面層[6]，距地面300～500mm處，溫、濕度傳感器布置于距地面1.5m高處，便于查看和維護(hù)。

3 SF6氣體泄漏控制方案

為了當(dāng)高壓開關(guān)房間內(nèi)發(fā)生SF6氣體泄漏時(shí)，自動(dòng)通風(fēng)能夠更好、更及時(shí)地排出SF6，減少電弧與SF6的反應(yīng)，降低有毒二次氣體的產(chǎn)生，房間排風(fēng)機(jī)一般由平臺(tái)的火氣(F&G)系統(tǒng)控制。因此，有必要將SF6監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和F&G系統(tǒng)整合，以實(shí)現(xiàn)完整的SF6監(jiān)測(cè)和自動(dòng)報(bào)警保護(hù)功能。

本方案將SF6探測(cè)器的信號(hào)和供電均接入平臺(tái)F&G系統(tǒng)，海上平臺(tái)的F&G系統(tǒng)一般具有SIL2或SIL3安全儀表等級(jí)認(rèn)證，整體上提高了SF6監(jiān)測(cè)、報(bào)警和控制的可靠性；同時(shí)F&G系統(tǒng)具有單獨(dú)的備用電池供電，也提高了SF6探測(cè)器的可用性。

通信方式選用Modbus RTU RS485，4～20mA以及干觸點(diǎn)信號(hào)等多種形式，將房間內(nèi)各個(gè)區(qū)域的SF6氣體濃度實(shí)時(shí)傳輸?shù)轿挥谄脚_(tái)中控室的F&G系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。SF6氣體泄漏在線測(cè)控方案框圖如圖1所示。

圖1 SF6氣體泄漏在線測(cè)控方案框圖

當(dāng)房間內(nèi)發(fā)生SF6氣體泄漏時(shí)，自動(dòng)將SF6濃度傳送到中控室的上位機(jī)，供平臺(tái)工作人員查看。當(dāng)SF6濃度達(dá)到1‰或者氧氣含量低于18%時(shí)[6]，F(xiàn)&G系統(tǒng)觸發(fā)高壓開關(guān)間的聲光報(bào)警器和中控室應(yīng)急控制盤上的聲光報(bào)警器，提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員撤離和室外人員不要進(jìn)入，并自動(dòng)啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)換氣，降低房間內(nèi)的SF6含量，以保障工作人員人身安全。

同時(shí)應(yīng)要求高壓盤內(nèi)置SF6故障監(jiān)測(cè)裝置[7]，并接入F&G系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生放電或SF6泄漏故障時(shí)，觸發(fā)F&G系統(tǒng)報(bào)警，提醒平臺(tái)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)故障排查，及時(shí)維修，避免發(fā)生更大程度的泄漏。

4 結(jié)束語(yǔ)

SF6氣體泄漏在線測(cè)控方案已經(jīng)在2013年底成功應(yīng)用在綏中36-1海上采油平臺(tái)，為中海油海上油氣平臺(tái)的首次應(yīng)用，現(xiàn)已推廣到墾利3-2和秦皇島32-6油田群。本方案提供了良好的監(jiān)測(cè)和報(bào)警作用，保障了人員生產(chǎn)安全和設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。隨著SF6絕緣高壓設(shè)備在海上平臺(tái)的使用，作為必備的配套安全報(bào)警措施，該技術(shù)方案有著廣泛的推廣意義與應(yīng)用前景。