基于蝴蝶结模型-ALARP...路故障和改进方案可行性分析_梁政伟.pdf

9 7基于蝴蝶结模型-ALARP原则的输配电线路故障和改进方案可行性分析梁政伟1 陆宝军1 张毓桂2（1.中国石油尼日尔公司尼贝管道项目；2.中国石油（巴西）公司）0 引言随着设备电气化程度不断提高，油田生产运行对于电力供应的依赖度也随之提升，一旦电力系统出现故障就会造成油田停产等严重后果，除经济损失外甚至还可能导致生产安全事故的发生1-2。同时，由于生产实际需要，油田中油水井等用电设备分布较为分散并且在不断地新建开展，使得油田电力系统存在“点多线长”的特点，相对复杂多样的结构组成也在很大程度上导致了电力系统故障发生率较高3。因此，对于油田而言，要提升电力系统运行可靠性，就应需要从“事前预防”和“后果削减”两方面开展分析。目前在实践中，对于提升电力系统可靠性，相关单位采取的研究主要是利用改进故障动态树、连锁故障事故链和蒙特卡洛法等方法4-7分析事故发生原因并提出预防措施，而对削减后果影响程度的研究较少。针对上述问题，本文引入蝴蝶结模型分析方法，以中石油某海外油田电力系统作为分析对象，从事件起因和事件后果入手，得到相应的预防措施和削减措施，以期为企业制定改进方案提供参考。1 某海外油田电力系统简介中国石油某海外油田 T 区块位于南美洲亚马逊丛林深处，当地市政电力供应可靠性、可及性差，无法满足油田连续平稳生产需求，因此现场电力供应全部摘要：油田生产高度依赖电力供应，但由于种种内部外部因素，油田内部的电力系统较为脆弱，且一旦发生停电，就会导致油井大面积停产等严重后果。为了提升油田电力系统稳定性并减轻停电后果的严重程度，本文采取蝴蝶结模型对输配电线路故障进行分析，并结合 ALARP 原则对由蝴蝶结模型得出的改进方案进行经济效益分析，最终得出了既能够有效提升输配电线路稳定性又符合企业风险偏好的改进方案。关键词：电力系统故障；蝴蝶结模；ALARP 原则中图分类号：X934 文献标志码：B依赖于自备发电机。T 区块中心电厂现有不同类型的发电机组 18 台；5 条 34.5 kV 架空出线，总长度72 km，其中高压埋地电缆 26 km；共有 600 基各类杆塔，采用全线路架空避雷线防雷。基于储层条件，T 区块原油开采主要以电潜泵为主，因此停电将导致油田大面积停产。20152021 年，T 区块每年都会发生十数次由于电力系统故障导致油田大面积停产事件，对于 T 区块来说，电力系统可靠性较差已成为限制产量提升的主要阻碍。电力系统频繁故障，除了严重威胁生产安全，还会造成多方面经济损失，例如，电流冲击导致电潜泵故障，增加修井成本和产量损失；故障电流对电控系统元器件等设备的冲击导致设备损坏；拔头厂、伴生气处理系统停工导致发电机燃料短缺等。以 2021 年为例，T 区块因电力系统故障共造成经济损失约 4 318 万元。2 输配电线路故障蝴蝶结模型构建针对电力系统频繁故障的问题，本文采用蝴蝶结模型进行了分析。在 T 区块 20152021 年所有电力系统故障中，输配电线路故障占到 60%。因此，本文以输配电线路故障作为主要研究对象。2.1 输配电线路故障原因根据过往事件统计，输配电线路故障原因主要包括以下两方面：研究与探讨9 81）雷击。T 区块位于热带雨林地区，年均降雨量 2 943 mm，每年的雷雨天气天数在 100 天以上，加之输配电线路周围树木林密，线路遭雷击或树木遭雷击压倒线路等事件频发。同时，加剧雷击的威胁还包括：森林砍伐加剧导致输配电线路周边屏蔽减少；雷电活动频繁；输配电线路主要为架空线路；输配电线路高度；线路架设沿线地形；中心电厂负荷分配等。2）电力设备故障。由于历史原因，T 区块输配电线路是由裸露 34.5 kV 高压架空导线所构建，采用全线路架空避雷线防雷，故障率偏高；加之该电力系统投运近 20 年，设备老化严重。同时，加剧电力设备故障的威胁还包括：线路自动重合闸失效；避雷器损坏；变压器故障；场站或发电厂变电站出口断路器故障；绝缘子失效；电厂和高压配电室 34.5 kV 供电母线绝缘故障等。2.2 输配电线路故障后果无论是雷击还是电力设备故障导致的停电，所造成的后果是相同的，大致包括如下 5 方面：1）产量损失。停电后，采出原油处理场站和井口装置会全部关停。图 1 雷击蝴蝶结模型（节选）图 2 电力设备故障蝴蝶结模型（节选）研究与探讨9 92）油水井损坏。电力恢复后瞬时电流冲击可能造成油水井设备（如电潜泵）损坏，导致油水井躺井。3）油水井电气部件损坏。4）拔头厂（自有）分馏过程中断会影响发电燃料（柴油）发热生产过程和产量。5）伴生气处理设施停车会影响天然气发电机的燃料生产过程和产量。2.3 搭建蝴蝶结模型蝴蝶结模型是将事故树分析方法和事件树分析方法合为一体，全面分析某一事件的发生原因和事故后果的建模方法8，其可以将事故的原因、后果以及预防和控制事故的措施有机结合起来，表达非常直观，因此本文采用蝴蝶结模型作为预防和控制事故风险的管理工具，总结事故原因及后果的安全屏障。针对雷击的蝴蝶结模型如图 1 所示，针对电力设备故障的蝴蝶结模型如图 2 所示。2.4 预防与控制措施由图 1、图 2 和相应的事故树，本文归纳提出了17 项预防和控制措施，同时根据 AACE（American Association of Cost Engineers美国造价工程师协会）制定的成本估算分级标准9，采用“五级估算”（即工程实际完成率为 0 2%），得出 17 项改进措施相应成本，如表 1 所示。根据所需经济投入，本文将 17 项措施划分为 4 类。1）第 1 个措施共包含 19 个分支工作，全部依靠公司自有人力和资源即可实施，因此成本认定为“0”。鉴于其不需要额外投入，建议优先执行该项措施。该措施主要聚焦于减轻事故后果。序号事故后果实施方案后的经济损失（万元）后果严重程度可能性风险风险等级1产量损失441.01263非常可能260I2躺井以及相应的产量损失1931.73474非常可能650I3注水井电路系统损坏3152非常可能130II4拔头厂停工导致发电系统柴油短缺2662非常可能130II5伴生气系统停工导致发电系统燃气短缺2662非常可能130II3219.7473序号事故后果实施方案后的经济损失（万元）后果严重程度可能性风险风险等级1产量损失260.59882很可能130II2躺井以及相应的产量损失698.21713很可能150II3注水井电路系统损坏2102很可能130II4拔头厂停工导致发电系统柴油短缺166.252很可能130II5伴生气系统停工导致发电系统燃气短缺166.252很可能130II1501.3159序号事故后果实施方案后的经济损失（万元）后果严重程度可能性风险风险等级1产量损失136.50422可能50III2躺井以及相应的产量损失482.93353可能100III3注水井电路系统损坏1262可能50III4拔头厂停工导致发电系统柴油短缺94.99982可能50III5伴生气系统停工导致发电系统燃气短缺94.99982可能50III935.4373序号措施具体内容所需资金（万元）1利用现有资源即可实施02在发电厂安装本地服务器10.53使用电力系统仿真软件17.54核实变压器保护设置17.55改进自动重合闸电池系统216提升电厂通信系统和SCADA系统（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制系统）后备电源稳定性33.67核实电力系统设置与周边地形布局相适配358评估将所在地市政电力作为备用电源可行性429开展中心电厂屏显升级4210评估变压器熔断式保险是否能够快速反应5611加强配电室防水防潮10512考虑地面控制装置（或速度控制器）724 h值守可能性88.213增加新设备以消除由外界因素引起的晃电262.514在未配备自动重合闸的变压器周围增加区域自动重合闸262.515在电力系统中增加自动反馈系统91016分析变频电机对于系统稳定性的影响175017用绝缘电线或埋地电缆置换现有裸露架空线路3150表1 17项预防控制措施表2 方案一经济损失及风险等级表3 方案二经济损失及风险等级表4 方案三经济损失及风险等级研究与探讨1 0 0后果严重性发生可能性风险评分 风险等级当前风险4 非常可能650I剩余风险3 很可能150II事故损失1501.3159与实施方案前经济损失差值2816.6033初始后果经济损失4317.9192经济损失减少百分比65%投入总额（CAPEX）994年度资本性支出总额248.5投入总额（OPEX）338.8年度运营性支出总额338.8年度投资总额587.3ICBR7.4剩余风险150方案二：投资共需要1332.8万元（75%运营性支出,25%资本性支出）方案实施后经济效益分析实施方案所需经济投入小结：在方案二中，每投资1元，就可以预防或减少65%风险所造成的经济损失;剩余风险降低至II级(150)，ICBR为7.4(大于1)，这表明它是平衡的、可行的和有益的。表5 方案一可行性分析表6 方案二可行性分析2）第 2 10 个措施的投资均低于 70 万元，投资总额 275.1 万元，只涉及运营成本，建议与第 1 个措施同步开展。与措施 1 类似，这些措施主要作用于减轻事故后果。3）第 11 14 项措施预计需要 70 万至 700 万元的投资，投资总额为 756 万元。鉴于其投资额较大，企业有必要对这些措施进行更加细致的分析和投资优化。这些措施除有助于减轻事故后果外，同样可以降低事故发生可能性。4）第 15 17 项措施均需要超过 700 万元的投资，后果严重性发生可能性风险评分 风险等级当前风险4 非常可能650I剩余风险3 可能100III事故损失935.438与实施方案前经济损失差值3382.4812初始后果经济损失4317.9192经济损失减少百分比78%投入总额（CAPEX）5810年度资本性支出总额1452.5投入总额（OPEX）954.1年度运营性支出总额954.1年度投资总额2406.6ICBR1.8剩余风险100方案三：投资共需要6764.1万元（86%资本性支出，14%运营性支出）方案实施后经济效益分析实施方案所需经济投入小结：在方案三中，每投资1元，就可以预防或减少78%风险所造成的经济损失;剩余风险降低至III级(100)，ICBR为1.8(大于1)，这表明它是可行的。投资总额为 5 810 万元，占 17 项建议投资总额的 85%。鉴于这 3 项措施所需投资巨大，对于企业而言，必须尽可能加以优化。这些措施的实施应根据本研究的结果，循序渐进地推进，并采取投资最少优先策略。第 15 17 项措施主要侧重于减少事件发生的可能性。3 基于ALARP原则分析应用 ALARP（As Low As Reasonably Practicable，最低合理可行）原则的主要作用是验证根据蝴蝶结模型分析得出的风险预防和控制措施是合理适用的，并且在企业可接受的成本效益平衡范围内。3.1 方案制订为了评比不同风险消减方案的优劣，本研究结合风险评估结果和投资优化的出发点，从 17 个预防和控制措施中组合形成了以下 3 个管理方案：1）方案一：该方案侧重于以尽可能少的投资减少事故后果的影响程度。该方案排除了超过 70 万元的投资，并对最需要的投资进行优化以尽可能限制投资。该方案排除了 17 个建议中的 8个（7，8，12 17），并将第 11 项措施所需投资优化一半至 52.5 万元，该方案的投资总额预计为 250.6 万元。2）方案二：该方案的重点是降低事故后果的影响程度，以及紧急停车的概率，具有比方案一更宽容的投资控制标准。在该方案中，投资超过 700 万元被排除（7，8，13，14，16）。除已纳入方案一中的措施外，该方案还加入了有助于降低事故发生概率的措施，并努力优化投资（措施 11 优化50%，15 优化 60%，17 优化 80%）。该方案的投资总额预计为 1 332.8 万元。3）方案三：该方案基本未考虑投资优化的问题