海洋平臺專用IP56變頻器散熱系統智能化升級

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，進行了兩方面研究：一是對原有基于軸流風機散熱的變頻器進行升級，在不改變標準變頻器功率模塊結構的前提下，通過對軸流風機防護體系的升級，對風機運轉情況進行智能化監測，達到了風機能長期穩定運行的目標;二是增加智能化變頻器散熱系統，對變頻器散熱風機進行長期監測，在風機運轉不佳時提前報警，協助現場人員做好變頻器維保工作。

關鍵詞：海洋平臺;智能;IP56變頻器;散熱

中圖分類號：TE952? 文獻標志碼：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

在設計之初，潛油平臺對整個平臺設備布局、結構要求極其嚴格，使用環境初步分為室內和室外兩類，室內設備需要空調、消防、保溫防護等各類配套設施，會附加大量額外費用。經過設計和調試，在電潛泵控制變頻器基礎上，開發出了海洋平臺專用IP56變頻器[1]，其能直接安裝在平臺甲板上，無須額外附加設施，大大降低了整體費用。防護等級是指按標準規定的檢驗方法，外殼對接近危險部件、防止固體異物或水進入所提供的保護程度。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作;IPX6是指任意方向直接受到水的噴射都不會進入內部。

但在變頻器實際使用過程中，設備外循環散熱系統的主要軸流風機，因為前期施工環境過于惡劣，風機外罩中進入大量鐵屑，外加海洋平臺現場環境較為潮濕，雖然灰塵的進入未對設備造成直接影響，但是運行一定時間后，潮濕的灰塵粘附在風機扇葉上，導致風機長時間重心偏移運行，磨損軸承，造成散熱效果不佳，設備無法正常散熱，產生高溫報警停機故障。本文針對IP56變頻器使用過程中遇到的風機損壞、設備高溫報警停機等情況，從增加風機智能化監測系統的處理方案出發，介紹了海洋平臺IP56變頻器散熱系統的升級過程。

1??? 故障原因分析

現場實際應用的某平臺位于渤海灣，夏天變頻器所處環境溫度最高可達40 ℃，冬天變頻器所處環境最低溫度可至零下20 ℃。設備前期陸地安裝時環境較為惡劣，連接動力電纜時柜門無法關閉，柜體無法完全防護，上電前清理不到位，沒有完全清理干凈，設備內部器件滿是灰塵、鐵屑等雜質;安裝至平臺后，位于采油平臺的甲板面上，屬于戶外安裝，現場不具備空調、風機等可對局部空間溫度進行調整的條件。由于變頻器前期防護不到位，現場為室外安裝，變頻器運行后風機散熱效果不佳;加上所處環境除了四季、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備的穩定運行帶來了巨大的挑戰。

在設備運行最初的兩年時間里，有近十臺軸流風機出現了故障，原因均為軸流風機軸承腐蝕、扇葉銹蝕，如圖1所示。通過現場調研發現，出現問題的風機設備安裝位置均在風口或靠近平臺懸邊的區域。隨即將安裝位置臨近懸邊的變頻器風機與安裝位置靠里的變頻器風機進行對比，安裝位置靠里的風機雖也出現了腐蝕情況，但整體腐蝕程度要遠低于位于懸邊的變頻器風機。

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重、腐蝕嚴重，導致風機軸承卡堵、銹蝕，磨損加快，運行一段時間后軸承損壞，風機停止轉動，進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。

2??? 風機防護升級

延長軸流風機的使用壽命可從增強風機自身性能及提高風機外部防護等級兩方面入手：

（1）增強風機自身性能：由于現場工作條件有限，可以適應現場工況的風機無法與變頻器相匹配，因此增強風機自身性能方面的可實施性不高。

（2）提高風機外部防護等級：雖然風機安裝位置在變頻柜內部，但考慮到柜體所需的IP56防護等級，只能為風機提供單獨的風道。若在風道內對外部輸入的空氣進行過濾，將空氣中的濕氣、鹽霧、塵土濾除，那么就可以有效延長風機的使用壽命。

考慮到升級的難易程度以及后期改造的實際情況，可以通過以下三個措施對風機防護進行優化：

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

（2）考慮到濾網吸附滿后會嚴重影響進風量，根據現場情況制訂了濾網定期更換的制度，保障了濕氣、鹽霧、塵土的有效濾除。

（3）定期清潔通風格柵，保障風機風量。

3??? 風機狀態智能化監測系統

3.1??? 風機監測系統原理

如何采集現場變頻器溫度以及采集溫度位置，是準確反饋設備運行情況的重點，同時也是智能化監測不可或缺的一部分。經過現場調研，通過采集變頻器模塊溫度以及柜內環境溫度，可以直觀地反映出設備運行情況：

（1）設備負載變化不大時，變頻器溫度提升，環境溫度不變，說明風機散熱能力下降，需要準備風機備件，擇時更換;

（2）設備負載變化不大時，變頻器溫度提升，環境溫度提升，說明濾棉、格柵需要清潔、更換。

3.2??? 風機監測系統實現方法

原有控制系統是使用原廠配套控制卡（CI卡）進行控制邏輯編程，觸摸屏人機界面通過MODBUS RTU與變頻器進行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，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，經過通信參數設置，與柜內人機界面HMI進行RS232通信，將溫度數值和報警狀態傳遞至人機界面進行顯示，同時人機界面通過通信將溫度數值和報警設定值數據傳遞至CI卡內。

CI卡經過邏輯計算實現溫度邏輯保護功能[2]。現場人員根據實際生產需求在圖5人機HMI畫面上設置和調整設備溫度限值，并將其傳輸至控制卡內，控制卡通過程序對采集到的溫度與設定溫度進行比較，判定比較結果，并將判定結果傳至中控，以便于現場操作人員第一時間發現問題并進行處理。

3.3??? 風機監測系統測試

系統升級后，對溫度報警值和關斷值進行設定，暫不投入使用，將風機電源關斷，變頻器運行一段時間后溫度顯著提升，直至最高70 ℃;風機投入使用后，溫度明顯降低，直至43 ℃。風機投入前后的溫度變化對比圖如圖6所示。

4??? 結語

本文針對戶外安裝的IP56變頻器散熱系統中存在的不足進行了分析，并介紹了如何通過相對簡易、有效的技術手段將散熱系統的運轉狀況智能化地傳遞到現場中控，使得現場的散熱系統能長久高效運行。主要技術手段如下：（1）對原有基于軸流風機散熱的變頻器進行升級，在不改變標準變頻器功率模塊結構的前提下，通過對軸流風機防護體系的升級，對風機運轉情況進行智能化監測，達到了風機長期穩定運行的目標;（2）增加智能化變頻器散熱系統，對變頻器散熱風機進行長期監測，在風機運轉不佳時提前報警，協助現場人員做好變頻器維保工作。

[參考文獻]

[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[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備調試、故障處理及升級改造技術支持工作。