石化企業(yè)變頻器性能評價方法研究

李 君，杜紅勇，劉維功，時振堂

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石化企業(yè)變頻器性能評價方法研究

李 君，杜紅勇，劉維功，時振堂

（中國石油化工股份有限公司 撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

目前變頻器在石化企業(yè)得到了大量應(yīng)用。從正常運行、電網(wǎng)異常、負(fù)載異常、保護(hù)功能四個方面，介紹了石油、化工企業(yè)變頻器使用情況及暴露出的問題，總結(jié)出石化企業(yè)關(guān)注的變頻器性能參數(shù)。通過分析現(xiàn)行變頻器測試標(biāo)準(zhǔn)，探討石化企業(yè)與裝備制造企業(yè)變頻器評價方法的差異，提出了適用于石化企業(yè)的變頻器評價指標(biāo)。設(shè)計了變頻器對拖實驗平臺，介紹了平臺組成、電機選擇、供電方案、陪試系統(tǒng)、測試步驟等，為企業(yè)提供了設(shè)備選擇和檢修的依據(jù)。

變頻器；測試標(biāo)準(zhǔn)；測試平臺

隨著工藝調(diào)速要求提高，節(jié)能減排壓力增大，石化企業(yè)大量應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，取得了很好的效益。變頻器應(yīng)用電力半導(dǎo)體器件和大量的控制器件，與常規(guī)調(diào)速方式相比，可靠性降低，且對電網(wǎng)造成諧波污染；運行過程中，與特殊工況的匹配問題，受現(xiàn)場環(huán)境影響老化問題等都是企業(yè)管理、運行人員關(guān)注的焦點。

本文簡要介紹了石化企業(yè)變頻器應(yīng)用情況，總結(jié)變頻器存在的共性問題。介紹變頻器生產(chǎn)制造企業(yè)及設(shè)計施工單位遵循的測試標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合特殊工藝要求，提出石化企業(yè)關(guān)注的性能測試指標(biāo)。介紹變頻器測試平臺運行原理，利用平臺可為性能評估、預(yù)知性檢修提供依據(jù)。

1 石化企業(yè)變頻器應(yīng)用概況

油氣田采油、采氣設(shè)備，如游梁式抽油機、螺桿泵抽油機、電潛泵、注水電機、抽氣機等大量應(yīng)用變頻器。隨著變頻器價格的降低，可靠性、適應(yīng)性的提高，油田的泵類機械逐步改為變頻調(diào)速，可以達(dá)到柔性調(diào)參，提高產(chǎn)液量，降低機械沖擊的目的。氣田對排采連續(xù)性要求更高，基本采用變頻調(diào)速。

煉化企業(yè)的煉油、烯烴、芳烴、熱電等多種工藝采用變頻調(diào)速技術(shù)，如反應(yīng)物攪拌、物料輸送、氣體壓縮、送風(fēng)排風(fēng)等使用了容量、種類繁多的變頻器。風(fēng)機、泵類經(jīng)過變頻改造后節(jié)能效果明顯，薄膜拉伸機等特殊工藝必須使用變頻器才能達(dá)到質(zhì)量要求[1]。

2 變頻器測試參數(shù)分析

2.1 油氣田企業(yè)變頻器參數(shù)分析

油田中使用最頻繁、耗電量最多的設(shè)備是抽油機，氣田采氣機原理與抽油機基本相同，只是容量較小。選擇游梁式抽油機對現(xiàn)場關(guān)心的參數(shù)進(jìn)行分析，包括：正常運行時，電網(wǎng)功率因數(shù)是否降低、電機效率是否提高；變頻器采用二極管不可控整流時，諧波畸變率是否超標(biāo)；電網(wǎng)異常波動時，包括電網(wǎng)出現(xiàn)尖峰電壓，三相不平衡，電壓波形畸變，晶閘管加熱器諧波污染等，變頻器抗干擾能力如何；負(fù)載異常波動時，變頻器極限運行能力如何；油井卡砂或結(jié)蠟，在過載、過流狀態(tài)下變頻器能否工作；發(fā)生故障時，變頻器保護(hù)功能是否完備；抽油機野外環(huán)境運行，變頻器出現(xiàn)控制板短路、風(fēng)扇堵轉(zhuǎn)等故障時，變頻器能否自鎖保護(hù)；抽油機配重不平衡，泵升電壓過高，耗能電阻能否快速投入運行，過壓保護(hù)能否快速動作[2-4]。

2.2 煉化企業(yè)變頻器參數(shù)分析

煉化企業(yè)中大部分電能消耗在風(fēng)機、泵類負(fù)載中。風(fēng)機和泵類工作特性大體相同，因此選擇泵類來分析現(xiàn)場關(guān)心的參數(shù)。參數(shù)包括：正常運行時，變頻器性能表現(xiàn)如何；變頻改造后，泵類電機效率，輸入功率是否提高；離心泵、往復(fù)泵轉(zhuǎn)矩特性是否與變頻器特性匹配；變頻器諧波是否對計量儀表、控制系統(tǒng)造成干擾，是否會引起繼電保護(hù)裝置勿動；電網(wǎng)異常波動時，變頻器抗干擾的能力如何；電網(wǎng)發(fā)生晃電，能否保證器件不被擊穿，是否具有低電壓穿越能力；負(fù)載異常波動時，變頻器極限運行能力如何；反應(yīng)釜內(nèi)液體凝固阻力增大，變頻器是否具有短時過載、過流工作能力；故障時，變頻器保護(hù)功能是否完備；液體沉淀造成離心輸液泵憋泵，變頻器能否過熱保護(hù)[5-8]。

2.3 變頻器測試參數(shù)提煉

綜合以上石油、煉化企業(yè)變頻器使用情況，并考慮測試系統(tǒng)、測試參數(shù)的通用性、可行性，選擇如下幾種測試指標(biāo)：

（1）額定運行測試——變頻器帶額定負(fù)載運行時，測量輸入電壓諧波、電流諧波，輸出電壓諧波、電流諧波，輸入功率因數(shù)，變頻器效率，輸出額定容量；

（2）電網(wǎng)異常測試——包括進(jìn)線側(cè)過壓、欠壓；

（3）負(fù)載異常測試——包括過流、過載能力測試；

（4）保護(hù)功能測試——包括輸出短路、風(fēng)扇故障、泵升電壓測試、安全停車測試；

這些參數(shù)包括三類，第一類為變頻器運行中的基本參數(shù)，包括額定運行測試的內(nèi)容；第二類為變頻器在極端情況下運行的參數(shù)，包括電網(wǎng)異常測試、負(fù)載異常測試；第三類為變頻器在石化企業(yè)特殊工藝裝置條件下的動作情況，包括保護(hù)功能測試。

2.4 變頻器測試標(biāo)準(zhǔn)

變頻器測試主要依據(jù)西安電子技術(shù)研究所（現(xiàn)西安電力電子技術(shù)研究所）起草的標(biāo)準(zhǔn)，及天津電氣傳動設(shè)計研究所（現(xiàn)天津電氣傳動設(shè)計研究所有限公司）起草的標(biāo)準(zhǔn)。

電力電子所標(biāo)準(zhǔn)：

（1）GB/T 3859.1-93《半導(dǎo)體變流器基本要求的規(guī)定》

（2）GB/T 3859.2-93《半導(dǎo)體變流器應(yīng)用導(dǎo)則》

天傳所標(biāo)準(zhǔn)：

（1）GB/T 12668.2-2002《調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)第2部分：一般要求低壓交流變頻電氣傳動系統(tǒng)額定值的規(guī)定》

（2）GB 12668.3-2012《調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)第3部分電磁兼容性要求及其特定的試驗方法》

（3）GB 12668.501-2013《調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)第5-1部分：安全要求、電氣、熱和能量》

（4）GB/T 12668.502-2013《調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)第5-2部分：安全要求、功能》

（5）GB/T 12668.6-2011《調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)第6部分：確定負(fù)載工作制類型和相應(yīng)電流額定值的導(dǎo)則》

（6）GB/T 30844.1-2014《1 kV及以下通用變頻調(diào)速設(shè)備第1部分：技術(shù)條件》

（7）GB/T 30844.2-2014《1 kV及以下通用變頻調(diào)速設(shè)備第2部分：試驗方法》

電力電子所標(biāo)準(zhǔn)和天傳所1-5標(biāo)準(zhǔn)中，多數(shù)測試都是關(guān)于環(huán)境、安全、電磁兼容等內(nèi)容，這些試驗內(nèi)容在型式實驗階段已經(jīng)完成，且這些標(biāo)準(zhǔn)主要針對變頻器生產(chǎn)制造企業(yè)。石化企業(yè)主要關(guān)注變頻器的使用，且暫時只考慮中低壓變頻器測試，因此主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)6和標(biāo)準(zhǔn)7[9]。

3 變頻器測試平臺設(shè)計

3.1 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

設(shè)計測試平臺為雙變頻器對拖測試系統(tǒng)，使平臺滿足不同種類變頻器性能測試需求，被測變頻器電壓分別為380、660、1 140 V三種電壓等級，功率范圍在10~200 kW，輸出頻率不超過50 Hz[10]。

測試平臺提供380、660、1 140三種電壓等級，使用一臺300 kV·A三繞組變壓器，其中一側(cè)副邊為300 kV·A/Y380 V（D220 V），另一側(cè)副邊為300 kV·A/Y1 140 V，D660 V，同時要求變壓器的阻抗較小。陪試系統(tǒng)的電源也來自于中壓電網(wǎng)，這樣的優(yōu)點是測試的輸入諧波指標(biāo)與實際情況相符，不受陪試系統(tǒng)的影響。待測變頻器功率等級應(yīng)與電機相一致，變頻器驅(qū)動小容量電機時，變頻器電流較低，無法測試額定及過電流情況。變頻器驅(qū)動大電機時，電機功率因數(shù)不高，電機空載時變頻器的電流也較大，特殊情況可能超過變頻器的額定電流，限制了電機的帶負(fù)載能力。變頻器功率范圍10 ~ 200 kW，過載測試初步擬定為1.5倍，在此基礎(chǔ)上，選擇15 、37 、90、220 kW 4種典型功率的電機。這4種功率等級的試驗電機覆蓋了7.5~200 kW變頻器的試驗要求。因電壓等級不同，一臺電機只能通過更改Y/D接線適應(yīng)兩個電壓等級，為滿足各種電壓的測試，每個功率等級配置兩臺電機。

陪試系統(tǒng)使用兩種型號電機，功率分別為55kW和315 kW。分成兩個機組，55 kW機組用于測試37 kW以下變頻器，電機供電電壓為380 V；315 kW機組用于測試200 kW以下變頻器，電機供電電壓為380 V。陪試系統(tǒng)使用90、450 kW逆變器各一臺，450 kW AIC整流電源一臺，整流電源的電網(wǎng)側(cè)加裝濾波裝置，進(jìn)線電壓為380 V等級（圖1）。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 測試系統(tǒng)控制設(shè)計

控制部分主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工控機以及PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成。PLC負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制及操作聯(lián)鎖，通過總線控制陪試系統(tǒng)；工控機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集和分析、記錄測試數(shù)據(jù)，人機界面接受控制命令，顯示測試數(shù)據(jù)和狀態(tài)，通過打印機輸出測試報告，控制系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)控制圖

3.3 測試系統(tǒng)儀表與顯示設(shè)計

測量與顯示配置框圖如圖3所示，測量參數(shù)如電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、溫度等模擬信號經(jīng)過傳感器采集以后，送至調(diào)理電路處理，之后傳送給數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號，最后將數(shù)字信號送至上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和顯示。工控機是系統(tǒng)的核心，由它來實現(xiàn)對測試流程的控制，配置通信方式，設(shè)置控制參數(shù)，監(jiān)控整個測試過程，處理采集到的試驗數(shù)據(jù)，并分析處理，顯示試驗波形，存儲實驗結(jié)果，打印實驗報告。

4 總 結(jié)

本文分析了油田、煉化企業(yè)變頻器使用過程中存在的問題，歸納總結(jié)出變頻器評價需要的參數(shù)。根據(jù)變頻調(diào)速國家標(biāo)準(zhǔn)中技術(shù)條件、試驗方法的內(nèi)容，設(shè)計了變頻器對拖試驗平臺，論述了測試系統(tǒng)、電源設(shè)計、陪試系統(tǒng)、測試步驟的設(shè)計內(nèi)容。測試平臺可以為企業(yè)提供變頻器性能評價、預(yù)知性檢修數(shù)據(jù)，提高企業(yè)裝備可靠性水平。

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Research on Performance Evaluation Methods of Inverters for Petroleum and Petrochemical Industry

LI Jun，DU Hong-yong，LIU Wei-gong，SHI Zhen-tang

（Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001，China）

Inverters have been widely used in petroleum and petrochemical industry. In this paper, usage and problems of inverter in petroleum and petrochemicals enterprises were introduced from four aspects of regular operation, grid fluctuation, load exception and protection function. And the performance parameters of the inverter were summarized. The current inverter test standard was analyzed, and the difference of evaluation methods between the petrochemicals and manufacturing enterprises was discussed, and then the suitable evaluation index was put forward. The inverter test platform scheme was designed to provide basis for equipment selection and maintenance, including platform system, motor selection, power supply, support system and test steps.

Inverter; Test standard; Test platform

TN 773

A

1671-0460（2016）06-1185-03

2016-03-26

李君（1984-），男，遼寧省錦州市人，助理工程師，碩士研究生，2012年畢業(yè)于東北大學(xué)電力電子與電氣傳動專業(yè)，研究方向：電氣節(jié)能。E-mail：ljun.fshy@sinopec.com。