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案例頻道 1、引言
海洋平臺由于其環(huán)境的特殊性，對設備要求特別苛刻，因此在高壓變頻器的選用上非常謹慎，一直是國外產(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號平臺2#注水泵成功投運，穩定運行至今，打破了洋品牌在海洋平臺上的壟斷局面，為國產(chǎn)高壓變頻器贏(yíng)得了一份榮譽(yù)。
圖1 HIVERT變頻器運行現場(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(cháng)時(shí)期內滿(mǎn)足油田注水需求，在設計上注水泵的容量選型有較大的富余量，現在需要的壓力僅為10MPa，節能空間較大。
中心1號平臺裝備發(fā)電機組2×3500kVA + 5×400kVA，總裝機容量9000kVA，為中心平臺及周邊10個(gè)衛星平臺提供動(dòng)力。2#注水泵是新增容設備，型號為VFJH80-140×11，揚程1500m，流量80m3/H，效率82%；配套電機為YA560M-2HW船用增安型三相異步電動(dòng)機，電壓6kV，額定電流68.48A，功率630kW，功率因數0.93。電機直接啟動(dòng)時(shí)，瞬時(shí)視在功率近5000kVA，壓降很大，可能導致其他運行設備欠壓保護，甚至使整個(gè)電網(wǎng)崩潰。為了確保水泵正常投運，并實(shí)現節能目的，采用了高壓變頻調速。
2、可靠性
海洋平臺遠離陸地，運輸、吊裝費用高昂，因空間狹小，安裝也極不方便，必須確保變頻器一次投運成功，對可靠性要求極高，并要求故障后能迅速恢復運行。
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一的拓撲結構，從電壓等級上可分為高—低、高—低—高、高—高方式；從有無(wú)直流環(huán)節可分為交—交、交—直—交方式；從直流環(huán)節濾波元件上可分為電壓源型、電流源型。而高—高方式又可細分為三電平、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電機供電。每個(gè)功率單元相當于一個(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。
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際知名廠(chǎng)家產(chǎn)品，并在使用前均通過(guò)嚴格測試。
2.3單元旁路
功率單元串聯(lián)方式高壓變頻器獨具單元旁路功能，進(jìn)一步提高了系統運行可靠性。圖3中，K即為旁路開(kāi)關(guān)。運行過(guò)程中，當某個(gè)單元發(fā)生故障而不能繼續工作時(shí)，該單元及其另外兩相相應位置上的單元將自動(dòng)旁路，以保證變頻器連續工作，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，當輸出能力達不到負載要求時(shí)，將自動(dòng)降速。但對于該水泵負載，軸功率與轉速的立方成正比，且負載容量較小，單元旁路時(shí)生產(chǎn)不會(huì )受到任何影響。
2.4嚴格測試
所有功率單元在系統裝配前，均進(jìn)行150%額定電流輸出試驗，整機通過(guò)144小時(shí)電機負載連續運行試驗。
為進(jìn)一步確保變頻器的可靠性，在變頻器運到海洋平臺前，于7月15日安裝在勝利油田河2注630kW水泵上滿(mǎn)載運行試驗。由于是臨時(shí)安裝，室內無(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。當時(shí)正值雷雨季節，經(jīng)常是雷雨交加，狂風(fēng)大作。變頻器自7月16日投運，一直穩定運行到8月2日通過(guò)海洋石油開(kāi)發(fā)公司的驗收為止。
在此期間，變頻器經(jīng)過(guò)了惡劣運行環(huán)境的考驗，驗證了HIVERT變頻器的可靠性、負載能力、防雷電能力及柜體防滴能力。
表2為變頻器在河2注運行時(shí)的實(shí)測數據，為最大限度考核變頻器的負載能力，調試后，變頻器一直運行在50Hz，而通過(guò)閥門(mén)調節水泵的輸出流量。
表2：河2注運行參數
|
運行參數 |
單位 |
運行工況 | |
|
運行頻率 |
Hz |
45 |
50 |
|
輸入電壓 |
V |
6586 |
6534 |
|
輸出電壓 |
V |
5486 |
6039 |
|
輸入電流 |
A |
50.55 |
53.41 |
|
輸出電流 |
A |
66.13 |
63.13 |
|
輸入功率 |
kW |
562 |
589 |
|
輸出功率 |
kW |
536 |
564 |
|
輸入功率因數 |
|
0.9752 |
0.9747 |
|
輸出功率因數 |
|
0.8536 |
0.8537 |
|
排量 |
m3/h |
101 |
88 |
|
壓力 |
MPa |
10 |
16 |
3、結構
海洋平臺寸土寸金，要求變頻器越小越好，同時(shí)，平臺上鹽霧大，室內屋頂上經(jīng)常有滴水，變頻器需要作防滴（防護等級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)機排出柜外。因此在柜體設計時(shí)，既要考慮防滴的要求，還得滿(mǎn)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)機頂部加設了防滴蓋，并確保柜門(mén)、蓋板等的密封。
變頻器的柜體尺寸寬×高×深 = 3800×（2100+250）×1100（單位mm），括號中250為風(fēng)機高度。
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。
需表面處理的結構件：涂三防漆
其余結構件：不銹鋼材料
連接螺釘等：不銹鋼材料
電路板：噴三防漆
開(kāi)關(guān)、按鈕、繼電器、指示燈等低壓電器：采用達到三防要求的國外品牌
變壓器：噴三防漆
外部高壓電纜：船用電纜
該變頻器6月底通過(guò)中國船級社青島分社的檢驗，并頒發(fā)了船級社檢驗證書(shū)。
4、運行分析
高壓注水泵為多級離心泵，共有11級，因現在需要的壓力為10MPa，因此水泵僅安裝了9級，額定揚程為1500＊9/11 = 1227m。
圖5 注水管路示意圖
原注水泵通過(guò)調節回水管閥門(mén)來(lái)調節供水壓力及供水量，改用變頻調速后，回水管閥門(mén)全開(kāi)，而通過(guò)調速來(lái)實(shí)現水壓調節，表3為變頻運行實(shí)測數據。
表3：海洋平臺運行參數
|
運行參數 |
單位 |
運行工況 | |
|
運行頻率 |
Hz |
45 |
50 |
|
輸入電壓 |
V |
6051 |
6053 |
|
輸出電壓 |
V |
5491 |
6044 |
|
輸入電流 |
A |
24.43 |
32.93 |
|
輸出電流 |
A |
29.78 |
35.33 |
|
輸入功率 |
kW |
248 |
331 |
|
輸出功率 |
kW |
239 |
321 |
|
輸入功率因數 |
|
0.97 |
0.84 |
|
輸出功率因數 |
|
0.96 |
0.87 |
在調試過(guò)程中發(fā)現，42-45Hz范圍內運行時(shí)，水泵振動(dòng)較大，通過(guò)跳轉頻率設置，避免了水泵在此區域內運行?，F在注水量比較穩定，變頻器輸出頻率穩定在45Hz，輸出壓力為10MPa。
水泵額定軸功率為：1500×80/367/82% ×9/11 = 326kW
45Hz運行時(shí)理論軸功率：326×（45/50）3 = 237kW。
45Hz時(shí)水泵理論揚程：1227×（45/50）2 = 994m
這三個(gè)理論計算數據與實(shí)際運行參數（軸功率對應變頻器輸出功率）非常接近。
5、總結
變頻器投運以來(lái)，運行穩定，效果顯著(zhù)：
實(shí)現了電機軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)未對電網(wǎng)造成任何沖擊
節能效果明顯，節約功率約321-239 = 82kW，節電率82/321=26%
提高了功率因數，進(jìn)而提高了整個(gè)供電系統運行效率
降低了運行噪音，改善了平臺生活環(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)現對其他設備產(chǎn)生影響。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號