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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。

 

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。

 

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,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。

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。

 

 

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

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。

?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。

 

四、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。

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

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?,F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。

 

五、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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