海上平臺國產中壓變頻器綜合適應性改造

劉康民

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司廣東湛江 524057）

1 中壓變頻器的海上應用現狀與發展

1.1 中壓變頻器的應用：

隨著變頻調速技術的發展，中壓變頻器也得到了廣泛的應用。中壓變頻器可以實現無級調速，滿足生產工藝過程對電動機調速控制的要求，同時還能夠大幅度節約能量、提高產品的產量和降低生產成本。

以海上某平臺為例，工藝生產流程中采用5臺國產大型往復式壓縮機，其中3臺濕氣壓縮機，每臺功率達到1800KW,2臺干氣壓縮機，每臺功率2200KW，是中國海油首次實現大功率往復式壓縮機國產化應用。其中，3臺濕氣壓縮機設計為兩級壓縮，2臺干氣壓縮機設計為一級壓縮。5臺壓縮機機體品牌一致，機械結構基本一致，拖動系統均采用國產中壓變頻器拖動電機驅動運行。

工藝流程圖如下：

圖1-1 某平臺工藝生產流程簡圖

1.2 中壓變頻器的優點

①控制電機啟動電流：受到海上平臺空間結構限制，平臺電力系統容量有限，而天然氣壓縮機功率在1800KW到2200KW,啟動電流極大，直接啟動會產生電涌嚴重影響其他設備安全正常運行，而使用變頻器啟動能充分降低啟動電流，提高電機繞組使用壽命，同時保護平臺電力系統及其他用電設備。

②可控的加速功能：通過對對壓縮機啟動條件的參數設置，達到現場壓縮機平穩啟動至所需轉速，以達到持續穩定生產的目的。

③可調的運行速度：利用變頻器調速功能，能夠優化現場工藝生產過程，并并能夠根據現場工況迅速做出改變，還可以通過遠程控制PLC或其他控制器來實現速度靈活變化。

④受控的停止方式：利用變頻器不同的停止方式選擇（減速停車自由停車直流制動），同樣能減少壓縮機這樣的大型設備機械部件和電機的沖擊，從而使整個系統更加可靠，設備壽命也相應增加。

⑤全面的多重保護：中壓變頻器具有輕故障，重故障及變頻器參數保護定值設置等3大項27類保護，對中壓變頻器本身，電機，以及平臺電網系統起到全方位保護。

2 國產化中壓變頻器海上應用存在問題與適應性改造

2.1 巧用PLC自帶頻率轉換解決壓縮機轉速無法測量的問題

壓縮機機頭與電機通過飛輪的轉軸連接，最先設計測轉速的方式為通過轉速探頭測量得到脈沖頻率信號，然后進入PLC程序中使用PLC內部高速計數器進行計數，并對數據進行處理計算得出轉速。但在設計時，考慮到成本問題，未在電機內部設置相應的轉速探頭，當壓縮機出現飛車等意外情況時，現場沒有有效的轉速反饋信號去執行關斷邏輯，將導致嚴重的生產事故和設備損壞。

適應性改造措施如下：

如果增加轉速探頭，從工程量來看，需要現場對大型壓縮機進行解體，安裝合適的轉速探頭，并且需要增加與之匹配的轉換模塊，增加控制上的邏輯反饋點等，資金投入很大，改造時間很長，且改造后的探頭能否與電機匹配還需實際驗證。因此，決定利用變頻器的頻率信號來轉換為飛輪的轉速信號。利用數學基本的等比例關系，將電機頻率信號和飛輪轉速信號進行計算，即頻率越高轉速越高，變頻器0～50Hz 對應電機轉速0～990 RPM （電機與飛輪轉速一致）。變頻器再將4～20mA電流信號傳給現場控制盤，經過儀表控制模塊轉化后即可得到電機轉速，且數值準確。此種方案只需在程序上稍作改動即可實現。硬件上也只需重新鋪設變頻器至現場控制柜通訊電纜，修改PLC程序，進行數據轉換，增加顯示畫面：

最終在畫面上得到實際轉速顯示：

圖2-1-1

在不改造壓縮機機械構件和不增加PLC模塊的情況下，通過更改取樣點和修改PLC程序的方式，高效實現了壓縮機轉速監控功能。

2.2 巧改控制回路，修正壓縮機運行狀態指示

由于前期設計的原因，該平臺的其中一臺變頻器（1#）屬于“一拖二”工作模式，即一臺變頻器拖動兩臺壓縮機。由于帶載功率大，又屬于“一拖二”模式，因此該變頻器有一臺輸出切換柜，正常狀態下，該輸出切換柜的隔離刀閘QS1（濕氣）,QS2（干氣），兩臺壓縮機運行狀態信號，取自該兩個隔離刀閘開關狀態。在正常工作模式下，由于兩個隔離刀閘開關沒有切斷負荷電流的能力，常態下該隔離開關長期處于閉合狀態，因此，當兩臺壓縮機都在停止狀態時，兩臺運行指示燈保持常亮，顯示兩臺壓縮機都在運行，而當1#變頻器帶動一臺其中一臺壓縮機時，兩臺壓縮機運行狀態指示燈同時保持常亮，無法對在運行的壓縮機狀態進行正確指示，如圖：

圖2-2-1QS1,QS2隔離刀閘長期處于閉合狀態

適應性改造措施如下：

因此將顯示干濕氣壓縮機運行信號取點改為輸出切換柜KM1和KM2的狀態點，達到運行時在面板上正確顯示的目的。

圖2-2-2 將運行顯示狀態點改為從兩臺變頻輸出接觸器取

KM1 和 KM2 為該輸出切換柜的兩個變頻器下端輸出接觸器，與其相連的便是現場兩臺壓縮機，通過對兩個接觸器狀態的選取，能夠更加直接反映所運行的變頻器的實時狀態。

再將此狀態信號從PLC輸出PLCE1模塊上DQa0.6/0.7控制的備用中間繼電器CR17（濕氣）和CR18（干氣）的常閉點（由于PLC里邊取自反邏輯，因此取閉點）

圖2-2-3 取CR17,CR18備用輸出點

最終將取自CR17和CR18的長閉觸點分別引入1#變頻器的中壓柜的運行狀態輸出二次回路中去，經過測試后，狀態顯示正常。如圖：

圖2-2-4 長閉觸點分別引入中壓柜狀態顯示回路

2.3 修改變頻器關斷邏輯，保障壓縮機運行穩定

在現場調試階段，對1#變頻器（一拖二）邏輯控制進行測試時，存在一個問題：當不受變頻器控制的壓縮機，在維修，失電狀態下，會直接關斷變頻器，如果此時變頻器正在驅動另一臺變頻器，將造成被驅動的壓縮機會不正常停機。

換句話說目前的設計邏輯，沒有對來自兩個壓縮機控制盤的的急停信號進行區分，這樣就造成，任意一臺壓縮機控制盤的急停，失電，中控ESD.都會將1#變頻器停掉。

適應性改造如下：

使用輸出切換柜內輸出接觸器KM1和KM2的狀態，分別對來自干氣壓縮機A（包括ESD）和濕氣壓縮機A（包括ESD）的急停信號進行并聯，已達到區分兩臺壓縮機在特殊狀況下急停信號的目的，如圖：

圖2-3-1 取該備用輸出點

將兩臺壓縮機的ESD信號并聯，如圖：

圖2-3-2 將兩臺壓縮機ESD信號并聯，接入現場控制盤

經過現場重新拉設電纜和接線，在后續的測試和調試過程中，1#變頻器很好的實現了對應壓縮機緊急關斷的功能。

3 結束語

由于海洋石油平臺的工藝生產連續性，穩定性和要求，對于壓縮機及其變頻器的運行可靠性的標準會更高，更是相對于國內中高壓變頻器來說，國外中高壓變頻器的品牌一直是國內市場主力，而通過對該海上油氣平臺首次大規模應用國產化中壓變頻器海上調試的過程，進一步解決了國產中高壓變頻器與海上生產需求之間存在的矛盾，與技術上的缺陷，通過不斷的調整與適應性改造，國產中壓變頻器最終能夠適應海洋石油平臺工藝生產需求，持續穩定運行，本項目的適應性改造也為以后國內同行業在對國中高壓變頻器應用方面提供了范本。