Почему на нефтегазовых платформах требуются взрывозащищенные ИБП

СОВЕТЫ: Морские нефтегазовые платформы эксплуатируются в опасных условиях, где взрывоопасная среда представляет постоянную угрозу. Промышленный источник бесперебойного питания должен иметь сертификаты ATEX и IECEx для зон 1 и 2, чтобы обеспечить безопасность. Эти взрывозащищенные системы ИБП защищают критически важное оборудование, такое как системы аварийного отключения и системы пожарной сигнализации, во время сбоев в электроснабжении. Понимание классификации взрывоопасных зон помогает руководителям объектов выбирать подходящие системы бесперебойного питания, соответствующие строгим нормам нефтегазовой отрасли.

Ⅰ. Введение

Нефтегазовые платформы эксплуатируются в одних из самых суровых условий в мире. Удаленное расположение в открытом море, агрессивный соленый воздух, экстремальные температуры и постоянная вибрация подвергают испытаниям каждое устройство. Что особенно важно, на этих объектах обрабатываются горючие газы и пары, создающие риск взрыва.

Промышленный источник бесперебойного питания в таких местах должен не только обеспечивать резервное питание. Он должен безопасно работать в опасных средах, не становясь источником возгорания. Стандарт ИБП Системы не могут удовлетворить этим требованиям. Необходимо использовать взрывозащищенные ИБП, имеющие сертификаты ATEX и IECEx.

В данной статье рассматривается, почему источники бесперебойного питания (ИБП) для нефтегазовой отрасли требуют специальной взрывозащиты. Мы анализируем классификацию взрывоопасных зон, стандарты сертификации и критически важные области применения. Понимание этих требований обеспечивает безопасную и соответствующую нормам защиту электропитания морских платформ, нефтеперерабатывающих заводов и буровых операций.

Рисунок 1: Критические требования к нагрузке ИБП и продолжительности автономной работы в различных сферах применения в нефтегазовой отрасли. Производственные платформы нуждаются в круглосуточном резервном питании для систем безопасности.

Ⅱ. Классификация взрывоопасных зон

1. Понимание зон ATEX

Директива ATEX 2014/34/ЕС определяет требования к оборудованию, предназначенному для использования во взрывоопасных средах. В соответствии с этой директивой опасные участки подразделяются на зоны в зависимости от вероятности возникновения взрыва.

Зона 0 обозначает зоны, в которых взрывоопасные газовые смеси присутствуют постоянно или в течение длительного времени. К ним относятся внутренние пространства технологических емкостей и резервуаров для хранения. Здесь разрешено использовать только искробезопасное оборудование (Ex ia).

Зона 1 охватывает зоны, в которых при нормальной эксплуатации возможно образование взрывоопасных смесей. К этой категории относятся зоны вокруг технологического оборудования, точки отбора проб и зоны технического обслуживания. Системы бесперебойного питания (ИБП) для зоны 1 должны иметь взрывозащиту типа «воспламеняемое» (Ex d) или «повышенной безопасности» (Ex e).

Зона 2 включает зоны, в которых при нормальной эксплуатации возникновение взрывоопасных смесей маловероятно, а в случае их появления они существуют лишь кратковременно. Эти зоны окружают участки зоны 1 и включают вентиляционные выходы. Здесь могут эксплуатироваться источники бесперебойного питания (ИБП) с типом защиты Ex n или Ex p.

Большинство промышленных источников бесперебойного питания для нефтегазовой отрасли относится к категориям «Зона 1» или «Зона 2». Класс «Зона 1» обеспечивает более высокий уровень защиты и более широкие возможности применения.

2. Глобальная сертификация IECEx

В то время как ATEX распространяется на европейские рынки, IECEx обеспечивает международное признание. Система сертификации оборудования IECEx действует в соответствии со стандартами МЭК (серия IEC 60079). Сертификат, выданный в одной стране-участнице, признается в других странах.

IECEx использует ту же классификацию зон, что и ATEX, но дополняет её уровнями защиты оборудования (EPL). Они определяют надёжность оборудования:

• EPL Ga: Подходит для зоны 0 (очень высокий уровень защиты)
• EPL Gb: Подходит для зоны 1 (высокий уровень защиты)
• EPL Gc: Подходит для зоны 2 (общий уровень защиты)

Для источников бесперебойного питания (ИБП), используемых в нефтегазовой отрасли, обычно требуется соответствие стандарту EPL Gb. Это гарантирует, что оборудование не вызовет возгорания взрывоопасной среды даже в случае неисправности.

3. Группы газов и температурные классы

Средства взрывозащиты должны соответствовать конкретным газам, присутствующим в среде. В стандартах определены группы газов:

• Группа IIA: Пропан и аналогичные газы (наименее опасные)
• Группа IIB: Этилен и аналогичные газы
• Группа IIC: Водород и ацетилен (наиболее опасные)

В большинстве процессов переработки углеводородов применяются сертификаты группы IIB или IIB+H2. При наличии водорода требуется сертификат группы IIC.

Классы температур указывают максимальные температуры поверхности:

• T1: Максимум 450 °C
• T2: Максимум 300 °C
• T3: Максимум 200 °C
• T4: Максимум 135 °C
• T5: Максимум 100 °C
• T6: Максимум 85 °C

Оборудование ИБП, как правило, должно соответствовать классу T3 или T4 для нефтегазовой отрасли. Класс T6 требуется редко, но обеспечивает дополнительный запас безопасности при работе с газами с низкой температурой воспламенения.

Рисунок 2: Зоны опасных сред ATEX/IECEx и требования к сертификации промышленных систем бесперебойного питания на нефтегазовых объектах.

Ⅲ. Технические требования к взрывозащищенным источникам бесперебойного питания

1. Методы защиты (Ex d, Ex e, Ex p)

Различные методы взрывозащиты подходят для разных областей применения. Понимание этих методов помогает правильно подобрать системы ИБП.

Взрывозащищенный корпус (Ex d): Корпус ИБП предотвращает выход внутреннего взрыва наружу. Толстые стенки и герметичные соединения препятствуют распространению пламени в окружающую среду. Это наиболее распространённый вид защиты для ИБП, предназначенных для зоны 1. Оборудование работает на номинальной мощности с полной безопасностью.

Повышенная безопасность (Ex e): Усовершенствованные конструктивные особенности предотвращают возникновение дуг, искр и перегрева в процессе нормальной эксплуатации. ИБП типа «Ex e» также должны иметь сертификацию на работу в нештатных режимах. Данный метод подходит для систем с низкой мощностью и на границах зон 1 и 2.

Герметизация (Ex p): Чистый воздух или инертный газ поддерживают избыточное давление внутри корпуса ИБП. Поступление газа снаружи предотвращается за счет воздушного потока, направленного наружу. Это позволяет использовать стандартные ИБП внутри корпуса, однако требует применения сложных вспомогательных систем. Исполнение Ex p подходит для устройств большой мощности, где применение взрывозащищенной конструкции становится нецелесообразным.

В сфере промышленных источников бесперебойного питания для нефтегазовой отрасли на рынке доминирует исполнение Ex d (взрывозащищенное). Оно обеспечивает надежную защиту без необходимости использования внешних вспомогательных систем.

2. Устойчивость к воздействию окружающей среды

Морские платформы сопряжены с экологическими проблемами, выходящими за рамки рисков взрыва. Системы бесперебойного питания (UPS) требуют учета особых конструктивных особенностей.

Коррозионная стойкость: Солевой воздух вызывает коррозию стандартных электронных компонентов. Взрывозащищенные ИБП оснащены корпусами из нержавеющей стали (марки 316) или алюминия с покрытием морского класса. Внутренние компоненты защищены конформным покрытием.

Диапазон температур: На морских платформах температура окружающей среды колеблется от -40 °C до +55 °C. Для работы в арктических условиях требуются нагревательные элементы. В пустынных районах необходимо усиленное охлаждение. ИБП должен сохранять полную работоспособность в этих экстремальных условиях.

Устойчивость к вибрациям: Буровые работы сопровождаются постоянной вибрацией. Системы бесперебойного питания (ИБП) должны соответствовать требованиям стандарта IEC 60068-2-6 в отношении вибрации. Амортизирующие опоры и усиленная внутренняя конструкция предотвращают повреждения.

Защита от влажности: Модель 100% широко используется в морских условиях. Герметичные корпуса предотвращают попадание влаги. Вентиляционные клапаны с осушителем и герметичные прокладки обеспечивают сухую среду внутри устройства.

3. Рекомендации по эксплуатации аккумулятора

Аккумуляторы создают особые проблемы в зонах, представляющих опасность. Свинцово-кислотные аккумуляторы во время зарядки выделяют водород — взрывоопасный газ. Обязательно необходимо соблюдать специальные меры предосторожности.

Разделение батарейного отсека: Аккумуляторы, как правило, устанавливаются в отдельных корпусах класса Ex e, отдельно от электронных компонентов ИБП. Это позволяет изолировать источники водорода от потенциальных источников возгорания. Системы вентиляции обеспечивают удаление скопившегося газа.

Типы аккумуляторов: Герметичные свинцово-кислотные (VRLA) аккумуляторы обеспечивают меньший выброс газов по сравнению с аккумуляторами открытого типа. Никель-кадмиевые аккумуляторы отличаются лучшей термостойкостью, но стоят дороже. Литий-ионные системы только начинают набирать популярность, однако требуют тщательной сертификации систем терморегулирования.

Температурная компенсация: Зарядка аккумулятора должна учитывать температуру окружающей среды. В условиях высокой температуры чрезмерная зарядка сокращает срок службы аккумулятора. В условиях низкой температуры необходимо снизить скорость зарядки. Контроллер ИБП должен обеспечивать автоматическую компенсацию.

Ⅳ. Ключевые области применения в нефтегазовой отрасли

1. Системы аварийного отключения (ESD)

Системы аварийного отключения представляют собой наиболее важную нагрузку для ИБП. Системы ESD обнаруживают опасные условия и инициируют отключение платформы. Отключение питания может помешать принятию мер реагирования в критические моменты.

Системы защиты от электростатического разряда (ESD) включают:

• Запорные клапаны технологической линии
• Системы изоляции устья скважины
• Системы управления противовыбросовым превентором (BOP)
• Системы обнаружения пожара и газа
• Системы оповещения и сигнализации

Эти системы требуют резервного питания от ИБП продолжительностью от 30 минут до 24 часов в зависимости от типа платформы. Буровым установкам требуется меньшая продолжительность резервного питания — основной мерой реагирования является экстренная эвакуация. Производственным платформам требуется более длительное резервное питание для обеспечения выполнения последовательностей контролируемого отключения.

Требования к сертификации IESD являются строгими. ИБП должен соответствовать требованиям уровня целостности безопасности (SIL) при питании функций, связанных с системами безопасности. Отдельные точки отказа не должны ухудшать возможности реагирования на аварийные ситуации.

2. Обнаружение пожара и утечки газа

Системы обнаружения пожара и газа обеспечивают защиту персонала и имущества. Эти системы непрерывного мониторинга не допускают перебоев в электроснабжении.

Устройства обнаружения: Дымовые датчики, тепловые датчики и датчики горючих газов нуждаются в постоянном электропитании. Блоки обработки сигналов анализируют данные с датчиков и запускают сигнализацию. Резервное питание от ИБП обеспечивает непрерывность работы систем обнаружения при сбоях в электроснабжении.

Системы сигнализации: Звуковые сигнализаторы, световые маяки и системы оповещения предупреждают персонал об опасности. Эти системы должны работать в чрезвычайных ситуациях, когда может произойти отключение обычного электропитания.

Системы ИБП для защиты от пожара и утечки газа, как правило, должны обеспечивать круглосуточное резервное питание. Это гарантирует, что ночные перебои в электроснабжении не поставят под угрозу безопасность. Кроме того, эти системы должны выдерживать экстремальные ситуации, такие как взрывы или пожары, которые могут повредить системы обычного распределения электроэнергии.

3. Управление технологическими процессами и контрольно-измерительные приборы

Современные нефтегазовые платформы в значительной степени полагаются на автоматизированные системы управления. Распределенные системы управления (DCS) обеспечивают управление производственными процессами. Потеря управления приводит к перебоям в производстве и создает угрозу безопасности.

Компоненты системы управления: Контроллеры, модули ввода-вывода, сетевые коммутаторы и рабочие станции нуждаются в питании от ИБП. Хотя эти системы не имеют такого критического значения для безопасности, как защита от электростатического разряда (ESD), они обеспечивают стабильную работу оборудования.

Инструментарий: Расходомеры, датчики давления, датчики уровня и анализаторы обеспечивают сбор данных о технологическом процессе. Бесперебойное электропитание гарантирует точность мониторинга и управления.

ИБП для управления технологическими процессами обычно обеспечивают время автономной работы от 30 минут до 2 часов. Это позволяет организованно завершить производственные процессы. Более длительное время автономной работы требуется крайне редко, поскольку контролируемое отключение завершается в пределах указанного периода.

4. Навигация и связь

Морские платформы нуждаются в средствах навигации для обеспечения безопасности морского судоходства. Освещение вертолетной площадки обеспечивает проведение экстренной медицинской эвакуации. Системы связи поддерживают связь с береговыми операционными центрами и службами экстренной помощи.

Навигационные средства: Радиомаяки, туманные сирены и системы освещения обозначают расположение платформ. Эти системы должны работать непрерывно, особенно во время штормов, когда возможны перебои с электроснабжением.

Освещение вертолетной площадки: Освещение зоны посадки, периметра и препятствий служит ориентиром для вертолетов. Резервное питание от системы UPS гарантирует возможность проведения медицинской эвакуации даже при сбоях в электроснабжении.

Радиосвязь и спутниковая связь: Радиостанции диапазона VHF обеспечивают связь в чрезвычайных ситуациях. Спутниковые каналы связи обеспечивают передачу оперативных данных. Системы бесперебойного питания (UPS) гарантируют работоспособность этих систем в кризисных ситуациях.

ИБП для систем навигации и связи обычно обеспечивает резервное питание на 4–8 часов. Этого времени достаточно для покрытия типичной продолжительности отключений электроэнергии при одновременном сохранении аварийных функций.

Ⅴ. Сертификация и соответствие стандартам

1. Директива ATEX 2014/34/ЕС

Европейские нефтегазовые объекты должны соответствовать требованиям ATEX. Данная директива регулирует как проектирование оборудования, так и безопасность на рабочем месте.

Оборудование должно иметь маркировку CE с обозначением Ex:

• Символы CE и Ex на этикетке оборудования
• Номер категории (1 — для зоны 0, 2 — для зоны 1, 3 — для зоны 2)
• G — газ (D — пыль)
• Уровень защиты (Ga, Gb или Gc)
• Номер сертификата, выданного уполномоченным органом

Для оборудования категорий 1 и 2 требуется уведомление об обеспечении качества (QAN). Производители обязаны поддерживать сертифицированные системы управления качеством. Производство осуществляется в соответствии со строгими протоколами качества и проходит независимые аудиты.

К каждой системе ИБП должна прилагаться документация с декларацией о соответствии. Данный документ подтверждает, что оборудование соответствует всем основным требованиям в области охраны здоровья и безопасности.

2. Требования схемы IECEx

IECEx обеспечивает признание сертификатов во всем мире. Эта система включает:

Оборудование, сертифицированное по стандарту IECEx: Испытания, проводимые органами по сертификации IECEx (ExCB) в странах-членах. Сертификаты признаются на международном уровне, что позволяет избежать дублирования испытаний.

Отчет об оценке качества IECEx (QAR): Подтверждает, что системы качества производителя соответствуют требованиям IECEx. Аудиты QAR позволяют проверять постоянное соблюдение этих требований.

Протоколы испытаний IECEx (ExTR): Подробная документация по испытаниям, подтверждающая сертификацию. Эти отчеты содержат технические доказательства соответствия требованиям.

Для производителей систем бесперебойного питания (UPS) сертификация IECEx открывает доступ к мировым рынкам. Один-единственный процесс сертификации позволяет удовлетворить требования, действующие в Австралии, Сингапуре, ОАЭ и многих других нефтегазодобывающих регионах.

3. Региональные стандарты

В различных регионах действуют дополнительные требования, выходящие за рамки стандартов ATEX/IECEx:

Соединенные Штаты (UL/NEC): Классификации класса I, подразделов 1 и 2 соответствуют зонам 0/1 и 2. Применяются стандарты UL 1203 и UL 1012. Классификация зон осуществляется в соответствии со статьёй 500 Национального электротехнического кодекса (NEC).

Канада (CSA): Аналогично требованиям США в отношении сертификации CSA. Установка регулируется Частью I Канадского электротехнического кодекса.

Бразилия (INMETRO): Требуется национальная сертификация в дополнение к сертификации IECEx. Требования установлены в Портарии № 179/2010.

Россия (ГОСТ-Р и ТР ТС): Действуют технические регламенты Таможенного союза. Маркировка EAC является обязательной.

Ближний Восток (SASO, ГОСТ): Саудовская Аравия, ОАЭ и другие страны Персидского залива признают сертификацию IECEx, однако могут требовать прохождения дополнительной местной сертификации.

Для успешного внедрения ИБП необходимо понимать все применимые стандарты. Стратегии получения нескольких сертификатов позволяют удовлетворить разнообразные требования рынка.

Рисунок 3: Сравнение методов взрывозащиты и требований к среднему времени наработки на отказ (MTBF) для критически важных нефтегазовых систем бесперебойного питания (ИБП). Взрывозащита типа «Ex d» обеспечивает наивысшую степень пригодности для зоны 1.

Ⅵ. Вопросы проектирования системы

1. Стратегии обеспечения резервирования

В критически важных нефтегазовых системах недопустим сбой ИБП. Стратегии резервирования обеспечивают непрерывную защиту.

Избыточность N+1: Один резервный ИБП обеспечивает питание нескольких критически важных нагрузок. В случае выхода из строя одного устройства нагрузку принимает на себя резервный ИБП. Это позволяет обеспечить оптимальный баланс между стоимостью и надежностью.

2N-резервирование: Полное дублирование систем ИБП. Каждая критически важная нагрузка имеет два независимых источника питания. Автоматические переключатели выбирают активный источник питания.

Параллельная избыточность: Несколько блоков ИБП работают параллельно, распределяя нагрузку между собой. В случае выхода из строя одного из них остальные блоки без перебоев принимают на себя нагрузку.

Для систем защиты от электростатического разряда (ESD) и систем обнаружения пожара и газа часто требуется резервирование по схеме 2N. В системах управления технологическими процессами может применяться схема N+1. В навигационных системах, как правило, допускается использование одного ИБП с аккумуляторным резервированием.

2. Продолжительность работы от резервного аккумулятора

Емкость аккумулятора определяет продолжительность автономной работы. Требования зависят от области применения и типа платформы.

Коэффициенты расчета:

• Мощность нагрузки (кВт)
• Обязательно время резервного копирования (часов)
• Напряжение в конце разряда
• Коэффициент старения аккумулятора (обычно 0,8)
• Коэффициент понижения номинальных параметров при повышении температуры

Аккумуляторные помещения должны быть оборудованы системой вентиляции и контроля температуры. Системы обнаружения водорода отслеживают накопление газа. Доступ для технического обслуживания должен обеспечивать безопасную замену аккумуляторов без необходимости входа в зоны повышенной опасности.

3. Мониторинг и удаленное управление

Современные системы ИБП обладают широкими возможностями мониторинга. Дистанционное управление имеет решающее значение для беспилотных платформ.

Критические параметры:

• Входное/выходное напряжение и ток
• Напряжение аккумулятора и степень заряда
• Показания температуры (окружающей и внутренней)
• Состояние вентилятора и работа системы охлаждения
• Условия срабатывания сигнализации и коды неисправностей

Протоколы Modbus, OPC-DA или OPC-UA обеспечивают взаимодействие с системами управления платформой. Интеграция с системой SCADA позволяет осуществлять централизованный мониторинг. Дистанционная диагностика сокращает количество выездов технического персонала в зоны повышенной опасности.

Ⅶ. Заключение

Нефтегазовые платформы требуют применения специализированных промышленных систем бесперебойного питания. В связи с взрывоопасностью необходимо использовать оборудование, сертифицированное по стандартам ATEX и IECEx и предназначенное для зон 1 и 2. Стандартные системы бесперебойного питания не способны обеспечить соблюдение этих строгих требований безопасности.

Критическая важность систем ESD, систем пожарной сигнализации и систем управления технологическими процессами обусловливает надежный ИБП крайне важно. Перебои в электроснабжении в чрезвычайных ситуациях могут привести к выходу из строя систем безопасности именно тогда, когда они нужны больше всего. Взрывозащищенный ИБП обеспечивает защиту как от потери питания, так и от риска возгорания.

Для успешного внедрения необходимо понимать классификацию взрывоопасных зон, методы защиты и требования к применению. Взрывозащищенная конструкция типа «Ex d» занимает доминирующее положение на рынке благодаря надежной защите и относительной простоте. Аккумуляторные системы требуют особого внимания в связи с образованием водорода во время зарядки.

По мере того как нефтегазовые операции переходят в более суровые условия — более глубокие воды, арктические регионы, более высокие температуры — требования к системам бесперебойного питания будут расти. Стандарты сертификации будут развиваться с учетом новых вызовов. Только специализированные взрывозащищенные системы бесперебойного питания способны удовлетворить эти растущие требования.

Ссылки

1. Международная электротехническая комиссия (МЭК) Официальный веб-сайт: www.iec.ch
2. Underwriters Laboratories (UL) Официальный веб-сайт: www.ul.com
3. Европейский комитет по стандартизации (CEN) Официальный веб-сайт: www.cen.eu
4. Управление по стандартизации Китая (SAC) Официальный веб-сайт: www.sac.gov.cn
5. Альянс технологий энергохранилищной промышленности Чжунгуаньцунь (CNESA) Официальный веб-сайт: www.cnESA.org
6. Международная организация по стандартизации (ISO) Официальный веб-сайт: www.iso.org