“一变多控”在海洋采油平台中的应用

“一变多控”在海洋采油平台中的应用

            杨  浩

（中海油深圳分公司西江油田 广东省深圳市 518000）

摘要：主要介绍了“一边多控”技术在海洋石油平台电力拖动中的应用

关键字：电潜泵；高压变频器；一变多控；

电潜泵作为海上采油的主要工具，其寿命的长短直接影响到原油生产的成本和效率。因此提高电潜泵使用寿命便成了摆在技术人员面前的重要课题。

工频直接启动也叫硬启动，电机在工频状态下直接启动，高压电潜泵马达冲击电流大，绕组温升过高，会造成绝缘的加速老化及机械损伤。另外油稠时电潜泵负载大，往往启动较困难，甚至启动不了。这严重影响了电潜泵的寿命。变频启动又叫软启动，是用逐步提高电动机定子绕组的供电频率来提高电动机速度。这种启动方式降低了电机的端电压和起动电流。与其他的启动方式相比，起动电流小，对设备无冲击力矩，对电网无冲击电流，既不影响其他设备运行又能得到理想的启动特性。但是变频器比较昂贵，采用一对一进行拖动成本就会很高。如何既能降低成本又能够延长电潜泵寿命，“一变多控”就成了很好的选择。

“一变多控”就是一台或多台变频器控制多台电机或电潜泵。“变”指变频器；“多”指不少于三个以上的被控对象；对于海上平台来说，就是用一套或多套变频系统控制多台潜油泵机组分时分别软启动、测井运行、过载启动、正常调产运行、变频/工频切换、停机、数据采集、状态监视等等。

在“一变多控”系统下启动电机，变频器带动电机从0Hz、1Hz、2Hz……慢慢启动起来最后达到50 Hz（或60HZ）稳定运行。当变频电源与工频电源的频率、幅值相位一致时，将在变频状态下运行的电机通过电子器件和控制软件转换到工频电源上运行。该启动方式对机泵无冲击电流，有利于延长机泵使用寿命，有利于稠油状态下使用。同时也减少了变频器的数量，节约了空间和运行成本。工频及变频简易控制流程如图所示（母线电压等级，变频器类型，电机容量不同会有所不同）。

母线

以XJ24-3钻采平台为例，系统由一套中控柜，5台罗宾康高压完美无谐波变频器、26台电控柜和变压器组成。中控柜是“一变多控”系统的控制中心。核心部件为西门子S7-300高精度可编程控制器、PC670彩色触摸式工业计算机及相关控制与操作软件。模块化的PLC系统可以很好地满足自动控制任务。当控制功能增多时，可以自由扩展，十分灵活。PC670人机操作界面集键盘、显示屏，系统软件和用户软件为一体。操作人员只需在屏幕上操作相应的按钮就可进行相应的操作，直观明了。而且与一般的商用计算机相比，稳定性、抗干扰能力和环境适应性更强。

所使用的罗宾康高压完美无谐波变频器正弦波输入，无需滤波。直流环节为电容，电机需要的无功电流由电容提供，而不需要和电网交换，因此变频器输入功率因素高，且在整个速度范围段内基本保持不变。输入功率因数0.95以上，无需功率因数补偿。采用快速功率单元旁路技术，允许每相有不同的功率单元数量。如果三相中的有功率单元发生故障，系统将故障单元自动旁路，在250ms以内从物理上完全旁路掉故障功率单元，中心点漂移，保持三相线电压平衡。采用高高结构，高压直接输出，无需升压变压器，减少了体积。功率单元为抽屉式模块化设计，可以很容易地从变频器中取出，故障功率单元可以在10分钟内由普通的电器技术员换调。用户技术人员可以自己修理功率单元，对功率器件的配套性要求不高。采用矢量控制技术,全数字控制，使控制更加精确。内部使用干式变压器，维护方便，可靠性高。

平台4160V电源进入高压变频柜，经变频开关输出，分别接对应的控制柜出口，实现电潜油泵分时变频软启动、同步切换、互锁保护等功能。该系统采用5变26控，将全部井分为5个井组系统，每台电潜泵由相邻两台变频器控制。当一台变频器发生故障时，另一台可以控制电潜泵。系统灵活性和可靠性非常强。

电潜泵控制柜中安装变频/工频同步切换器，分别对工频和变频回路的相序进行检测，系统启动后，就自动实现变频与工频的相序比较。确保两电源在切换时的相序一致性。当需要由变频向工频切换时，将变频器输出频率保持在 50Hz（或60HZ），此时由变频/工频同步切换器检测工频电源的幅值、频率、相位。当与变频电源相同时，系统给出切换指令，控制变频器停止输出，同时变频开关柜内的真空接触器与电控柜内的变频真空接触器同时断开，约10-15ms，工频接触器吸合，完成变频向工频的切换。同步切换能做到切换电流小于额定工作电流的1.5倍，从而实现无冲击平稳切换。

“一变多控”系统各设备的正常运行是靠网络联络的，包括参数的读、写，指令的执行，数据采集，状态监示等。各站点的网络联接方式可采用PROFIBUS协议网络，每个站点有一个PROFIBUS网络联接器，通过PROFIBUS网线、PROFIBUS网络联接器将各站点联接起来。变频器在一变多控系统中作为PROFIBUS从站，接受主站的控制。中控柜上发出变频启动指令，由主站可编程控制器通过PROFIBUS-DP网络分别与变频器、变频开关柜、电控柜上的PLC通讯，实现对每台电潜油泵的软启动。控制精度可达0.1Hz。井下工具通讯采用MODBUS组成的通讯网络。系统通讯结构示意图如下：

关于工频与变频互锁保护的问题，在软件编程时要考虑电控柜内的工频、变频的切换互锁功能，工频时可由柜内的保护系统保护；变频运行时除工控柜内的保护系统外，变频器本身的保护功能也有效。由于变频器额定容量是按最大负载确定，当其所带的负载太小时原有的保护值就会不起作用。针对这个问题在软件编制时分别按不同泵的实际负载分别设定变频器的保护值，通过检测变频器的输出电流，与PLC内的软件设定值比较，确保在某一负载时，按实际负载进行保护。

实际运行情况表明，系统稳定性极高，即使变频器故障也可以用工频直接启动。非常可靠，充分保证了稳定、高效的生产。另外该系统运行后大大延长了电潜泵的使用寿命，减少了修井次数和停产时间，降低了作业成本。

参考文献：

〔1〕阮友德.PLC,变频器,触摸屏综合应用实训[J]. 中国电力, 2009﹙01﹚.

〔2〕田效伍.交流调速系统与变频器应用[J]. 机械工业, 2011﹙06﹚.