海洋平臺注水泵變頻改造

1、引言
海洋平臺由于其環(huán)境的特殊性，對設(shè)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發(fā)公司埕島中心1號平臺2#注水泵成功投運，穩(wěn)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)高壓變頻器贏得了一份榮譽。

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(nèi)滿足油田注水需求，在設(shè)計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個衛(wèi)星平臺提供動力。2#注水泵是新增容設(shè)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(shù)0.93。電機直接啟動時，瞬時視在功率近5000kVA，壓降很大，可能導(dǎo)致其他運行設(shè)備欠壓保護，甚至使整個電網(wǎng)崩潰。為了確保水泵正常投運，并實現(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(fù)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(tǒng)一的拓撲結(jié)構(gòu)，從電壓等級上可分為高—低、高—低—高、高—高方式；從有無直流環(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(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(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家產(chǎn)品，并在使用前均通過嚴格測試。

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，進一步提高了系統(tǒng)運行可靠性。圖3中，K即為旁路開關(guān)。運行過程中，當某個單元發(fā)生故障而不能繼續(xù)工作時，該單元及其另外兩相相應(yīng)位置上的單元將自動旁路，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，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(zhuǎn)速的立方成正比，且負載容量較小，單元旁路時生產(chǎn)不會受到任何影響。

2.4嚴格測試
所有功率單元在系統(tǒng)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(xù)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(nèi)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(nèi)。當時正值雷雨季節(jié)，經(jīng)常是雷雨交加，狂風(fēng)大作。變頻器自7月16日投運，一直穩(wěn)定運行到8月2日通過海洋石油開發(fā)公司的驗收為止。
在此期間，變頻器經(jīng)過了惡劣運行環(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注運行時的實測數(shù)據(jù)，為最大限度考核變頻器的負載能力，調(diào)試后，變頻器一直運行在50Hz，而通過閥門調(diào)節(jié)水泵的輸出流量。

表2：河2注運行參數(shù)

運行參數(shù)單位運行工況
運行頻率Hz4550
輸入電壓V65866534
輸出電壓V54866039
輸入電流A50.5553.41
輸出電流A66.1363.13
輸入功率kW562589
輸出功率 kW536564
輸入功率因數(shù)0.97520.9747
輸出功率因數(shù)0.85360.8537
排量m3/h10188
壓力MPa1016

3、結(jié)構(gòu)
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(nèi)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(shè)計時，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。
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
Ø變壓器：噴三防漆
Ø外部高壓電纜：船用電纜
該變頻器6月底通過中國船級社青島分社的檢驗，并頒發(fā)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(xiàn)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

原注水泵通過調(diào)節(jié)回水管閥門來調(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，而通過調(diào)速來實現(xiàn)水壓調(diào)節(jié)，表3為變頻運行實測數(shù)據(jù)。

表3：海洋平臺運行參數(shù)
運行參數(shù)單位運行工況
運行頻率Hz4550
輸入電壓V60516053
輸出電壓V54916044
輸入電流A24.4332.93
輸出電流A29.7835.33
輸入功率kW248331
輸出功率 kW239321
輸入功率因數(shù)0.970.84
輸出功率因數(shù)0.960.87

5、總結(jié)
變頻器投運以來，運行穩(wěn)定，效果顯著：
實現(xiàn)了電機軟啟動，啟動時未對電網(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)，進而提高了整個供電系統(tǒng)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(xiàn)對其他設(shè)備產(chǎn)生影響。