國產中壓變頻器在海洋石油平臺的應用

徐建東，李長偉，郝　明，劉樹慰

(海洋石油工程股份有限公司 設計公司，天津　300451)

國內海上石油平臺的規模在不斷增大，部分大型工藝生產設備有變頻調速的需求。該類設備容量一般在1 000 kW以上，該容量級別電氣設備均為中壓范疇，如果采用變頻調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的不斷發展，在不斷提高調速性能以及穩定可靠性的同時，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，所以海洋平臺上采用的中壓變頻器，基本以進口品牌為主。隨著國產中壓變頻器的技術水平的提高，其穩定型已十分成熟，價格與進口品牌相比更是優勢明顯，目前一些海洋平臺項目開始采用國產中壓變頻器。

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構至今沒有形成較為統一的結構[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構。[5]

電流源型變頻器主要以國外品牌為主，產品以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品，其控制系統也已實現全數字化，幾乎所有的產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，負荷主要是往復式壓縮機等。在這個功率區間范圍，ABB的產品是ACS2000系列，SIEMENS是GH180系列(收購的美國羅賓康ROBICON技術)，AB的產品是PowerFlex7000系列產品，TMEIC的產品是TMdrive-MVG2系列產品。其中ACS2000、PowerFlex7000系列均有二極管整流DFE和有源前端AFE細分產品，而TMEIC的TMdrive-MVG2是二極管整流DFE，TMdrive-MVe2是有源前端AFE。考慮到如下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，2象限即可滿足要求；②多脈沖二極管整流可以滿足電網側諧波限值需求；③AFE產品價格較DFE產品高出很多，需要控制成本。

各廠家以上系列產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　國產品牌現狀

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

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

4　實際海上項目應用

4.1項目系統方案

中海油某海上氣田開發項目，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。根據工藝流程需要，平臺上設置濕氣壓縮機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)。考慮到海上石油平臺電網為自發電的小電網系統，電網抗沖擊能力弱，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。

促進教師提高教學能力 為了滿足信息化時代的不斷發展，高職院校的教師要不斷提高自己的專業水平。微課教學不能僅僅針對某一節課進行，而是對教師教學方式和教學風采的進一步鞏固。這一教學模式體現了優秀教師的價值，而對一些經驗尚不豐富的教師來說卻是一個很大的挑戰。微課主要就是要求教師對學生的教學主題有一個規劃，借鑒優秀教師的教學方式，把握最新的教學方式，在傳統教學的基礎上合理應用微課教學，促進教師教學質量的提高。

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

在CEP-VFD-001變頻器輸出側配備輸出電抗器柜及輸出切換柜，輸出電抗器柜內配置電抗器和旁路接觸器，輸出切換柜內配置2個手動刀閘QS1、QS2，2個真空接觸器KM1、KM2，可以實現壓縮機的變頻啟動、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

根據天然氣壓縮機廠家提供的數據，該項目負載轉矩波動較大，最大轉矩達到額定轉矩的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，電動機額定轉速990 r/min時的負載轉矩曲線如圖3所示。

圖3　轉速990 r/min時的負載轉矩曲線

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

首先計算電動機的額定轉矩Te：

(1)

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

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

電動機額定轉速990 r/min，即16.5 r/s，每一轉的負載曲線如圖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的負載曲線平均轉矩為20 000 N·m，最大轉矩為32 821 N·m，最大轉矩的占空比為50%。圖4的負載波動頻率和圖3一致，平均轉矩要大于圖3，只要圖4的負載轉矩可以滿足要求，則實際的負載轉矩時還有裕量。

圖4　轉速990 r/min時的等效負載轉矩曲線

在PSIM軟件中進行仿真，電動機及負載的轉動慣量根據廠家數據進行設置，負載曲線按照圖4設計，仿真后波形如圖5所示。

圖5　高速段仿真波形

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

4.2.2低速段校核

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

4.2.3仿真校核結論

因為系統的機電時間常數較大，負載轉矩為高頻的方波式波動曲線，所以電動機轉矩被濾為較為平滑的在平均轉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矩有關，即電動機的電流也是平滑的曲線，不會有急劇的波動。

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

綜上所述，因為系統的機電時間常數較大，高速時負載轉矩波動頻率較高，低速時最大負載轉矩小于額定轉矩，變頻器選型時按照負載的平均轉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，變頻器運行狀態良好，滿足現場各種工況要求，各項指標均在要求范圍之內。

5　結束語

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。因此選擇技術成熟、性價比高的產品是首要的原則。目前變頻器市場中，采用矢量控制的多電平串聯結構的中壓變頻器技術已非常成熟，其拓撲結構帶來的固有優勢，以及各種提高可靠性的措施，如功率單元旁路、抗電網波動、掉電自恢復等功能，都非常適用于海洋平臺。國產多電平串聯結構的中壓變頻器的性能已經逐步趕上進口品牌，雖然這種拓撲結構的變頻器不是目前國際上最前沿的技術，但是完全可以滿足海上石油平臺使用要求，且性價比優于國外品牌產品。相信在未來，這種優秀的中壓變頻器技術能夠在海洋平臺上有更大的作為。