高压变频器在油气行业应用案例分析

合康高压变频器在油气行业应用案例分析——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。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2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3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4HIVERT-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5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=326kW45Hz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。写作心得：这篇文章发表到现在已经有三年多了，这期间也是国内高压变频器高速发展的几年。在当时，高压变频器还主要是国外品牌的天下，用户还在怀疑中尝试着使用国产高压变频器，我们的推广工作非常艰巨。如今，国产高压变频器在可靠性、性能、容量等各方面均取得了长足的进步，在国内市场占据了主导地位，并逐步走向国际市场。作为一个高压变频器工作者，很是欣慰。专家点评：思路清晰严谨，方案合理可行，应用效果明显，在海洋平台上成功运行国产大型变频传动系统是一个非常有益的尝试，对同行业应用有很好的示范作用和指导意义。