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          應用案例

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          勝利油田海洋石油開發公司

          瀏覽次數: 日期:2008-8-27 14:12:04

          一、引言

          海洋平臺由於其環境的特殊性,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,爲國產高壓變頻器贏得了一份榮譽。

           

          圖1 HIVERT變頻器運行現場

           

          注水泵的作用是向油層注水,提高油層壓力,從而保證石油開採的順利進行 。爲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餘量  ,現在需要的壓力僅爲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,爲中心平臺及周邊10個衛星平臺提供動力。2#注水泵是新增容設備 ,型號爲VFJH80-140×11 ,揚程1500m,流量80m3/H,效率82%;配套電機爲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  。電機直接啓動時,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。爲了確保水泵正常投運,並實現節能目的 ,採用了高壓變頻調速 。

           

          二、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,並要求故障後能迅速恢復運行 。

          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 ,從電壓等級上可分爲高—低、高—低—高、高—高方式 ;從有無直流環節可分爲交—交、交—直—交方式 ;從直流環節濾波元件上可分爲電壓源型、電流源型 。而高—高方式又可細分爲三電平、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 ,已成爲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,採用功率單元串聯疊波技術、空間矢量控制的正弦波PWM調製方法。

           

                   圖2 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、輸出電壓僅爲690VAC,串聯後相電壓爲3450VAC,通過星接爲6kV電機供電。每個功率單元相當於一個三相輸入,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 。

          2.2元器件保證

          爲了保證變頻器的可靠性和使用壽命,主要元器件均採用國際知名廠家產品,並在使用前均通過嚴格測試  。

           

           

          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即爲旁路開關 。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,併發出旁路告警。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  。但對於該水泵負載,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 。

          爲進一步確保變頻器的可靠性 ,在變頻器運到海洋平臺前,於7月15日安裝在勝利油田河2注630kW水泵上滿載運行試驗 。由於是臨時安裝,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爲止。

          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、防雷電能力及櫃體防滴能力。

          表2爲變頻器在河2注運行時的實測數據 ,爲最大限度考覈變頻器的負載能力,調試後 ,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

          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

           

          三、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(防黴、防潮、防鹽霧)處理。

          3.1防滴

          HIVERT變頻器額定效率爲96% ,總共有4%(變壓器和功率單元約各佔一半)通過發熱方式損耗掉 ,這些熱量由風機排出櫃外。因此在櫃體設計時,既要考慮防滴的要求,還得滿足變頻器的通風散熱  。圖4爲變頻器的外形圖,分別在櫃體頂部和風機頂部加設了防滴蓋,並確保櫃門、蓋板等的密封 。

          變頻器的櫃體尺寸寬×高×深= 3800×(2100+250)×1100(單位mm),括號中250爲風機高度 。

          圖4 HIVERT-Y06/077外形圖

           

          3.2三防

          三防要求是全面的 ,包括櫃體、連接件、電路板、電器等 。

          Ø需表面處理的結構件:塗三防漆

          Ø其餘結構件:不鏽鋼材料

          連接螺釘等:不鏽鋼材料

          Ø電路板:噴三防漆

          Ø開關、按鈕、繼電器、指示燈等低壓電器:採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,並頒發了船級社檢驗證書。

           

          四、運行分析

          高壓注水泵爲多級離心泵 ,共有11級,因現在需要的壓力爲10MPa,因此水泵僅安裝了9級 ,額定揚程爲1500*9/11 = 1227m 。

          原注水泵通過調節回水管閥門來調節供水壓力及供水量,改用變頻調速後,回水管閥門全開,而通過調速來實現水壓調節,表3爲變頻運行實測數據 。

          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

           

          在調試過程中發現 ,42-45Hz範圍內運行時,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,輸出壓力爲10MPa 。

          水泵額定軸功率爲: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 。

           

          五、總結

          變頻器投運以來,運行穩定,效果顯著:

          實現了電機軟啓動 ,啓動時未對電網造成任何衝擊

          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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