HIVERT-Y06/077高压变频器在海洋平台上的应用
1、引言
海洋平台由于其环境的特殊性，对设备要求特别苛刻，因此在高压变频器的选用上非常谨慎，一直是国外产品的天下。2004年8月22日， HIVERT-Y06/077高压变频器在胜利油田海洋石油开发公司埕岛中心1号平台2#注水泵成功投运，稳定运行至今，打破了洋品牌在海洋平台上的垄断局面，为国产高压变频器赢得了一份荣誉。下面就这个项目谈谈几点体会，抛砖引玉，不要见笑。
注水泵的作用是向油层注水，提高油层压力，从而保证石油开采的顺利进行。为了保证较长时期内满足油田注水需求，在设计上注水泵的容量选型有较大的富余量，现在需要的压力仅为10MPa，节能空间较大。
中心1号平台装备发电机组2×3500kVA + 5×400kVA，总装机容量9000kVA，为中心平台及周边10个卫星平台提供动力。2#注水泵是新增容设备，型号为VFJH80-140*11，扬程1500m，流量80m3/H，效率82%；配套电机为YA560M-2HW船用增安型三相异步电动机，电压6kV，额定电流68.48A，功率630kW，功率因数0.93。电机直接启动时，瞬时视在功率近5000kVA，压降很大，可能导致其他运行设备欠压保护，甚至使整个电网崩溃。为了确保水泵正常投运，并实现节能目的，采用了高压变频调速。
2、可靠性
海洋平台远离陆地，运输、吊装费用高昂，因空间狭小，安装也极不方便，必须确保变频器一次投运成功，对可靠性要求极高，并要求故障后能迅速恢复运行。
2．1原理上保证
高压变频器还没有象低压变频器那样近乎统一的拓扑结构，从电压等级上可分为高—低、高—低—高、高—高方式；从有无直流环节可分为交—交、交—直—交方式；从直流环节滤波元件上可分为电压源型、电流源型。而高—高方式又可细分为三电平、器件直接串联、功率单元串联等方式。目前，在国产高压变频器中，功率单元串联方式技术最成熟，产品运行可靠，性能优越，已成为高压变频器发展的主流。
HIVERT高压变频器属直接高-高、交-直-交、电压源型变频器，采用功率单元串联叠波技术、空间矢量控制的正弦波PWM调制方法。
图1 单元串联示意图
6kV系列HIVERT变频器每相有5个功率单元，功率单元的额定输入、输出电压仅为690VAC，串联后相电压为3450VAC，通过星接为6kV电机供电。每个功率单元相当于一个三相输入，单相输出的低压变频器，继承了低压变频器的成熟技术和经验。
图2 功率单元示意图
2．2元器件保证
为了保证变频器的可靠性和使用寿命，主要元器件均采用国际知名厂家产品，并在使用前均通过严格测试，主要元器件清单见表。
表1：主要元器件清单
2．3单元旁路
功率单元串联方式高压变频器独具单元旁路功能，进一步提高了系统运行可靠性。图3中，K即为旁路开关。运行过程中，当某个单元发生故障而不能继续工作时，该单元及其另外两相相应位置上的单元将自动旁路，以保证变频器连续工作，并发出旁路告警。发生单元旁路时，变频器额定输出受到影响，当输出能力达不到负载要求时，将自动降速。但对于该水泵负载，轴功率与转速的立方成正比，且负载容量较小，单元旁路时生产不会受到任何影响。
2．4严格测试
所有功率单元在系统装配前，均进行150%额定电流输出试验，整机通过144小时电机负载连续运行试验。
为进一步确保变频器的可靠性，在变频器运到海洋平台前，于7月15日安装在胜利油田河2注630kW水泵上满载运行试验。由于是临时安装，室内无安装位置，变频器就安装在露天用木板和塑料薄膜搭建的简易棚内。当时正值雷雨季节，经常是雷雨交加，狂风大作。变频器自7月16日投运，一直稳定运行到8月2日通过海洋石油开发公司的验收为止。
在此期间，变频器经过了恶劣运行环境的考验，验证了HIVERT变频器的可靠性、负载能力、防雷电能力及柜体防滴能力。
表2为变频器在河2注运行时的实测数据，为最大限度考核变频器的负载能力，调试后，变频器一直运行在50Hz，而通过阀门调节水泵的输出流量。
表2：河2注运行参数
3、结构
海洋平台寸土寸金，要求变频器越小越好，同时，平台上盐雾大，室内屋顶上经常有滴水，变频器需要作防滴（防护等级IP31）和三防（防霉、防潮、防盐雾）处理。
3．1防滴
HIVERT变频器额定效率为96%，总共有4%（变压器和功率单元约各占一半）通过发热方式损耗掉，这些热量由风机排出柜外。因此在柜体设计时，既要考虑防滴的要求，还得满足变频器的通风散热。图4为变频器的外形图，分别在柜体顶部和风机顶部加设了防滴盖，并确保柜门、盖板等的密封。
变频器的柜体尺寸宽×高×深 = 3800×（2100+250）×1100（单位mm），括号中250为风机高度。
图3 HIVERT-Y06/077外形图
3．2三防
三防要求是全面的，包括柜体、连接件、电路板、电器等。
◎需表面处理的结构件：涂三防漆
◎其余结构件：不锈钢材料
◎连接螺钉等：不锈钢材料
◎电路板：喷三防漆
◎开关、按钮、继电器、指示灯等低压电器：采用达到三防要求的国外品牌
◎变压器：喷三防漆
◎外部高压电缆：船用电缆
该变频器6月底通过中国船级社青岛分社的检验，并颁发了船级社检验证书。
4、运行分析
高压注水泵为多级离心泵，共有11级，因现在需要的压力为10MPa，因此水泵仅安装了9级，额定扬程为1500*9/11 = 1227m。
图4 注水管路示意图
原注水泵通过调节回水管阀门来调节供水压力及供水量，改用变频调速后，回水管阀门全开，而通过调速来实现水压调节，表3为变频运行实测数据。
表3：海洋平台运行参数
在调试过程中发现，42-45Hz范围内运行时，水泵振动较大，通过跳转频率设置，避免了水泵在此区域内运行。现在注水量比较稳定，变频器输出频率稳定在45Hz，输出压力为10MPa。
水泵额定轴功率为：1500*80/367/82% *9/11 = 326kW
45Hz运行时理论轴功率：326*（45/50）3 = 237kW。
45Hz时水泵理论扬程：1227*（45/50）2 = 994m
这三个理论计算数据与实际运行参数（轴功率对应变频器输出功率）非常接近。
5、总结
变频器投运以来，运行稳定，效果显著：
◎实现了电机软启动，启动时未对电网造成任何冲击
◎节能效果明显，节约功率约321-239 = 82kW，节电率82/321=26%
◎提高了功率因数，进而提高了整个供电系统运行效率
◎降低了运行噪音，改善了平台生活环境
◎因功率单元串联方式变频器输入、输出谐波含量很小，未发现对其他设备产生影响。
海洋平台由于其环境的特殊性，对设备要求特别苛刻，因此在高压变频器的选用上非常谨慎，一直是国外产品的天下。2004年8月22日， HIVERT-Y06/077高压变频器在胜利油田海洋石油开发公司埕岛中心1号平台2#注水泵成功投运，稳定运行至今，打破了洋品牌在海洋平台上的垄断局面，为国产高压变频器赢得了一份荣誉。下面就这个项目谈谈几点体会，抛砖引玉，不要见笑。
注水泵的作用是向油层注水，提高油层压力，从而保证石油开采的顺利进行。为了保证较长时期内满足油田注水需求，在设计上注水泵的容量选型有较大的富余量，现在需要的压力仅为10MPa，节能空间较大。
中心1号平台装备发电机组2×3500kVA + 5×400kVA，总装机容量9000kVA，为中心平台及周边10个卫星平台提供动力。2#注水泵是新增容设备，型号为VFJH80-140*11，扬程1500m，流量80m3/H，效率82%；配套电机为YA560M-2HW船用增安型三相异步电动机，电压6kV，额定电流68.48A，功率630kW，功率因数0.93。电机直接启动时，瞬时视在功率近5000kVA，压降很大，可能导致其他运行设备欠压保护，甚至使整个电网崩溃。为了确保水泵正常投运，并实现节能目的，采用了高压变频调速。
2、可靠性
海洋平台远离陆地，运输、吊装费用高昂，因空间狭小，安装也极不方便，必须确保变频器一次投运成功，对可靠性要求极高，并要求故障后能迅速恢复运行。
2．1原理上保证
高压变频器还没有象低压变频器那样近乎统一的拓扑结构，从电压等级上可分为高—低、高—低—高、高—高方式；从有无直流环节可分为交—交、交—直—交方式；从直流环节滤波元件上可分为电压源型、电流源型。而高—高方式又可细分为三电平、器件直接串联、功率单元串联等方式。目前，在国产高压变频器中，功率单元串联方式技术最成熟，产品运行可靠，性能优越，已成为高压变频器发展的主流。
HIVERT高压变频器属直接高-高、交-直-交、电压源型变频器，采用功率单元串联叠波技术、空间矢量控制的正弦波PWM调制方法。
图1 单元串联示意图
6kV系列HIVERT变频器每相有5个功率单元，功率单元的额定输入、输出电压仅为690VAC，串联后相电压为3450VAC，通过星接为6kV电机供电。每个功率单元相当于一个三相输入，单相输出的低压变频器，继承了低压变频器的成熟技术和经验。
图2 功率单元示意图
2．2元器件保证
为了保证变频器的可靠性和使用寿命，主要元器件均采用国际知名厂家产品，并在使用前均通过严格测试，主要元器件清单见表。
表1：主要元器件清单
2．3单元旁路
功率单元串联方式高压变频器独具单元旁路功能，进一步提高了系统运行可靠性。图3中，K即为旁路开关。运行过程中，当某个单元发生故障而不能继续工作时，该单元及其另外两相相应位置上的单元将自动旁路，以保证变频器连续工作，并发出旁路告警。发生单元旁路时，变频器额定输出受到影响，当输出能力达不到负载要求时，将自动降速。但对于该水泵负载，轴功率与转速的立方成正比，且负载容量较小，单元旁路时生产不会受到任何影响。
2．4严格测试
所有功率单元在系统装配前，均进行150%额定电流输出试验，整机通过144小时电机负载连续运行试验。
为进一步确保变频器的可靠性，在变频器运到海洋平台前，于7月15日安装在胜利油田河2注630kW水泵上满载运行试验。由于是临时安装，室内无安装位置，变频器就安装在露天用木板和塑料薄膜搭建的简易棚内。当时正值雷雨季节，经常是雷雨交加，狂风大作。变频器自7月16日投运，一直稳定运行到8月2日通过海洋石油开发公司的验收为止。
在此期间，变频器经过了恶劣运行环境的考验，验证了HIVERT变频器的可靠性、负载能力、防雷电能力及柜体防滴能力。
表2为变频器在河2注运行时的实测数据，为最大限度考核变频器的负载能力，调试后，变频器一直运行在50Hz，而通过阀门调节水泵的输出流量。
表2：河2注运行参数
3、结构
海洋平台寸土寸金，要求变频器越小越好，同时，平台上盐雾大，室内屋顶上经常有滴水，变频器需要作防滴（防护等级IP31）和三防（防霉、防潮、防盐雾）处理。
3．1防滴
HIVERT变频器额定效率为96%，总共有4%（变压器和功率单元约各占一半）通过发热方式损耗掉，这些热量由风机排出柜外。因此在柜体设计时，既要考虑防滴的要求，还得满足变频器的通风散热。图4为变频器的外形图，分别在柜体顶部和风机顶部加设了防滴盖，并确保柜门、盖板等的密封。
变频器的柜体尺寸宽×高×深 = 3800×（2100+250）×1100（单位mm），括号中250为风机高度。
图3 HIVERT-Y06/077外形图
3．2三防
三防要求是全面的，包括柜体、连接件、电路板、电器等。
◎需表面处理的结构件：涂三防漆
◎其余结构件：不锈钢材料
◎连接螺钉等：不锈钢材料
◎电路板：喷三防漆
◎开关、按钮、继电器、指示灯等低压电器：采用达到三防要求的国外品牌
◎变压器：喷三防漆
◎外部高压电缆：船用电缆
该变频器6月底通过中国船级社青岛分社的检验，并颁发了船级社检验证书。
4、运行分析
高压注水泵为多级离心泵，共有11级，因现在需要的压力为10MPa，因此水泵仅安装了9级，额定扬程为1500*9/11 = 1227m。
图4 注水管路示意图
原注水泵通过调节回水管阀门来调节供水压力及供水量，改用变频调速后，回水管阀门全开，而通过调速来实现水压调节，表3为变频运行实测数据。
表3：海洋平台运行参数
在调试过程中发现，42-45Hz范围内运行时，水泵振动较大，通过跳转频率设置，避免了水泵在此区域内运行。现在注水量比较稳定，变频器输出频率稳定在45Hz，输出压力为10MPa。
水泵额定轴功率为：1500*80/367/82% *9/11 = 326kW
45Hz运行时理论轴功率：326*（45/50）3 = 237kW。
45Hz时水泵理论扬程：1227*（45/50）2 = 994m
这三个理论计算数据与实际运行参数（轴功率对应变频器输出功率）非常接近。
5、总结
变频器投运以来，运行稳定，效果显著：
◎实现了电机软启动，启动时未对电网造成任何冲击
◎节能效果明显，节约功率约321-239 = 82kW，节电率82/321=26%
◎提高了功率因数，进而提高了整个供电系统运行效率
◎降低了运行噪音，改善了平台生活环境
◎因功率单元串联方式变频器输入、输出谐波含量很小，未发现对其他设备产生影响。
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