油田輕型直流輸電水冷系統(tǒng)優(yōu)化

駱金龍

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

南海某油田采用輕型高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行平臺之間的電力輸送。在高電壓、大功率電力輸送以及電力晶閘管自身功耗（通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗、開關(guān)損耗）會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功率單元（晶閘管閥組）產(chǎn)生大量熱量。為保證穩(wěn)定運(yùn)行，直流輸電系統(tǒng)正負(fù)極閥組各配置了一套獨(dú)立的水冷系統(tǒng)裝置為其降溫。水冷系統(tǒng)包括主循環(huán)回路、去離子回路、氮?dú)夥€(wěn)壓回路、管路及冷卻介質(zhì)、換熱器。主要流程見圖1。

圖1 水冷系統(tǒng)主要流程

高純水（經(jīng)去離子后的蒸餾水）由主循環(huán)泵升壓后，以恒定壓力和流速流經(jīng)空氣換熱器進(jìn)行熱交換，冷卻后的純水進(jìn)入晶閘管閥組散熱器帶走熱量，溫度升高后的純水回流至主循環(huán)泵的進(jìn)口，構(gòu)成密封式循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

純水的溫度由PLC 控制。根據(jù)熱負(fù)荷的變化，PLC 根據(jù)供水溫度變送器反饋的信號調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥閥位來控制進(jìn)入換熱器的冷卻介質(zhì)流量，達(dá)到精確控制冷卻介質(zhì)溫度的目的。

為適應(yīng)大功率電力電子設(shè)備在高電壓條件下的運(yùn)行要求，防止在高電壓環(huán)境下產(chǎn)生漏電流，冷卻介質(zhì)必須具備極低的電導(dǎo)率，因此在主循環(huán)回路上并聯(lián)了去離子水處理回路，即預(yù)設(shè)一定流量的冷卻介質(zhì)流經(jīng)離子交換器，不斷凈化管路中可能析出的離子，然后通過緩沖罐，與主循環(huán)回路冷卻介質(zhì)在主循環(huán)泵（主泵）入口合流。與緩沖罐連接的氮?dú)夥€(wěn)壓系統(tǒng)保持系統(tǒng)管路中冷卻介質(zhì)的充滿及隔絕空氣。系統(tǒng)設(shè)置了電加熱器對純水溫度進(jìn)行強(qiáng)制補(bǔ)償，防止進(jìn)入晶閘管閥組的純水溫度過低導(dǎo)致凝露。

1 存在的問題

1.1 撬外換熱器存在缺陷，導(dǎo)致純水泄漏

水冷系統(tǒng)運(yùn)行1 年左右，由于海上高溫潮濕含鹽環(huán)境影響、換熱器材料問題，水冷系統(tǒng)撬外換器盤管逐步開始出現(xiàn)滲漏。由于換熱器盤管比較密集、層數(shù)較多，不易發(fā)現(xiàn)且無法焊接修復(fù)。初期滲漏大的盤管只能使用儀表管將其旁通棄用。隨著滲漏點(diǎn)增加，考慮到盤管封堵旁通數(shù)量增多后散熱量不能足會(huì)導(dǎo)致閥組溫度升高，對泄漏量小的盤管只能采取臨時(shí)堵漏措施，待純水緩沖罐液位降到警戒線時(shí)再進(jìn)行補(bǔ)液。這樣導(dǎo)致水冷系統(tǒng)補(bǔ)液的頻率越來越高。

1.2 補(bǔ)液位置設(shè)置不合理，操作程序復(fù)雜，停電風(fēng)險(xiǎn)高

當(dāng)系統(tǒng)的高純水液位低值報(bào)警（緩沖罐液位200 mm 報(bào)警，100 mm 關(guān)停）時(shí)，需要進(jìn)行手動(dòng)補(bǔ)液。補(bǔ)液裝置設(shè)置在直流輸系統(tǒng)電撬塊內(nèi)，為了確保人身安全，進(jìn)行補(bǔ)液的條件有2個(gè)，即直流電系統(tǒng)啟動(dòng)前，或者在直流輸電系統(tǒng)單極（正極或負(fù)極）停機(jī)狀態(tài)下。在進(jìn)行單極停機(jī)和啟動(dòng)并機(jī)時(shí)，若并車失敗，系統(tǒng)沖擊可能導(dǎo)致整個(gè)直流輸電系統(tǒng)停機(jī)，致使全油田停電。操作的越頻繁，風(fēng)險(xiǎn)越高。另外，為了滿足單極運(yùn)行的帶載能力和提高并車成功率，直流輸電系統(tǒng)退出單極運(yùn)行前，需要油田將部分設(shè)備退出運(yùn)行，或者油田啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)分擔(dān)部分負(fù)荷，每次補(bǔ)液操作，需要?jiǎng)訂T整個(gè)油田的人員配合，程序復(fù)雜。

2 問題解決方案

2.1 兩套換熱器換型

由于空氣換熱器裸露在功率集裝箱外部，新型空氣換熱器的純水進(jìn)口設(shè)置在換熱器低處加一個(gè)三通，一路安裝隔離閥作為排泄口，便于排液，另一路接隔離閥和單向閥作為新的補(bǔ)液口，蒸餾水只能進(jìn)不能出，為改造補(bǔ)液方式做準(zhǔn)備。純水出口在高處，并設(shè)置排氣閥，便于排氣。新?lián)Q熱器的所有管束、翅片、內(nèi)部框架、外殼、風(fēng)扇支撐板、螺絲螺母等均為316 L 及以上不銹鋼材料；換熱器運(yùn)行荷重1.1 t，含4 臺900 mm 風(fēng)扇，風(fēng)扇作特殊處理，以滿足海洋惡劣環(huán)境的運(yùn)行要求。

2.2 改造補(bǔ)液方式，實(shí)現(xiàn)在線補(bǔ)液

（1）按照水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及以往補(bǔ)充純水的參數(shù)記錄，補(bǔ)充純水時(shí)最主要是要關(guān)注3 個(gè)參數(shù)：純水電導(dǎo)率≤0.2 μS/cm、循環(huán)水泵出口壓力介于（0.25～0.28）MPa、控制補(bǔ)液流量10 L/min。經(jīng)第三方檢驗(yàn)以及日常補(bǔ)液記錄，油田自制的蒸餾水在未進(jìn)行去離子時(shí)其電導(dǎo)率值≤0.11 μS/cm，遠(yuǎn)小于0.2 μS/cm 警戒值，可直接參與系統(tǒng)冷卻。

（2）補(bǔ)液口和泵的控制方式進(jìn)行變更，實(shí)現(xiàn)直流輸電在線補(bǔ)液。將原來在撬內(nèi)的離子罐前端的補(bǔ)液口，改在新撬外換熱器處的補(bǔ)液口，消除了撬內(nèi)空間狹小、周圍高壓設(shè)備帶來人員觸電風(fēng)險(xiǎn)，提供了直流輸電在線補(bǔ)液的條件。將移動(dòng)式外置補(bǔ)液裝置移出撬外，補(bǔ)液前將補(bǔ)液裝置和補(bǔ)液口連接好，給補(bǔ)液泵外接移動(dòng)電源供電，啟動(dòng)泵即可以完成補(bǔ)液操作，補(bǔ)液泵的出口設(shè)計(jì)壓力0.6 MPa，系統(tǒng)運(yùn)行壓力0.25 MPa 左右，遠(yuǎn)大于系統(tǒng)壓力，保證了補(bǔ)充的液體可以注入到系統(tǒng)中。補(bǔ)液裝置包括補(bǔ)液箱、補(bǔ)液泵、流量和壓力控制器，根據(jù)系統(tǒng)要求可以進(jìn)行人工控制補(bǔ)液的壓力和流量。由于蒸餾水已經(jīng)符合純水電導(dǎo)率≤0.2 μS/cm 的要求，新補(bǔ)充的的蒸餾水一部分直接參與系統(tǒng)冷卻，一部分經(jīng)離子交換器進(jìn)行凈化；同時(shí)由于新補(bǔ)充的液體經(jīng)過換熱器盤管回路，有效消除了流量和壓力的波動(dòng)，保持液體的穩(wěn)定。

3 效果

直流輸電水冷系統(tǒng)改造后運(yùn)行近1 年，純水補(bǔ)充次數(shù)由改造前的44 次/年降低為2 次/年；完全實(shí)現(xiàn)了直流輸電系統(tǒng)在正常運(yùn)行的狀態(tài)下進(jìn)行補(bǔ)液工作，極大的降低了頻繁并車操作帶來的停電風(fēng)險(xiǎn)；由于實(shí)現(xiàn)了直流輸電在線補(bǔ)液，消除了直流輸電系統(tǒng)單極帶載不足的問題，減少了部門之間的配合環(huán)節(jié)；簡化了操作程序，一般只需2 人即可操作，降低了人工成本。本次改造成本約45 萬元，將直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性由原來的93%提高到99.9%，為該油田的安全生產(chǎn)提供了保障，效果顯著。