史軒瑋 周建新 孫浩 苗杰

摘 要：為解決特殊工況下海洋平臺專用IP56變頻器散熱問題，進(jìn)行了兩方面研究：一是對原有基于軸流風(fēng)機(jī)散熱的變頻器進(jìn)行升級，在不改變標(biāo)準(zhǔn)變頻器功率模塊結(jié)構(gòu)的前提下，通過對軸流風(fēng)機(jī)防護(hù)體系的升級，對風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行智能化監(jiān)測，達(dá)到了風(fēng)機(jī)能長期穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo);二是增加智能化變頻器散熱系統(tǒng)，對變頻器散熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行長期監(jiān)測，在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不佳時提前報警，協(xié)助現(xiàn)場人員做好變頻器維保工作。

關(guān)鍵詞：海洋平臺;智能;IP56變頻器;散熱

中圖分類號：TE952? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）13-0057-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.016

0??? 引言

在設(shè)計之初，潛油平臺對整個平臺設(shè)備布局、結(jié)構(gòu)要求極其嚴(yán)格，使用環(huán)境初步分為室內(nèi)和室外兩類，室內(nèi)設(shè)備需要空調(diào)、消防、保溫防護(hù)等各類配套設(shè)施，會附加大量額外費(fèi)用。經(jīng)過設(shè)計和調(diào)試，在電潛泵控制變頻器基礎(chǔ)上，開發(fā)出了海洋平臺專用IP56變頻器[1]，其能直接安裝在平臺甲板上，無須額外附加設(shè)施，大大降低了整體費(fèi)用。防護(hù)等級是指按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢驗(yàn)方法，外殼對接近危險部件、防止固體異物或水進(jìn)入所提供的保護(hù)程度。IP5X是指雖不能完全防止灰塵侵入，但灰塵的侵入量不會影響電器的正常運(yùn)作;IPX6是指任意方向直接受到水的噴射都不會進(jìn)入內(nèi)部。

但在變頻器實(shí)際使用過程中，設(shè)備外循環(huán)散熱系統(tǒng)的主要軸流風(fēng)機(jī)，因?yàn)榍捌谑┕きh(huán)境過于惡劣，風(fēng)機(jī)外罩中進(jìn)入大量鐵屑，外加海洋平臺現(xiàn)場環(huán)境較為潮濕，雖然灰塵的進(jìn)入未對設(shè)備造成直接影響，但是運(yùn)行一定時間后，潮濕的灰塵粘附在風(fēng)機(jī)扇葉上，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)長時間重心偏移運(yùn)行，磨損軸承，造成散熱效果不佳，設(shè)備無法正常散熱，產(chǎn)生高溫報警停機(jī)故障。本文針對IP56變頻器使用過程中遇到的風(fēng)機(jī)損壞、設(shè)備高溫報警停機(jī)等情況，從增加風(fēng)機(jī)智能化監(jiān)測系統(tǒng)的處理方案出發(fā)，介紹了海洋平臺IP56變頻器散熱系統(tǒng)的升級過程。

1??? 故障原因分析

現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用的某平臺位于渤海灣，夏天變頻器所處環(huán)境溫度最高可達(dá)40 ℃，冬天變頻器所處環(huán)境最低溫度可至零下20 ℃。設(shè)備前期陸地安裝時環(huán)境較為惡劣，連接動力電纜時柜門無法關(guān)閉，柜體無法完全防護(hù)，上電前清理不到位，沒有完全清理干凈，設(shè)備內(nèi)部器件滿是灰塵、鐵屑等雜質(zhì);安裝至平臺后，位于采油平臺的甲板面上，屬于戶外安裝，現(xiàn)場不具備空調(diào)、風(fēng)機(jī)等可對局部空間溫度進(jìn)行調(diào)整的條件。由于變頻器前期防護(hù)不到位，現(xiàn)場為室外安裝，變頻器運(yùn)行后風(fēng)機(jī)散熱效果不佳;加上所處環(huán)境除了四季、早晚溫差較大，還存在空氣中所含鹽霧量大、濕度大、塵土多等問題。以上客觀因素和天氣條件都給設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

在設(shè)備運(yùn)行最初的兩年時間里，有近十臺軸流風(fēng)機(jī)出現(xiàn)了故障，原因均為軸流風(fēng)機(jī)軸承腐蝕、扇葉銹蝕，如圖1所示。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)問題的風(fēng)機(jī)設(shè)備安裝位置均在風(fēng)口或靠近平臺懸邊的區(qū)域。隨即將安裝位置臨近懸邊的變頻器風(fēng)機(jī)與安裝位置靠里的變頻器風(fēng)機(jī)進(jìn)行對比，安裝位置靠里的風(fēng)機(jī)雖也出現(xiàn)了腐蝕情況，但整體腐蝕程度要遠(yuǎn)低于位于懸邊的變頻器風(fēng)機(jī)。

綜合以上檢測、對比、分析，判定變頻器故障是由于扇葉積塵嚴(yán)重、腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)軸承卡堵、銹蝕，磨損加快，運(yùn)行一段時間后軸承損壞，風(fēng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動，進(jìn)而造成變頻器散熱能力減弱，功率單元超過100 ℃后，報“變頻器過熱”停機(jī)。

2??? 風(fēng)機(jī)防護(hù)升級

延長軸流風(fēng)機(jī)的使用壽命可從增強(qiáng)風(fēng)機(jī)自身性能及提高風(fēng)機(jī)外部防護(hù)等級兩方面入手：

（1）增強(qiáng)風(fēng)機(jī)自身性能：由于現(xiàn)場工作條件有限，可以適應(yīng)現(xiàn)場工況的風(fēng)機(jī)無法與變頻器相匹配，因此增強(qiáng)風(fēng)機(jī)自身性能方面的可實(shí)施性不高。

（2）提高風(fēng)機(jī)外部防護(hù)等級：雖然風(fēng)機(jī)安裝位置在變頻柜內(nèi)部，但考慮到柜體所需的IP56防護(hù)等級，只能為風(fēng)機(jī)提供單獨(dú)的風(fēng)道。若在風(fēng)道內(nèi)對外部輸入的空氣進(jìn)行過濾，將空氣中的濕氣、鹽霧、塵土濾除，那么就可以有效延長風(fēng)機(jī)的使用壽命。

考慮到升級的難易程度以及后期改造的實(shí)際情況，可以通過以下三個措施對風(fēng)機(jī)防護(hù)進(jìn)行優(yōu)化：

（1）如圖2所示，在變頻器進(jìn)氣格柵處以增加濾棉的形式，改善軸流風(fēng)機(jī)的工作條件。

（2）考慮到濾網(wǎng)吸附滿后會嚴(yán)重影響進(jìn)風(fēng)量，根據(jù)現(xiàn)場情況制訂了濾網(wǎng)定期更換的制度，保障了濕氣、鹽霧、塵土的有效濾除。

（3）定期清潔通風(fēng)格柵，保障風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

3??? 風(fēng)機(jī)狀態(tài)智能化監(jiān)測系統(tǒng)

3.1??? 風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)原理

如何采集現(xiàn)場變頻器溫度以及采集溫度位置，是準(zhǔn)確反饋設(shè)備運(yùn)行情況的重點(diǎn)，同時也是智能化監(jiān)測不可或缺的一部分。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，通過采集變頻器模塊溫度以及柜內(nèi)環(huán)境溫度，可以直觀地反映出設(shè)備運(yùn)行情況：

（1）設(shè)備負(fù)載變化不大時，變頻器溫度提升，環(huán)境溫度不變，說明風(fēng)機(jī)散熱能力下降，需要準(zhǔn)備風(fēng)機(jī)備件，擇時更換;

（2）設(shè)備負(fù)載變化不大時，變頻器溫度提升，環(huán)境溫度提升，說明濾棉、格柵需要清潔、更換。

3.2??? 風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

原有控制系統(tǒng)是使用原廠配套控制卡（CI卡）進(jìn)行控制邏輯編程，觸摸屏人機(jī)界面通過MODBUS RTU與變頻器進(jìn)行RS485通信。升級后，將三組PT100溫度傳感器作為最高溫度檢測裝置安裝到正弦電抗三相孔隙內(nèi)，如圖3所示;第四組PT100溫度傳感器安裝到柜體頂部模塊上方檢測柜內(nèi)空間溫度。

如圖4所示，連接到智能溫度控制儀表采集四組溫度后，經(jīng)過通信參數(shù)設(shè)置，與柜內(nèi)人機(jī)界面HMI進(jìn)行RS232通信，將溫度數(shù)值和報警狀態(tài)傳遞至人機(jī)界面進(jìn)行顯示，同時人機(jī)界面通過通信將溫度數(shù)值和報警設(shè)定值數(shù)據(jù)傳遞至CI卡內(nèi)。

CI卡經(jīng)過邏輯計算實(shí)現(xiàn)溫度邏輯保護(hù)功能[2]?，F(xiàn)場人員根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求在圖5人機(jī)HMI畫面上設(shè)置和調(diào)整設(shè)備溫度限值，并將其傳輸至控制卡內(nèi)，控制卡通過程序?qū)Σ杉降臏囟扰c設(shè)定溫度進(jìn)行比較，判定比較結(jié)果，并將判定結(jié)果傳至中控，以便于現(xiàn)場操作人員第一時間發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行處理。

3.3??? 風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)測試

系統(tǒng)升級后，對溫度報警值和關(guān)斷值進(jìn)行設(shè)定，暫不投入使用，將風(fēng)機(jī)電源關(guān)斷，變頻器運(yùn)行一段時間后溫度顯著提升，直至最高70 ℃;風(fēng)機(jī)投入使用后，溫度明顯降低，直至43 ℃。風(fēng)機(jī)投入前后的溫度變化對比圖如圖6所示。

4??? 結(jié)語

本文針對戶外安裝的IP56變頻器散熱系統(tǒng)中存在的不足進(jìn)行了分析，并介紹了如何通過相對簡易、有效的技術(shù)手段將散熱系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況智能化地傳遞到現(xiàn)場中控，使得現(xiàn)場的散熱系統(tǒng)能長久高效運(yùn)行。主要技術(shù)手段如下：（1）對原有基于軸流風(fēng)機(jī)散熱的變頻器進(jìn)行升級，在不改變標(biāo)準(zhǔn)變頻器功率模塊結(jié)構(gòu)的前提下，通過對軸流風(fēng)機(jī)防護(hù)體系的升級，對風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行智能化監(jiān)測，達(dá)到了風(fēng)機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo);（2）增加智能化變頻器散熱系統(tǒng)，對變頻器散熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行長期監(jiān)測，在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不佳時提前報警，協(xié)助現(xiàn)場人員做好變頻器維保工作。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張嶸.海洋平臺甲板直裝型潛油電泵專用變頻控制柜開發(fā)[J].油氣田地面工程，2017，36（9）：65-68.

[2] 施耐德電氣.ATV61變頻器編程手冊[Z]，2017.

收稿日期：2022-04-11

作者簡介：史軒瑋（1981—），男，天津人，工程師，從事潛油平臺地面設(shè)備調(diào)試、故障處理及升級改造技術(shù)支持工作。