1、引言
海洋平臺(tái)由于其環(huán)境的特殊性，對(duì)設(shè)備要求特別苛刻，因此在高壓變頻器的選用上非常謹(jǐn)慎，一直是國(guó)外產(chǎn)品的天下。2004年8月22日， HIVERT-Y06/077高壓變頻器在勝利油田海洋石油開(kāi)發(fā)公司埕島中心1號(hào)平臺(tái)2#注水泵成功投運(yùn)，穩(wěn)定運(yùn)行至今，打破了洋品牌在海洋平臺(tái)上的壟斷局面，為國(guó)產(chǎn)高壓變頻器贏得了一份榮譽(yù)。
圖1 HIVERT變頻器運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)
注水泵的作用是向油層注水，提高油層壓力，從而保證石油開(kāi)采的順利進(jìn)行。為了保證較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)滿足油田注水需求，在設(shè)計(jì)上注水泵的容量選型有較大的富余量，現(xiàn)在需要的壓力僅為10MPa，節(jié)能空間較大。
中心1號(hào)平臺(tái)裝備發(fā)電機(jī)組2×3500kVA + 5×400kVA，總裝機(jī)容量9000kVA，為中心平臺(tái)及周邊10個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)提供動(dòng)力。2#注水泵是新增容設(shè)備，型號(hào)為VFJH80-140×11，揚(yáng)程1500m，流量80m3/H，效率82%；配套電機(jī)為YA560M-2HW船用增安型三相異步電動(dòng)機(jī)，電壓6kV，額定電流68.48A，功率630kW，功率因數(shù)0.93。電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，瞬時(shí)視在功率近5000kVA，壓降很大，可能導(dǎo)致其他運(yùn)行設(shè)備欠壓保護(hù)，甚至使整個(gè)電網(wǎng)崩潰。為了確保水泵正常投運(yùn)，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的，采用了高壓變頻調(diào)速。
2、可靠性
海洋平臺(tái)遠(yuǎn)離陸地，運(yùn)輸、吊裝費(fèi)用高昂，因空間狹小，安裝也極不方便，必須確保變頻器一次投運(yùn)成功，對(duì)可靠性要求極高，并要求故障后能迅速恢復(fù)運(yùn)行。
2.1原理上保證
高壓變頻器還沒(méi)有象低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從電壓等級(jí)上可分為高—低、高—低—高、高—高方式；從有無(wú)直流環(huán)節(jié)可分為交—交、交—直—交方式；從直流環(huán)節(jié)濾波元件上可分為電壓源型、電流源型。而高—高方式又可細(xì)分為三電平、器件直接串聯(lián)、功率單元串聯(lián)等方式。目前，在國(guó)產(chǎn)高壓變頻器中，功率單元串聯(lián)方式技術(shù)最成熟，產(chǎn)品運(yùn)行可靠，性能優(yōu)越，已成為高壓變頻器發(fā)展的主流。
HIVERT高壓變頻器屬直接高-高、交-直-交、電壓源型變頻器，采用功率單元串聯(lián)疊波技術(shù)、空間矢量控制的正弦波PWM調(diào)制方法。
圖2 單元串聯(lián)示意圖
6kV系列HIVERT變頻器每相有5個(gè)功率單元，功率單元的額定輸入、輸出電壓僅為690VAC，串聯(lián)后相電壓為3450VAC，通過(guò)星接為6kV電機(jī)供電。每個(gè)功率單元相當(dāng)于一個(gè)三相輸入，單相輸出的低壓變頻器，繼承了低壓變頻器的成熟技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。
2.2元器件保證
為了保證變頻器的可靠性和使用壽命，主要元器件均采用國(guó)際知名廠家產(chǎn)品，并在使用前均通過(guò)嚴(yán)格測(cè)試。
2.3單元旁路
功率單元串聯(lián)方式高壓變頻器獨(dú)具單元旁路功能，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。圖3中，K即為旁路開(kāi)關(guān)。運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)某個(gè)單元發(fā)生故障而不能繼續(xù)工作時(shí)，該單元及其另外兩相相應(yīng)位置上的單元將自動(dòng)旁路，以保證變頻器連續(xù)工作，并發(fā)出旁路告警。發(fā)生單元旁路時(shí)，變頻器額定輸出受到影響，當(dāng)輸出能力達(dá)不到負(fù)載要求時(shí)，將自動(dòng)降速。但對(duì)于該水泵負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，且負(fù)載容量較小，單元旁路時(shí)生產(chǎn)不會(huì)受到任何影響。
2.4嚴(yán)格測(cè)試
所有功率單元在系統(tǒng)裝配前，均進(jìn)行150%額定電流輸出試驗(yàn)，整機(jī)通過(guò)144小時(shí)電機(jī)負(fù)載連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)。
為進(jìn)一步確保變頻器的可靠性，在變頻器運(yùn)到海洋平臺(tái)前，于7月15日安裝在勝利油田河2注630kW水泵上滿載運(yùn)行試驗(yàn)。由于是臨時(shí)安裝，室內(nèi)無(wú)安裝位置，變頻器就安裝在露天用木板和塑料薄膜搭建的簡(jiǎn)易棚內(nèi)。當(dāng)時(shí)正值雷雨季節(jié)，經(jīng)常是雷雨交加，狂風(fēng)大作。變頻器自7月16日投運(yùn)，一直穩(wěn)定運(yùn)行到8月2日通過(guò)海洋石油開(kāi)發(fā)公司的驗(yàn)收為止。
在此期間，變頻器經(jīng)過(guò)了惡劣運(yùn)行環(huán)境的考驗(yàn)，驗(yàn)證了HIVERT變頻器的可靠性、負(fù)載能力、防雷電能力及柜體防滴能力。
表2為變頻器在河2注運(yùn)行時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為最大限度考核變頻器的負(fù)載能力，調(diào)試后，變頻器一直運(yùn)行在50Hz，而通過(guò)閥門調(diào)節(jié)水泵的輸出流量。
表2：河2注運(yùn)行參數(shù)
[table=351][tr][td=1,1,138][align=center]運(yùn)行參數(shù)
[/td][td=1,1,71]
單位
[/td][td=2,1,142]
運(yùn)行工況
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
運(yùn)行頻率
[/td][td=1,1,71]
Hz
[/td][td=1,1,71]
45
[/td][td=1,1,71]
50
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸入電壓
[/td][td=1,1,71]
V
[/td][td=1,1,71]
6586
[/td][td=1,1,71]
6534
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸出電壓
[/td][td=1,1,71]
V
[/td][td=1,1,71]
5486
[/td][td=1,1,71]
6039
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸入電流
[/td][td=1,1,71]
A
[/td][td=1,1,71]
50.55
[/td][td=1,1,71]
53.41
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸出電流
[/td][td=1,1,71]
A
[/td][td=1,1,71]
66.13
[/td][td=1,1,71]
63.13
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸入功率
[/td][td=1,1,71]
kW
[/td][td=1,1,71]
562
[/td][td=1,1,71]
589
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸出功率
[/td][td=1,1,71]
kW
[/td][td=1,1,71]
536
[/td][td=1,1,71]
564
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸入功率因數(shù)
[/td][td=1,1,71]
[/td][td=1,1,71]
0.9752
[/td][td=1,1,71]
0.9747
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸出功率因數(shù)
[/td][td=1,1,71]
[/td][td=1,1,71]
0.8536
[/td][td=1,1,71]
0.8537
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
排量
[/td][td=1,1,71]
m3/h
[/td][td=1,1,71]
101
[/td][td=1,1,71]
88
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
壓力
[/td][td=1,1,71]
MPa
[/td][td=1,1,71]
10
[/td][td=1,1,71]
16
[/td][/tr][/table][/align]
3、結(jié)構(gòu)
海洋平臺(tái)寸土寸金，要求變頻器越小越好，同時(shí)，平臺(tái)上鹽霧大，室內(nèi)屋頂上經(jīng)常有滴水，變頻器需要作防滴（防護(hù)等級(jí)IP31）和三防（防霉、防潮、防鹽霧）處理。
3.1防滴
HIVERT變頻器額定效率為96%，總共有4%（變壓器和功率單元約各占一半）通過(guò)發(fā)熱方式損耗掉，這些熱量由風(fēng)機(jī)排出柜外。因此在柜體設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮防滴的要求，還得滿足變頻器的通風(fēng)散熱。圖4為變頻器的外形圖，分別在柜體頂部和風(fēng)機(jī)頂部加設(shè)了防滴蓋，并確保柜門、蓋板等的密封。
變頻器的柜體尺寸寬×高×深 = 3800×（2100+250）×1100（單位mm），括號(hào)中250為風(fēng)機(jī)高度。
圖4 HIVERT-Y06/077外形圖
3.2三防
三防要求是全面的，包括柜體、連接件、電路板、電器等。
Ø需表面處理的結(jié)構(gòu)件：涂三防漆
Ø其余結(jié)構(gòu)件：不銹鋼材料
連接螺釘?shù)龋翰讳P鋼材料
Ø電路板：噴三防漆
Ø開(kāi)關(guān)、按鈕、繼電器、指示燈等低壓電器：采用達(dá)到三防要求的國(guó)外品牌
Ø變壓器：噴三防漆
Ø外部高壓電纜：船用電纜
該變頻器6月底通過(guò)中國(guó)船級(jí)社青島分社的檢驗(yàn)，并頒發(fā)了船級(jí)社檢驗(yàn)證書。
4、運(yùn)行分析
高壓注水泵為多級(jí)離心泵，共有11級(jí)，因現(xiàn)在需要的壓力為10MPa，因此水泵僅安裝了9級(jí)，額定揚(yáng)程為1500＊9/11 = 1227m。
圖5 注水管路示意圖
原注水泵通過(guò)調(diào)節(jié)回水管閥門來(lái)調(diào)節(jié)供水壓力及供水量，改用變頻調(diào)速后，回水管閥門全開(kāi)，而通過(guò)調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)水壓調(diào)節(jié)，表3為變頻運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
表3：海洋平臺(tái)運(yùn)行參數(shù)
[table=351][tr][td=1,1,138][align=center]運(yùn)行參數(shù)
[/td][td=1,1,71]
單位
[/td][td=2,1,142]
運(yùn)行工況
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
運(yùn)行頻率
[/td][td=1,1,71]
Hz
[/td][td=1,1,71]
45
[/td][td=1,1,71]
50
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸入電壓
[/td][td=1,1,71]
V
[/td][td=1,1,71]
6051
[/td][td=1,1,71]
6053
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸出電壓
[/td][td=1,1,71]
V
[/td][td=1,1,71]
5491
[/td][td=1,1,71]
6044
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸入電流
[/td][td=1,1,71]
A
[/td][td=1,1,71]
24.43
[/td][td=1,1,71]
32.93
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸出電流
[/td][td=1,1,71]
A
[/td][td=1,1,71]
29.78
[/td][td=1,1,71]
35.33
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸入功率
[/td][td=1,1,71]
kW
[/td][td=1,1,71]
248
[/td][td=1,1,71]
331
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸出功率
[/td][td=1,1,71]
kW
[/td][td=1,1,71]
239
[/td][td=1,1,71]
321
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸入功率因數(shù)
[/td][td=1,1,71]
[/td][td=1,1,71]
0.97
[/td][td=1,1,71]
0.84
[/td][/tr][tr][td=1,1,138]
輸出功率因數(shù)
[/td][td=1,1,71]
[/td][td=1,1,71]
0.96
[/td][td=1,1,71]
0.87
[/td][/tr][/table][/align]
在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，42-45Hz范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，水泵振動(dòng)較大，通過(guò)跳轉(zhuǎn)頻率設(shè)置，避免了水泵在此區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。現(xiàn)在注水量比較穩(wěn)定，變頻器輸出頻率穩(wěn)定在45Hz，輸出壓力為10MPa。
水泵額定軸功率為：1500×80/367/82% ×9/11 = 326kW
45Hz運(yùn)行時(shí)理論軸功率：326×（45/50）3 = 237kW。
45Hz時(shí)水泵理論揚(yáng)程：1227×（45/50）2 = 994m
這三個(gè)理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)（軸功率對(duì)應(yīng)變頻器輸出功率）非常接近。
5、總結(jié)
變頻器投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，效果顯著：
實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)未對(duì)電網(wǎng)造成任何沖擊
節(jié)能效果明顯，節(jié)約功率約321-239 = 82kW，節(jié)電率82/321=26%
提高了功率因數(shù)，進(jìn)而提高了整個(gè)供電系統(tǒng)運(yùn)行效率
降低了運(yùn)行噪音，改善了平臺(tái)生活環(huán)境
因功率單元串聯(lián)方式變頻器輸入、輸出諧波含量很小，未發(fā)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響。
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