HIVERT-Y06/077高壓變頻器在海洋平臺上的應用
1、引言
海洋平臺由于其環境的特殊性，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發公司埕島中心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，為國產高壓變頻器贏得了一份榮譽。下面就這個項目談談幾點體會，拋磚引玉，不要見笑。
注水泵的作用是向油層注水，提高油層壓力，從而保證石油開采的順利進行。為了保證較長時期內滿足油田注水需求，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號平臺裝備發電機組2×3500kVA + 5×400kVA，總裝機容量9000kVA，為中心平臺及周邊10個衛星平臺提供動力。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。電機直接啟動時，瞬時視在功率近5000kVA，壓降很大，可能導致其他運行設備欠壓保護，甚至使整個電網崩潰。為了確保水泵正常投運，并實現節能目的，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；從有無直流環節可分為交—交、交—直—交方式；從直流環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、功率單元串聯等方式。目前，在國產高壓變頻器中，功率單元串聯方式技術最成熟，產品運行可靠，性能優越，已成為高壓變頻器發展的主流。
HIVERT高壓變頻器屬直接高-高、交-直-交、電壓源型變頻器，采用功率單元串聯疊波技術、空間矢量控制的正弦波PWM調制方法。
圖1 單元串聯示意圖
6kV系列HIVERT變頻器每相有5個功率單元，功率單元的額定輸入、輸出電壓僅為690VAC，串聯后相電壓為3450VAC，通過星接為6kV電機供電。每個功率單元相當于一個三相輸入，單相輸出的低壓變頻器，繼承了低壓變頻器的成熟技術和經驗。
圖2 功率單元示意圖
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家產品，并在使用前均通過嚴格測試，主要元器件清單見表。
表1：主要元器件清單
2．3單元旁路
功率單元串聯方式高壓變頻器獨具單元旁路功能，進一步提高了系統運行可靠性。圖3中，K即為旁路開關。運行過程中，當某個單元發生故障而不能繼續工作時，該單元及其另外兩相相應位置上的單元將自動旁路，以保證變頻器連續工作，并發出旁路告警。發生單元旁路時，變頻器額定輸出受到影響，當輸出能力達不到負載要求時，將自動降速。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，單元旁路時生產不會受到任何影響。
2．4嚴格測試
所有功率單元在系統裝配前，均進行150%額定電流輸出試驗，整機通過144小時電機負載連續運行試驗。
為進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水泵上滿載運行試驗。由于是臨時安裝，室內無安裝位置，變頻器就安裝在露天用木板和塑料薄膜搭建的簡易棚內。當時正值雷雨季節，經常是雷雨交加，狂風大作。變頻器自7月16日投運，一直穩定運行到8月2日通過海洋石油開發公司的驗收為止。
在此期間，變頻器經過了惡劣運行環境的考驗，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注運行時的實測數據，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，而通過閥門調節水泵的輸出流量。
表2：河2注運行參數
3、結構
海洋平臺寸土寸金，要求變頻器越小越好，同時，平臺上鹽霧大，室內屋頂上經常有滴水，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）通過發熱方式損耗掉，這些熱量由風機排出柜外。因此在柜體設計時，既要考慮防滴的要求，還得滿足變頻器的通風散熱。圖4為變頻器的外形圖，分別在柜體頂部和風機頂部加設了防滴蓋，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），括號中250為風機高度。
圖3 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
◎開關、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月底通過中國船級社青島分社的檢驗，并頒發了船級社檢驗證書。
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4 注水管路示意圖
原注水泵通過調節回水管閥門來調節供水壓力及供水量，改用變頻調速后，回水管閥門全開，而通過調速來實現水壓調節，表3為變頻運行實測數據。
表3：海洋平臺運行參數
在調試過程中發現，42-45Hz范圍內運行時，水泵振動較大，通過跳轉頻率設置，避免了水泵在此區域內運行。現在注水量比較穩定，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運行時理論軸功率：326*（45/50）3 = 237kW。
45Hz時水泵理論揚程：1227*（45/50）2 = 994m
這三個理論計算數據與實際運行參數（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，運行穩定，效果顯著：
◎實現了電機軟啟動，啟動時未對電網造成任何沖擊
◎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，進而提高了整個供電系統運行效率
◎降低了運行噪音，改善了平臺生活環境
◎因功率單元串聯方式變頻器輸入、輸出諧波含量很小，未發現對其他設備產生影響。
海洋平臺由于其環境的特殊性，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發公司埕島中心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，為國產高壓變頻器贏得了一份榮譽。下面就這個項目談談幾點體會，拋磚引玉，不要見笑。
注水泵的作用是向油層注水，提高油層壓力，從而保證石油開采的順利進行。為了保證較長時期內滿足油田注水需求，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號平臺裝備發電機組2×3500kVA + 5×400kVA，總裝機容量9000kVA，為中心平臺及周邊10個衛星平臺提供動力。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。電機直接啟動時，瞬時視在功率近5000kVA，壓降很大，可能導致其他運行設備欠壓保護，甚至使整個電網崩潰。為了確保水泵正常投運，并實現節能目的，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；從有無直流環節可分為交—交、交—直—交方式；從直流環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、功率單元串聯等方式。目前，在國產高壓變頻器中，功率單元串聯方式技術最成熟，產品運行可靠，性能優越，已成為高壓變頻器發展的主流。
HIVERT高壓變頻器屬直接高-高、交-直-交、電壓源型變頻器，采用功率單元串聯疊波技術、空間矢量控制的正弦波PWM調制方法。
圖1 單元串聯示意圖
6kV系列HIVERT變頻器每相有5個功率單元，功率單元的額定輸入、輸出電壓僅為690VAC，串聯后相電壓為3450VAC，通過星接為6kV電機供電。每個功率單元相當于一個三相輸入，單相輸出的低壓變頻器，繼承了低壓變頻器的成熟技術和經驗。
圖2 功率單元示意圖
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家產品，并在使用前均通過嚴格測試，主要元器件清單見表。
表1：主要元器件清單
2．3單元旁路
功率單元串聯方式高壓變頻器獨具單元旁路功能，進一步提高了系統運行可靠性。圖3中，K即為旁路開關。運行過程中，當某個單元發生故障而不能繼續工作時，該單元及其另外兩相相應位置上的單元將自動旁路，以保證變頻器連續工作，并發出旁路告警。發生單元旁路時，變頻器額定輸出受到影響，當輸出能力達不到負載要求時，將自動降速。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，單元旁路時生產不會受到任何影響。
2．4嚴格測試
所有功率單元在系統裝配前，均進行150%額定電流輸出試驗，整機通過144小時電機負載連續運行試驗。
為進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水泵上滿載運行試驗。由于是臨時安裝，室內無安裝位置，變頻器就安裝在露天用木板和塑料薄膜搭建的簡易棚內。當時正值雷雨季節，經常是雷雨交加，狂風大作。變頻器自7月16日投運，一直穩定運行到8月2日通過海洋石油開發公司的驗收為止。
在此期間，變頻器經過了惡劣運行環境的考驗，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注運行時的實測數據，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，而通過閥門調節水泵的輸出流量。
表2：河2注運行參數
3、結構
海洋平臺寸土寸金，要求變頻器越小越好，同時，平臺上鹽霧大，室內屋頂上經常有滴水，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）通過發熱方式損耗掉，這些熱量由風機排出柜外。因此在柜體設計時，既要考慮防滴的要求，還得滿足變頻器的通風散熱。圖4為變頻器的外形圖，分別在柜體頂部和風機頂部加設了防滴蓋，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），括號中250為風機高度。
圖3 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
◎開關、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月底通過中國船級社青島分社的檢驗，并頒發了船級社檢驗證書。
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4 注水管路示意圖
原注水泵通過調節回水管閥門來調節供水壓力及供水量，改用變頻調速后，回水管閥門全開，而通過調速來實現水壓調節，表3為變頻運行實測數據。
表3：海洋平臺運行參數
在調試過程中發現，42-45Hz范圍內運行時，水泵振動較大，通過跳轉頻率設置，避免了水泵在此區域內運行。現在注水量比較穩定，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運行時理論軸功率：326*（45/50）3 = 237kW。
45Hz時水泵理論揚程：1227*（45/50）2 = 994m
這三個理論計算數據與實際運行參數（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，運行穩定，效果顯著：
◎實現了電機軟啟動，啟動時未對電網造成任何沖擊
◎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，進而提高了整個供電系統運行效率
◎降低了運行噪音，改善了平臺生活環境
◎因功率單元串聯方式變頻器輸入、輸出諧波含量很小，未發現對其他設備產生影響。
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