國產(chǎn)中壓變頻器在海洋石油平臺的應(yīng)用

徐建東，李長偉，郝　明，劉樹慰

(海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計公司，天津　300451)

國內(nèi)海上石油平臺的規(guī)模在不斷增大，部分大型工藝生產(chǎn)設(shè)備有變頻調(diào)速的需求。該類設(shè)備容量一般在1 000 kW以上，該容量級別電氣設(shè)備均為中壓范疇，如果采用變頻調(diào)速需要考慮中壓變頻器。以往中壓變頻器價格高昂，考慮到成本控制一般海洋油氣平臺基本不考慮使用，而是采用其他變通方案。近年來隨著中壓變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，在不斷提高調(diào)速性能以及穩(wěn)定可靠性的同時，價格更趨于合理，海上石油平臺也逐漸開始選用中壓變頻器。

對于平臺上的中壓變頻器選擇，由于海洋平臺遠離陸地，運輸、吊裝費用高昂，平臺設(shè)備安裝空間狹小條件有限，故對變頻器可靠性要求極高，需要故障后能夠及時恢復(fù)，所以海洋平臺上采用的中壓變頻器，基本以進口品牌為主。隨著國產(chǎn)中壓變頻器的技術(shù)水平的提高，其穩(wěn)定型已十分成熟，價格與進口品牌相比更是優(yōu)勢明顯，目前一些海洋平臺項目開始采用國產(chǎn)中壓變頻器。

1　中壓變頻器的主要類型

受功率器件耐壓能力的限制，中壓變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)至今沒有形成較為統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)[1-3]，在性能指標及價格上也有很大的不同。

圖1　中壓變頻器分類

其中交交變頻器和交直交變頻器中的LCI型變頻器目前已不是主流拓撲結(jié)構(gòu)。[5]

電流源型變頻器主要以國外品牌為主，產(chǎn)品以LCI變頻器(ABB)及SGCT電流源型變頻器(羅克韋爾)為代表。在IGBT及IGCT等功率器件發(fā)展成熟以后，更多廠家采用的是電壓源型變頻器，此類變頻器可以分為中性點箝位型IGBT變頻器、中性點箝位型IGCT變頻器及單元串聯(lián)多電平變頻器。

2　適用于海洋石油平臺需求的國外主流品牌

國內(nèi)外中壓變頻器品牌眾多，以進口品牌為主，均形成了系列化的產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實現(xiàn)全數(shù)字化，幾乎所有的產(chǎn)品均具有矢量控制功能。其中比較有代表性的廠家為ABB，SIEMENS，AB和TMEIC等廠家。各廠家均有不同系列的產(chǎn)品，海洋石油平臺中壓變頻需求主要在1 000～3 000 kW范圍，負荷主要是往復(fù)式壓縮機等。在這個功率區(qū)間范圍，ABB的產(chǎn)品是ACS2000系列，SIEMENS是GH180系列(收購的美國羅賓康ROBICON技術(shù))，AB的產(chǎn)品是PowerFlex7000系列產(chǎn)品，TMEIC的產(chǎn)品是TMdrive-MVG2系列產(chǎn)品。其中ACS2000、PowerFlex7000系列均有二極管整流DFE和有源前端AFE細分產(chǎn)品，而TMEIC的TMdrive-MVG2是二極管整流DFE，TMdrive-MVe2是有源前端AFE?？紤]到如下3點因素，海洋石油平臺一般只采用多脈沖二極管整流DFE方式。①無需能量回饋電網(wǎng)，2象限即可滿足要求；②多脈沖二極管整流可以滿足電網(wǎng)側(cè)諧波限值需求；③AFE產(chǎn)品價格較DFE產(chǎn)品高出很多，需要控制成本。

各廠家以上系列產(chǎn)品的主要配置和性能對比參見表1。

表1　國外主流品牌主要配置和性能對比

3　國產(chǎn)品牌現(xiàn)狀

絕大多數(shù)國產(chǎn)中壓變頻器廠家采用單元串聯(lián)多電平電壓源型拓撲結(jié)構(gòu)。隨著國內(nèi)廠家的大力投入和經(jīng)驗的積累，該項技術(shù)已完全被國內(nèi)廠家掌握，在穩(wěn)定性和功能上國產(chǎn)中壓變頻器已經(jīng)可以與進口變頻器相比肩。國產(chǎn)中壓變頻器的主要配置和性能均可以達到表1中SIEMENS的GH180系列產(chǎn)品的水平，而就性能價格比而言，國內(nèi)的中壓變頻器明顯優(yōu)于國外品牌產(chǎn)品。

海洋石油平臺有變頻需求的中壓負載主要是往復(fù)式壓縮機，屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，并且平臺沒有能量回饋電網(wǎng)的需求。國產(chǎn)中壓變頻器采用的單元串聯(lián)多電平電壓源型結(jié)構(gòu)完全可以滿足各項性能的要求，在實際項目中重點關(guān)注變頻器的啟動轉(zhuǎn)矩和運行轉(zhuǎn)矩與負載的匹配性即可。經(jīng)統(tǒng)計，國產(chǎn)中壓變頻器相對國外品牌可以節(jié)省成本至少30%以上。

4　實際海上項目應(yīng)用

4.1項目系統(tǒng)方案

中海油某海上氣田開發(fā)項目，位于南中國海西部，建造一個海上中心平臺，用于天然氣的采集和處理。根據(jù)工藝流程需要，平臺上設(shè)置濕氣壓縮機3臺(2用1備,正常運行時1臺變頻運行，1臺工頻運行)，干氣壓縮機2臺(1用1備，正常運行時需要變頻運行，但工藝流程允許短時間工頻運行)?？紤]到海上石油平臺電網(wǎng)為自發(fā)電的小電網(wǎng)系統(tǒng)，電網(wǎng)抗沖擊能力弱，各壓縮機考慮變頻軟啟。但平臺空間只能考慮4臺變頻器的布置。結(jié)合工藝流程工況分析以及壓縮機功率需求，最終方案確定采用4臺變頻器，其中CEP-VFD-001(6.3 kV，2 240 kW)采用1拖2方式，CEP-VFD-002/003(6.3 kV，1 800 kW)、CEP-VFD-004(6.3 kV，2 240 kW)采用1拖1方式，該方案可以滿足所有工藝流程及單臺設(shè)備檢修倒機工況，主回路接線示意圖如圖2所示。

促進教師提高教學(xué)能力 為了滿足信息化時代的不斷發(fā)展，高職院校的教師要不斷提高自己的專業(yè)水平。微課教學(xué)不能僅僅針對某一節(jié)課進行，而是對教師教學(xué)方式和教學(xué)風(fēng)采的進一步鞏固。這一教學(xué)模式體現(xiàn)了優(yōu)秀教師的價值，而對一些經(jīng)驗尚不豐富的教師來說卻是一個很大的挑戰(zhàn)。微課主要就是要求教師對學(xué)生的教學(xué)主題有一個規(guī)劃，借鑒優(yōu)秀教師的教學(xué)方式，把握最新的教學(xué)方式，在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上合理應(yīng)用微課教學(xué)，促進教師教學(xué)質(zhì)量的提高。

考慮到現(xiàn)場工況、配電條件及檢修等因素，本項目在中壓變頻器輸入側(cè)配置輸入刀閘及預(yù)充磁電阻柜，輸入側(cè)配置輸入刀閘可以方便變頻器出現(xiàn)故障后檢修變頻器，預(yù)充磁電阻柜可以保證變頻器合閘時對電網(wǎng)的沖擊電流小于變壓器額定電流。

在CEP-VFD-001變頻器輸出側(cè)配備輸出電抗器柜及輸出切換柜，輸出電抗器柜內(nèi)配置電抗器和旁路接觸器，輸出切換柜內(nèi)配置2個手動刀閘QS1、QS2，2個真空接觸器KM1、KM2，可以實現(xiàn)壓縮機的變頻啟動、運行、工頻切變頻、變頻切工頻等功能。

圖2　電動機主回路接線示意圖

4.2變頻器功率選型校核

根據(jù)天然氣壓縮機廠家提供的數(shù)據(jù)，該項目負載轉(zhuǎn)矩波動較大，最大轉(zhuǎn)矩達到額定轉(zhuǎn)矩的1.6倍，需要確認電動機及變頻器的功率選型是否滿足要求。

4.2.1高速段仿真

以2 240 kW的干氣壓縮機組為例進行分析，電動機額定轉(zhuǎn)速990 r/min時的負載轉(zhuǎn)矩曲線如圖3所示。

圖3　轉(zhuǎn)速990 r/min時的負載轉(zhuǎn)矩曲線

由圖3知，負載的平均轉(zhuǎn)矩小于20 000 N·m，最大轉(zhuǎn)矩約為3 2821 N·m。最大轉(zhuǎn)矩約為平均轉(zhuǎn)矩的1.6倍。

首先計算電動機的額定轉(zhuǎn)矩Te：

(1)

式中：Te為電動機額定轉(zhuǎn)矩；P為電動機額定功率；n為電動機轉(zhuǎn)速。電動機的額定轉(zhuǎn)矩大于負載的平均轉(zhuǎn)矩，但是小于負載的最大轉(zhuǎn)矩。

由于電動機及負載的轉(zhuǎn)動慣量較大，機電時間常數(shù)較大，波動的負載轉(zhuǎn)矩經(jīng)由一個較大的機電時間常數(shù)的系統(tǒng)驅(qū)動時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩會被濾波，濾波后的轉(zhuǎn)矩才是需要電動機提供的電磁轉(zhuǎn)矩，只要電動機需要的電磁轉(zhuǎn)矩始終在電動機的額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，電動機電流就不會過載。下面仿真分析電動機的電磁轉(zhuǎn)矩。

電動機額定轉(zhuǎn)速990 r/min，即16.5 r/s，每一轉(zhuǎn)的負載曲線如圖3所示，因為圖3的曲線難以進行仿真，我們以圖4的負載曲線進行代替。圖4的負載曲線平均轉(zhuǎn)矩為20 000 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為32 821 N·m，最大轉(zhuǎn)矩的占空比為50%。圖4的負載波動頻率和圖3一致，平均轉(zhuǎn)矩要大于圖3，只要圖4的負載轉(zhuǎn)矩可以滿足要求，則實際的負載轉(zhuǎn)矩時還有裕量。

圖4　轉(zhuǎn)速990 r/min時的等效負載轉(zhuǎn)矩曲線

在PSIM軟件中進行仿真，電動機及負載的轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)廠家數(shù)據(jù)進行設(shè)置，負載曲線按照圖4設(shè)計，仿真后波形如圖5所示。

圖5　高速段仿真波形

由圖5可見，負載轉(zhuǎn)矩為占空比50%的方波，而電動機轉(zhuǎn)矩曲線已經(jīng)被濾為較為平滑的曲線，在平均轉(zhuǎn)矩附近有輕微的波動。

4.2.2低速段校核

根據(jù)廠家提供的壓縮機轉(zhuǎn)矩曲線，轉(zhuǎn)速最低為500 r/min，選取500 r/min時的轉(zhuǎn)矩曲線進行校核。經(jīng)查，最大轉(zhuǎn)矩17 000 N·m，平均轉(zhuǎn)矩10 000 N·m,均小于電動機的額定轉(zhuǎn)矩21 608 N·m，因此，電動機和變頻器均不會過載。

4.2.3仿真校核結(jié)論

因為系統(tǒng)的機電時間常數(shù)較大，負載轉(zhuǎn)矩為高頻的方波式波動曲線，所以電動機轉(zhuǎn)矩被濾為較為平滑的在平均轉(zhuǎn)矩附近的輕微波動的曲線。而變頻器的輸出電流只與電動機的電磁轉(zhuǎn)矩有關(guān)，即電動機的電流也是平滑的曲線，不會有急劇的波動。

電動機轉(zhuǎn)速越低，負載轉(zhuǎn)矩波動的頻率越低，而系統(tǒng)的機電時間常數(shù)基本不變，意味著電動機的電磁轉(zhuǎn)矩波動也會越大。但是，低速時負載轉(zhuǎn)矩降低，最大的負載轉(zhuǎn)矩也小于電動機的額定轉(zhuǎn)矩，電動機及變頻器均不會過載。

綜上所述，因為系統(tǒng)的機電時間常數(shù)較大，高速時負載轉(zhuǎn)矩波動頻率較高，低速時最大負載轉(zhuǎn)矩小于額定轉(zhuǎn)矩，變頻器選型時按照負載的平均轉(zhuǎn)矩選型即可滿足要求。

4.3實際運行效果

該項目已實際投入運行2年左右，變頻器運行狀態(tài)良好，滿足現(xiàn)場各種工況要求，各項指標均在要求范圍之內(nèi)。

5　結(jié)束語

總體來說，海洋平臺上對于中壓變頻器的控制精度和性能要求不高，而可靠性和成本是選擇的主要因素。因此選擇技術(shù)成熟、性價比高的產(chǎn)品是首要的原則。目前變頻器市場中，采用矢量控制的多電平串聯(lián)結(jié)構(gòu)的中壓變頻器技術(shù)已非常成熟，其拓撲結(jié)構(gòu)帶來的固有優(yōu)勢，以及各種提高可靠性的措施，如功率單元旁路、抗電網(wǎng)波動、掉電自恢復(fù)等功能，都非常適用于海洋平臺。國產(chǎn)多電平串聯(lián)結(jié)構(gòu)的中壓變頻器的性能已經(jīng)逐步趕上進口品牌，雖然這種拓撲結(jié)構(gòu)的變頻器不是目前國際上最前沿的技術(shù)，但是完全可以滿足海上石油平臺使用要求，且性價比優(yōu)于國外品牌產(chǎn)品。相信在未來，這種優(yōu)秀的中壓變頻器技術(shù)能夠在海洋平臺上有更大的作為。