張琳 王振輝

(1.中海油深圳分公司恩平油田作業(yè)區(qū);2.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司深圳分公司 廣東深圳 518000)

恩平油田群自控系統(tǒng)建設項目以實現(xiàn)海上生產(chǎn)設施在人員撤臺后（設施處于無人狀態(tài)）到臺風關停前這段時間內(nèi)，通過遠程監(jiān)控實現(xiàn)正常、安全生產(chǎn)為主要目標。通過對現(xiàn)有設施進行適當改造，以達到在陸地實現(xiàn)對各類海上生產(chǎn)設施（平臺、FPSO）的遠程監(jiān)控，實現(xiàn)實時監(jiān)控、遠程操作和安全關斷[1]。項目改造過程中，按設計要求，需對大量的MCC低壓抽屜的手動開關進行替換，改造成電動操作機構(gòu)。由于受制于老舊盤柜空間尺寸、拆除抽屜柜手操機構(gòu)后，無法保證分合閘操作和MCC抽屜位置信號（抽出、實驗、連接）安全互鎖問題，易產(chǎn)生一次拉弧現(xiàn)象，不符合相關安全規(guī)范。

1 方案設計

1.1 低壓抽屜柜介紹

低壓抽屜柜的一次進線是通過一次插件同外部連接的，電流進來后經(jīng)過一次線到達塑殼斷路器，塑殼斷路器通過導線到達接觸器，接觸器出來后經(jīng)過CT到達輸出插件同外部連接。二次控制回路用于控制接觸器的斷開與吸合，ESD 回路用于緊急情況下的斷路器脫扣。

低壓抽屜柜的一次回路、二次回路均通過插針的方式與外部線路相連，抽屜柜有連接/實驗/抽出三種位置模式。在連接位置狀態(tài)下抽屜柜一次插針、二次插針均與外部回路緊密相連；實驗位置狀態(tài)下一次插針與外部回路脫離，二次插針與外部回路連接，可對抽屜柜進行二次控制的測試實驗；抽出位置狀態(tài)下一次插針、二次插針均與外部回路斷開，此時抽屜柜不帶電，可對其進行檢維修操作[2]。

抽屜前面板的手動操作機構(gòu)，既起到抽屜柜搖進搖出的功能，也起到抽屜柜內(nèi)塑殼斷路器分合閘功能，且兩種功能機械互鎖，通過抽屜柜進入整體框架的行程位置，避免抽屜柜在合閘狀態(tài)一次插針的虛接和拉弧現(xiàn)象[3]。設備情況如圖1所示。

圖1 低壓配電抽屜柜形式

1.2 改造方案分析

基于《低壓成套開關設備以及控制設備組件（IEC 61439.2-2011）》標準8.5.2.102 章節(jié)要求：在抽屜柜抽出前必須先分斷主回路。由于抽屜柜設計采用機械連鎖裝置，在抽屜柜在連接位置時，斷路器才具備手動操作的條件，該次改造拆除手動操作機構(gòu)之后，連鎖丟失，無法滿足標準安全要求[4]。

而該次改造配電系統(tǒng)改造的主體設計功能：即斷路器增加電動操作機構(gòu)，斷路器在增加電動操作機構(gòu)后，必然就沒有了機械操作機構(gòu)，原操作機械手桿位置被電操機構(gòu)覆蓋。為解決此問題，對各種類型抽屜柜操作機構(gòu)進行了重新三維設計，增加輔助觸點，將原機械連鎖改為電氣連鎖，滿足標準要求。

1.3 電動操作機構(gòu)的選擇

目前，海上低壓抽屜柜主流的塑殼斷路器包括西門子、ABB、施耐德、AGE 品牌的各系列塑殼斷路器。各廠家也針對各系列的塑殼斷路器開發(fā)了相應的電動操作機構(gòu)[5]。電動操作機構(gòu)是用于遠距離自動分合閘斷路器的一種附件，分電動機操作機構(gòu)、電磁鐵操作機構(gòu)兩種，分別適用于400 A及以上和225 A及以下斷路器，且吸合及轉(zhuǎn)動方向一致，保證斷路器可靠閉合。電動操作機構(gòu)的選擇可根據(jù)原塑殼斷路器的品牌型號進行適配。

1.4 復合安全聯(lián)鎖機構(gòu)的設計

海上平臺常用的MNS低壓抽屜柜，柜內(nèi)斷路器合閘手動開關和抽屜搖進搖出把手集成在一個旋鈕上，安裝電動操作機構(gòu)后務必需要廢除原操作手柄，設計一個新的操作連鎖機構(gòu)，即可滿足抽屜柜的正常搖進搖出，還能夠滿足抽屜柜位置與斷路器狀態(tài)的連鎖。

抽屜柜操作機構(gòu)如圖2所示。

圖2 抽屜柜手動操作機構(gòu)樣式

1.4.1 原操作機構(gòu)的3D測繪

操作機構(gòu)控制抽屜柜的插入行程，行程過長會導致插入之后無法鎖緊，行程過短會導致一次插針送電時產(chǎn)生發(fā)電拉弧，設計上抽屜柜操作機構(gòu)的行程誤差必須保證在±2 mm 以內(nèi)?？紤]到新開發(fā)安全連鎖機構(gòu)對原設備行程的嚴苛要求，研發(fā)小組采用業(yè)界先進的逆向工程——3D 掃描技術對原操作機構(gòu)行程機構(gòu)進行3D 掃描建模，用以確保設計裝置的可用性與安全性。

3D掃描儀通過三維激光反射技術，將激光線照射到操作行程機構(gòu)上，由于物體表面的曲率不同，光線照射到物體上會發(fā)生反射和折射，然后這些信息會被多個相機捕捉傳輸?shù)慕馕鲕浖?gòu)建成3D 圖像。通過光線繞著機構(gòu)不斷移動，3D軟件通過多角度分析來立體構(gòu)建準確的三維模型。目前主流的3D 掃描儀已經(jīng)可以達到0.1 mm 的分辨率，通過240 000 次/s 的掃描速度，10 s之內(nèi)即可構(gòu)建物體模型。

1.4.2 復合安全聯(lián)鎖機構(gòu)的3D制作

在保持操作機構(gòu)行程不變的情況下，該次設計研發(fā)通過對抽屜在不同行程位置的行程狀態(tài)增加機械觸點，指示抽屜柜行程狀態(tài)。同時觸點引出電氣干觸點用于連鎖電氣回路。以下是復合安全連鎖機構(gòu)的3D設計圖紙，具體如圖3、圖4所示。

圖3 I型推進機構(gòu)3D建模視圖

圖4 Ⅱ型推進機構(gòu)3D建模視圖

機構(gòu)設計的原則主要有以下幾點：（1）推進行程機構(gòu)尺寸與原機構(gòu)保持一致；（2）機械指示抽屜柜的行程狀態(tài)：連接/試驗/分離；（3）所有行程狀態(tài)均有相應的電氣觸點；（4）結(jié)構(gòu)可靠耐用。

該次項目的設備制造穩(wěn)定性和實效性，使用基于3D設計圖紙采用工業(yè)級3D金屬打印技術對零部件進行加工[6]。該技術又稱為金屬激光造型復合加工，通過高功率激光照射金屬粉末，使零部件融化凝固，激光照射的沉積造型后，進行高速切屑加工，最終部件成型。應用此技術大大縮短了部件加工周期，且一次成型完整度好，適應了項目的時限要求。

1.5 抽屜柜電氣連鎖回路設計

根據(jù)前期設計規(guī)劃電動操作機構(gòu)替代手動操作機構(gòu)之后，依然保留原有連鎖功能，將機械連鎖改為電氣連鎖：（1）推進機構(gòu)的連接位置信號，常閉干觸點接入電動操作機構(gòu)合閘回路，在抽屜沒有到達連接位置時禁止合閘；（2）推進機構(gòu)連接位置信號，常開觸點接入斷路器脫扣線圈，抽屜離開連接位置立即跳閘；（3）推進機構(gòu)實驗位置接入實驗回路，在實驗位置可對斷路器進行測試；改造設計電氣連鎖圖紙具體見圖5。

圖5 電動操作低壓抽屜的電氣連鎖圖紙

1.6 抽屜柜遠程控制改造現(xiàn)場實施

現(xiàn)場改造拆除原操作機構(gòu)、安裝復合安全聯(lián)鎖機構(gòu)、塑殼斷路器安裝電動操作機構(gòu)、增加電操機構(gòu)控制回路、增加電操機構(gòu)供電回路、電氣連鎖改造，改造完成之后使用效果良好，達到預定設計目標，其具體情況見圖6、圖7。

圖6 現(xiàn)場改造電氣接線

圖7 抽屜裝配前照片

2 總結(jié)

該文基于恩平油田群自控系統(tǒng)建設項目電控改造工程，通過對恩平油田群各種品牌類型的低壓配電柜的遠程控制改造應用結(jié)果可知，目前低壓配電系統(tǒng)的遠程控制改造可行性高。利用對低壓配電系統(tǒng)的遠程控制改造可以有效支撐海油無人化技術的發(fā)展，同時后續(xù)對電氣設備新增智能化監(jiān)測設備也可以更好地確保遠程控制的安全性和設備的遠程透明化管理，是后續(xù)的配電系統(tǒng)改造的發(fā)展方向。

3 展望

中海油有限公司的智能油氣田建設工作是推動油氣田生產(chǎn)運營從傳統(tǒng)模式向智能化轉(zhuǎn)型的重要舉措，對于有限公司應對“低油價”挑戰(zhàn)，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

該次項目利用逆向工程思維，采用3D掃描、3D打印技術對現(xiàn)場改造關鍵零部件進行設計開發(fā)，是電氣無人化改造項目中一次有效嘗試。

隨著電氣智能化技術的發(fā)展，后續(xù)會有更多的新技術投用，如何在新技術投用時保證原有設備的安全穩(wěn)定性，是后續(xù)項目執(zhí)行的重點關注點。逆向工程思維可作為工業(yè)場景下電氣改造的一種新思路，對其他項目也有一定的借鑒意義。