羅賓康變頻器在海上采油平臺上的應(yīng)用

岑尉平

(中海油深圳分公司流花油田，廣東 深圳 518067)

1 羅賓康中壓變頻器的工作原理

完美無諧波變頻器是羅賓康公司設(shè)計制造的脈寬調(diào)制交流變頻馬達(dá)驅(qū)動器系列，主要具有如下優(yōu)點(diǎn):純凈的輸入特性，高功率因數(shù)，幾乎完美的正弦波輸出。

羅賓康完美無諧波系列變頻器通過將多個低壓功率單元的輸出疊加得到中壓。低壓功率單元采用簡單改進(jìn)后的標(biāo)準(zhǔn)PWM(脈寬調(diào)制)馬達(dá)變頻器，這種低壓變頻器已廣泛應(yīng)用了許多年，性能很穩(wěn)定。

如圖1所示為4160V完美無諧波系列變頻器的功率回路結(jié)構(gòu)。馬達(dá)的每相由5個功率單元串聯(lián)進(jìn)行驅(qū)動，串聯(lián)方式采用星型接法，中線浮空。每個單元由隔離變壓器的隔離次級線圈供電。15個次級線圈的額定電壓均為480V AC，功率為總功率的1/15。變頻器在全壓輸出時保證功率單元與其次級以及對地相互絕緣。

每個單元為一個靜態(tài)變頻器，輸入電源為三相電壓480V AC，頻率為50/60Hz，輸出單相變壓(最高到480V AC)、變頻(最高120Hz)電源。每相5個單元串聯(lián)時相電壓為2400V AC，線電壓為4160V AC。功率單元都接收來自同一個中央控制器的指令。這些指令通過光纖電纜傳輸以保證絕緣等級達(dá)到5kV。

圖1 完美無諧波VFD方框圖(5單元，4160V AC)

為功率單元提供電源的變壓器次級線圈在繞制時使得相互之間產(chǎn)生一定的相位差。這消除了大部分由每個功率單元引起的諧波電流，所以初級電流近似正弦值，因而功率因數(shù)能保持較高，滿載時典型為95%。

如圖2所示為典型功率單元的原理圖。在本例中，由480V AC次級供電的三相二極管整流器將直流電容器充電至600VDC，該電壓提供給由IGBT組成的單相H橋逆變電路。在任意時刻，每個單元僅有三種可能輸出電壓，如果Q1和Q4導(dǎo)通，輸出從T1到T2為+600V;如果Q2和Q3導(dǎo)通輸出為－600V;如果Q1和Q3或Q2和Q4導(dǎo)通，輸出為0。

圖2 典型功率單元的原理圖

每相由5個功率單元串聯(lián)(即圖2所示功率單元)時可提供11個電平的相電壓(±3000V，±2400V，±1800V，±1200V，±600V或0V)?？商峁┒喾N不同電平的特點(diǎn)使得羅賓康系列變頻器能產(chǎn)生非常接近正弦波的輸出波形。

2 國內(nèi)油田的潛油電泵使用狀況分析

目前，中國海洋石油總公司所屬的各個油田為保證持續(xù)的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，在建海上采油平臺之初就大量使用潛油電泵，它被安裝在地下1000～3000m深的井里，泵在電動機(jī)的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，將油液抽到地面通過海底管匯送到2km外的油輪進(jìn)行進(jìn)一步加工處理。傳統(tǒng)的工作方式是電網(wǎng)直接供電，工程上稱其為全壓工頻工作。這種全壓工頻方式有許多弊端:

第一，對于復(fù)雜斷塊油田來說，油水井的對應(yīng)連通性差，部分潛油電泵井出現(xiàn)供液不足，影響到潛油電泵的正常生產(chǎn)及井下機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命。當(dāng)井下油量不富裕時，容易抽空，甚至死井，一旦死井則損失慘重。尤其海上平臺在采油時，因為油層稠度大，流動性差，潛油電泵在抽油的過程中不能一下運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速，否則會出現(xiàn)油層因壓力變化過快而斷開，電泵只能抽到少量距井口近的油，遠(yuǎn)離井口的原油因不能夠流動，電泵將斷液而導(dǎo)致油井報廢。并且一旦發(fā)生抽空時，定轉(zhuǎn)子將出現(xiàn)干磨，容易產(chǎn)生燒泵的事故。

第二，平臺的電網(wǎng)是由發(fā)電機(jī)組供電，過載能力較差。當(dāng)功率很大的潛油電泵在工頻全壓啟動時，對電網(wǎng)和電機(jī)的沖擊電流大、沖擊扭矩大，造成電機(jī)、電纜的加速老化和電泵葉片、軸系的損壞。平臺電網(wǎng)容量有限，電機(jī)工頻對電網(wǎng)的沖擊有可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組停運(yùn)。在采油過程中，由于液面經(jīng)常變化，需要經(jīng)常對電泵進(jìn)行啟停操作，頻繁的沖擊，降低了設(shè)備使用壽命，增加了維修費(fèi)用。

第三，潛油泵不能根據(jù)生產(chǎn)情況調(diào)整輸出功率，造成巨大的能源浪費(fèi)，難以使電泵工作在最佳工況點(diǎn)上。

3 實際應(yīng)用效果

南海挑戰(zhàn)號平臺目前采用的中壓變頻器是羅賓康完美無諧波系列交流變頻馬達(dá)驅(qū)動器，電壓等級為4160V，功率等級為600HP，用于驅(qū)動油井下的潛油電泵。采用Profilbus DP現(xiàn)場總線控制，變頻器的運(yùn)行參數(shù)通過Profilbus DP現(xiàn)場總線傳送到中控室，中控室值班人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作變頻器，無需到現(xiàn)場操作。該變頻器能實現(xiàn)輸出頻率在0～120Hz范圍內(nèi)的自由調(diào)節(jié)，從而滿足潛油電泵在不同井況下的運(yùn)行要求。實現(xiàn)機(jī)組的軟啟軟停，有效地避免或降低了對電機(jī)、電源、泵的損害，實現(xiàn)了在電網(wǎng)電壓一定的情況下，輸出電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

不同油井及井深、油液面、油粘度的不同，要求潛油電泵有不同的合理抽汲參數(shù)。通常，當(dāng)潛油電泵的參數(shù)一定后，采用改頻率(電機(jī)轉(zhuǎn)速或傳動比)的方法來調(diào)節(jié)，這樣不但能省電，達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益，而且電機(jī)能低于額定電流起動，對電機(jī)的保護(hù)全面。由于潛油電泵屬變轉(zhuǎn)矩類負(fù)載，即電機(jī)在起動時需較大轉(zhuǎn)矩，而停止時則負(fù)荷也很重。變頻器可以實現(xiàn)軟停機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸下降，軟停止對防止油下沖有明顯的緩沖作用，因此能保護(hù)油泵不會被打壞。

4 結(jié)束語

流花油田自1996年投產(chǎn)以來，使用的羅賓康完美無諧波系列中壓變頻器一直工作狀況良好，故障率很低，維修方便，有力的保證了平臺的正常生產(chǎn)，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］羅賓康.完美無諧波系列交流馬達(dá)變頻器用戶手冊［Z］.1997:10