王 鵬，李海濤，鄭高意，王志鵬

[中海石油（中國(guó)）有限公司曹妃甸作業(yè)公司 天津 300451]

1 ESD系統(tǒng)

緊急停車系統(tǒng)（Emergency Shutdown Device，簡(jiǎn)稱ESD）是海上平臺(tái)的專用安全保護(hù)系統(tǒng)，用于保障人員、設(shè)施和流程的安全。它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，能在出現(xiàn)異常時(shí)立即報(bào)警，并通過(guò)自動(dòng)控制觸發(fā)相應(yīng)的關(guān)斷設(shè)備，以防止事故發(fā)生或擴(kuò)大。ESD系統(tǒng)在海洋石油平臺(tái)中分為4 個(gè)等級(jí)［2］。

一級(jí)關(guān)斷：用于緊急撤離平臺(tái)，在此情況下，人員必須立即撤離，并關(guān)閉所有生產(chǎn)設(shè)備和主電力系統(tǒng)。

二級(jí)關(guān)斷：用于嚴(yán)重火災(zāi)或可燃?xì)怏w泄漏，可自動(dòng)或手動(dòng)觸發(fā)。其目的是進(jìn)行火災(zāi)區(qū)域的消防、隔離工藝介質(zhì)和電源，防止火災(zāi)擴(kuò)大。

三級(jí)關(guān)斷：針對(duì)生產(chǎn)/公用系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的故障情況，需要等待排除故障或設(shè)備參數(shù)恢復(fù)正常后才能恢復(fù)生產(chǎn)。

四級(jí)關(guān)斷：針對(duì)單個(gè)井（設(shè)備）的異?；蚬收?，只影響目標(biāo)單元的安全，不會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行。

不同等級(jí)的關(guān)斷采取不同措施，以確保平臺(tái)的安全運(yùn)行，高級(jí)別的關(guān)斷會(huì)觸發(fā)低級(jí)別的關(guān)斷。ESD 系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和嚴(yán)格測(cè)試，以保證可靠性和實(shí)用性，它需要快速、準(zhǔn)確地識(shí)別，并響應(yīng)不同的緊急情況和故障，最小化關(guān)斷范圍，以減少對(duì)生產(chǎn)的干擾，具備自適應(yīng)能力。此外，系統(tǒng)還需要根據(jù)不同情況自動(dòng)切換至適當(dāng)?shù)年P(guān)斷級(jí)別，以保證平臺(tái)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

一套完整的ESD系統(tǒng)包括檢測(cè)單元、輸入模塊、控制模塊、輸出模塊和執(zhí)行單元，如圖1 所示［3-4］。

圖1 ESD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of ESD system structure

ESD系統(tǒng)中的執(zhí)行元件通常帶電，在出現(xiàn)異常工況時(shí)，會(huì)失去電源并執(zhí)行關(guān)斷操作。關(guān)斷操作通過(guò)電磁閥、關(guān)斷閥、安全閥和繼電器實(shí)現(xiàn)，繼電器在ESD系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，接收信號(hào)后觸發(fā)關(guān)斷操作，切斷電路或設(shè)備的電源，從而確保安全。繼電器的失電動(dòng)作至關(guān)重要，能夠確保電氣設(shè)備在緊急情況下及時(shí)停止工作，防止事故發(fā)生或擴(kuò)大。因此，繼電器的設(shè)計(jì)和選用非常重要，需要嚴(yán)格測(cè)試和驗(yàn)證，定期維護(hù)和檢修繼電器是保障其正常工作和穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵措施。

2 電氣設(shè)備ESD 功能

電氣設(shè)備ESD功能通常通過(guò)二次回路實(shí)現(xiàn)。將ESD系統(tǒng)的中間繼電器的輔助觸點(diǎn)與電氣設(shè)備的二次回路相連，在緊急情況下，中間繼電器的閉合觸點(diǎn)動(dòng)作后觸發(fā)脫扣器動(dòng)作，使相應(yīng)斷路器分閘，切斷電氣設(shè)備的電源以確保安全。這種集成設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，通過(guò)二次回路控制電氣設(shè)備關(guān)斷，可完成高效的保護(hù)操作過(guò)程。

2.1 電氣原理圖

電氣原理圖分為一次回路和二次回路。一次回路，也稱為主電路或主回路，主要用于轉(zhuǎn)換、輸送和分配電能，相對(duì)于二次回路而言，一次回路的電壓較高、電流較大；二次回路，也稱為控制電路或二次系統(tǒng)，主要用于監(jiān)視、測(cè)量、控制、保護(hù)和發(fā)出各種信號(hào)，其工作狀態(tài)可以反映一次設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際情況。相對(duì)于一次回路，二次回路的電壓較低、電流較小，但需要控制多個(gè)二次設(shè)備，并且二次回路的復(fù)雜性遠(yuǎn)高于一次回路。以三相異步電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路為例，左邊是主回路，右邊是控制回路，如圖2 所示。

圖2 三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)電路圖Fig.2 Three-phase asynchronous motor forward and reverse circuit diagram

在電氣原理圖中，主回路提供電能和執(zhí)行電機(jī)的正反轉(zhuǎn)操作，控制回路用于啟動(dòng)、停止和轉(zhuǎn)向電機(jī)，并監(jiān)視其運(yùn)行，主回路和控制回路相互作用。當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，主回路中的電流超過(guò)熱繼電器的整定值，導(dǎo)致熱繼電器動(dòng)作，其輔助觸點(diǎn)斷開，切斷控制回路的電源，這將導(dǎo)致控制回路失電，無(wú)法對(duì)主回路進(jìn)行控制。主控回路相互制約，狀態(tài)和動(dòng)作相互影響。

2.2 常用ESD回路簡(jiǎn)介

某油田于2004 年投產(chǎn)，并在隨后進(jìn)行了綜合調(diào)整、新建和改造項(xiàng)目，新增了一些電氣設(shè)備。這些新增設(shè)備與原有平臺(tái)的電氣系統(tǒng)ESD回路構(gòu)造有所不同。在新擴(kuò)改造的設(shè)備中，ESD功能的實(shí)現(xiàn)借助于分勵(lì)脫扣和失壓脫扣2 種機(jī)制。

分勵(lì)脫扣器用于斷路器的分閘操作，當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，ESD系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)分勵(lì)脫扣器，使其動(dòng)作，將斷路器切斷，從而實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的關(guān)斷。另一種途徑是通過(guò)失壓脫扣器來(lái)實(shí)現(xiàn)斷路器的分閘。失壓脫扣器的作用是在電氣系統(tǒng)失壓時(shí)自動(dòng)動(dòng)作，切斷電路，以確保安全。當(dāng)ESD系統(tǒng)檢測(cè)到異常情況、導(dǎo)致電氣系統(tǒng)失壓時(shí)，失壓脫扣器會(huì)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的關(guān)斷。

這種新增設(shè)備的ESD回路構(gòu)造不僅提供了多種實(shí)現(xiàn)ESD功能的方式，還充分考慮了不同緊急情況下的應(yīng)對(duì)措施。通過(guò)分勵(lì)脫扣器和失壓脫扣器，電氣設(shè)備可以在需要時(shí)迅速、可靠地進(jìn)行關(guān)斷操作，以保障平臺(tái)的安全。

2.2.1 通過(guò)分勵(lì)脫扣器實(shí)現(xiàn)ESD功能

分勵(lì)脫扣器是用于實(shí)現(xiàn)斷路器的遠(yuǎn)程操作和控制的裝置。在正常情況下，分勵(lì)脫扣器的線圈處于斷電狀態(tài)，在發(fā)生異常情況時(shí)，分勵(lì)脫扣器的線圈會(huì)通電，使銜鐵吸合，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)脫扣機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)斷路器的分閘。下面介紹不同項(xiàng)目采用的ESD回路如何實(shí)現(xiàn)緊急停車功能。

平臺(tái)投產(chǎn)時(shí)低壓400 V配電盤饋線開關(guān)的ESD回路如圖3 所示?；芈返碾娫从蒛PS提供AC 110 V，并通過(guò)FU1 和FU2 兩個(gè)熔斷器來(lái)提供短路保護(hù)。ESD觸點(diǎn)在圖中表示為常閉點(diǎn)，與R中間繼電器回路串接，常閉觸點(diǎn)R-1 則與分勵(lì)線圈回路串接。在正常情況下，R繼電器得到電源供電，使其常閉觸點(diǎn)R-1 斷開，從而分勵(lì)線圈不得電。當(dāng)ESD 觸點(diǎn)動(dòng)作（即斷開）時(shí)，R繼電器失去電源供應(yīng)，使其常閉觸點(diǎn)R-1閉合，從而分勵(lì)線圈得到電源供應(yīng)。這將帶動(dòng)脫扣器進(jìn)行脫扣操作，使得MCB（微型斷路器）斷開。

圖3 某平臺(tái)低壓400 V配電盤饋線開關(guān)ESD回路Fig.3 ESD circuit of low-voltage 400 V distribution panel feeder switch on a certain platform

平臺(tái)在2019 年新增的低壓400 V 配電盤饋電開關(guān)的ESD回路如圖4 所示。它與圖3 的工作原理相似，但唯一的區(qū)別在于分勵(lì)線圈回路中添加了一個(gè)MCCB（塑殼斷路器）的常開觸點(diǎn)，只有MCCB處于合閘狀態(tài)，ESD動(dòng)作發(fā)生時(shí)分勵(lì)線圈才會(huì)得到電源供應(yīng)。在正常情況下，MCCB處于斷開狀態(tài)，其常開觸點(diǎn)不閉合，分勵(lì)線圈無(wú)法得到電源供應(yīng)，無(wú)法進(jìn)行脫扣操作。當(dāng)MCCB處于合閘狀態(tài)時(shí)，常開觸點(diǎn)閉合，分勵(lì)線圈可以得到電源供應(yīng)，如果此時(shí)發(fā)生ESD動(dòng)作，則分勵(lì)線圈會(huì)被激活，從而實(shí)現(xiàn)脫扣操作，使開關(guān)斷開。

圖4 某平臺(tái)新增低壓400 V配電盤饋線開關(guān)ESD回路Fig.4 ESD circuit of new low-voltage 400 V distribution panel feeder switch on a certain platform

這種設(shè)計(jì)確保了在MCCB合閘狀態(tài)下才能觸發(fā)ESD動(dòng)作，有效防止了誤操作。這種改進(jìn)提高了ESD回路的可靠性，同時(shí)降低了不必要的關(guān)斷操作，確保了電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。

該油田2021 年新建平臺(tái)的低壓400 V 配電盤馬達(dá)控制中心的ESD回路如圖5 所示。該回路與圖4的工作原理大體相似，但存在一些區(qū)別。首先，回路電源由UPS提供的AC 110 V變?yōu)橹绷髌撂峁┑腄C 110 V。其次，ESD 觸點(diǎn)從原先的開關(guān)量信號(hào)變?yōu)?4 V電源，用于給J2 繼電器供電。在該回路中，當(dāng)發(fā)生ESD動(dòng)作（即失去電源）時(shí)，J2 繼電器將被斷電，導(dǎo)致常閉觸點(diǎn)J2 閉合，這時(shí)分勵(lì)線圈得到電源供應(yīng)，進(jìn)而帶動(dòng)脫扣器進(jìn)行脫扣操作，使MCCB（塑殼斷路器）斷開。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，當(dāng)發(fā)生ESD動(dòng)作時(shí)，J2 繼電器將被斷電，觸發(fā)分勵(lì)線圈得到電源供應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)脫扣操作，使得MCCB斷開。這種改進(jìn)設(shè)計(jì)提高了回路的可靠性和操作的準(zhǔn)確性。

圖5 某新建平臺(tái)低壓400 V配電盤馬達(dá)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 通過(guò)失壓脫扣器實(shí)現(xiàn)ESD功能

失壓脫扣器與斷路器的電源并聯(lián)，具有欠壓及零壓保護(hù)功能。在正常情況下，當(dāng)電源電壓處于額定范圍時(shí)，通過(guò)操作手柄扳動(dòng)，斷路器的常開輔助觸頭閉合，電磁鐵得到供電，銜鐵被電磁鐵吸住，主觸頭閉合且鎖定在合閘位置，使斷路器處于工作狀態(tài)。一旦停電或電源電壓過(guò)低時(shí)，電磁鐵所產(chǎn)生的電磁力難以克服彈簧的拉力，銜鐵被向上拉，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)自由脫扣機(jī)構(gòu)使斷路器掉閘，從而實(shí)現(xiàn)欠壓及零壓保護(hù)功能。失壓脫扣器并聯(lián)在斷路器的電源側(cè)，以確保在電源停電或電源電壓過(guò)低的情況下能夠及時(shí)斷開斷路器，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用。在失壓脫扣器的電磁線圈回路中，通常還會(huì)串聯(lián)一個(gè)常閉按鈕，用于進(jìn)行手動(dòng)分閘操作。當(dāng)電源電壓低于額定電壓40%時(shí)，失壓線圈會(huì)脫開，使斷路器掉閘分?jǐn)唷＿@種設(shè)計(jì)能夠保證在電源電壓異常情況下，通過(guò)失壓脫扣器的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)斷路器的合閘和分閘，以確保電路的安全運(yùn)行。

該油田2019 年新建平臺(tái)的低壓400 V配電盤饋線開關(guān)的ESD回路如圖6 所示。由UPS對(duì)失壓線圈YU 供電，并與ESD 常開觸點(diǎn)串聯(lián)。在正常情況下，ESD常開觸點(diǎn)閉合，保持線圈得電狀態(tài)。在異常情況下，ESD常開觸點(diǎn)斷開，導(dǎo)致YU線圈失去電源供應(yīng)，進(jìn)而帶動(dòng)脫扣器執(zhí)行脫扣操作，使得MCCB（塑殼斷路器）斷開。

圖6 某新建平臺(tái)低壓400 V配電盤饋線開關(guān)ESD回路Fig.6 ESD circuit of low-voltage 400 V distribution panel feeder switch on a new platform

這種配置確保了回路的可靠性和安全性。UPS對(duì)失壓線圈供電，并提供穩(wěn)定的電源，ESD通過(guò)控制失壓線圈通斷電實(shí)現(xiàn)脫扣操作，即使發(fā)生異常情況，如電源中斷或其他故障，ESD仍能正常工作并可及時(shí)切斷電流，從而保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.3 ESD回路可靠性分析

上述幾種ESD回路的主要區(qū)別在于使用的線圈類型不同，即分勵(lì)線圈和失壓線圈。分勵(lì)線圈主要用于防止造成更大的事故損失或保護(hù)特定設(shè)施設(shè)置，如在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在消防噴淋啟動(dòng)之前，通過(guò)信號(hào)驅(qū)動(dòng)分勵(lì)線圈動(dòng)作，切斷供電回路，防止二次傷害。失壓線圈主要用于防止供電系統(tǒng)失電后重新通電導(dǎo)致設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)，或其他回路突然通電，進(jìn)而對(duì)人員和設(shè)備造成傷害。分勵(lì)線圈的可靠性較高，通過(guò)在回路中串接一個(gè)斷路器的輔助觸點(diǎn)，可以延長(zhǎng)其使用壽命。對(duì)于低壓電氣設(shè)備，ESD回路的供電電源可以是交流電源或直流電源。中高壓電氣設(shè)備的控制回路通常采用直流電源供電，因?yàn)橹绷麟娫淳哂休^高的可靠性。失壓線圈實(shí)現(xiàn)ESD功能的回路沒(méi)有短路保護(hù)，一旦失壓線圈燒毀，則可能導(dǎo)致短路，進(jìn)而引發(fā)大面積電氣設(shè)備的斷電。

3 結(jié) 語(yǔ)

ESD系統(tǒng)是海洋石油平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)配置，對(duì)平臺(tái)安全生產(chǎn)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)ESD控制回路時(shí)，必須綜合考慮設(shè)備運(yùn)行環(huán)境和安裝情況，以確保與其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。每個(gè)環(huán)節(jié)都必須準(zhǔn)確無(wú)誤、安全可靠，就像“木桶原理”一樣，因而需要考慮連接、操作方式、信號(hào)傳輸和互鎖機(jī)制等因素，并選擇適應(yīng)特殊條件的控制模塊和設(shè)備。關(guān)注ESD控制回路的可靠性和安全性，采用可靠元件，如繼電器、斷路器和觸點(diǎn)，確保系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)緊急情況，可為海洋石油平臺(tái)的安全生產(chǎn)提供有力支持?！?/p>