海洋平臺吊機(jī)軟啟動器設(shè)計應(yīng)用與優(yōu)化研究

齊賦寧

（中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，天津300280）

隨著海洋鉆井設(shè)備自動化技術(shù)的發(fā)展，交流異步電動機(jī)在海洋鉆井平臺使用的數(shù)量越來越多，對于較大功率交流異步電動機(jī)，由于啟動產(chǎn)生的沖擊電流和機(jī)械應(yīng)力均較大，對電網(wǎng)的運(yùn)行和設(shè)備的壽命造成影響。以前電動機(jī)控制多采用Y/△轉(zhuǎn)換，自耦降壓等方式實(shí)現(xiàn)，這些方法雖可以起到降壓啟動效果，但電流沖擊沒有從根本上解決。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，軟啟動器可以實(shí)現(xiàn)在整個啟動過程中無沖擊而平滑啟動，從而解決了傳統(tǒng)降壓啟動的主要弊端。尤其在大功率交流異步電動機(jī)的啟停上，雖然變頻器也能實(shí)現(xiàn)降壓啟動的過程，還能調(diào)節(jié)頻率，但只作為啟停來講，無疑軟啟動的價格和維護(hù)方面的優(yōu)勢更加凸顯出來，越來越多的應(yīng)用到海洋鉆井生產(chǎn)過程中。

1 軟啟動器特點(diǎn)及控制原理

1.1 海洋鉆井平臺采用的軟啟動器的特點(diǎn)

海洋鉆井平臺常采用交流異步電動機(jī)作為電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置，平臺所采用的交流異步電動機(jī)啟動性能主要兩個指標(biāo)：啟動電流倍數(shù)、啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。海洋鉆井平臺采用的軟啟動器就是在啟動通過改變加在電動機(jī)上的電源電壓及減少啟動電流、啟動轉(zhuǎn)矩。

海洋鉆井平臺采用軟啟動限流特性可以有效限制浪涌電流，避免不必要的沖擊力矩以及對配電網(wǎng)絡(luò)的電流沖擊，有效地減少線路刀閘和接觸器的誤觸發(fā)動作；對于頻繁啟停的電動機(jī)可有效控制電動機(jī)的溫升，大大延長交流異步電動機(jī)的壽命，具體特性如圖1所示，目前在海洋平臺應(yīng)用較為廣泛，常見的軟啟動器是晶閘管（SCR）型軟啟動器。直接啟動、星/三角啟動和軟啟動的不同表現(xiàn)如圖1所示。

圖1 直接啟動、星/三角啟動和軟啟動的不同表現(xiàn)Fig.1 Different performance of direct start，star-delta start and soft start

1.2 海洋鉆井平臺應(yīng)用的晶閘管（SCR）軟啟動器控制原理

海洋鉆井平臺采用的三相中性點(diǎn)不接地（IT）系統(tǒng)供電，在三相電源和電機(jī)間串入三相晶閘管，利用晶閘管移相控制原理，改變晶閘管的觸發(fā)角，啟動時電機(jī)端電壓隨著晶閘管的導(dǎo)通角從零逐漸上升，就可調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)壓電路的輸出電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增大，直到達(dá)到滿足啟動轉(zhuǎn)矩的要求而結(jié)束啟動過程；軟啟動器的輸出是一個平滑的升壓過程（且可具有限流功能），直到晶閘管全導(dǎo)通，電機(jī)在額定電壓下工作；此時旁路接觸器接通（若配置的話，將避免電機(jī)在運(yùn)行中對電網(wǎng)形成諧波污染，延長晶閘管壽命），電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；停車時先切斷旁路接觸器，然后由軟啟動器內(nèi)晶閘管導(dǎo)通角由大逐漸減小，使三相供電電壓逐漸減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速由大逐漸減小到零，停車過程完成[1]。

2 JU2000E 型鉆井平臺軟啟動器選型設(shè)計及配置依據(jù)

2.1 JU2000E 型平臺選用軟啟動器的設(shè)備及型號

平臺選用軟啟動器的主要設(shè)備有：1 號吊機(jī)（480 V，300 kW，456 A）、2 號吊機(jī)（690 V，300 kW，309 A）、3 號吊機(jī)（690 V，300 kW，302 A）、1 號海水泵（480V，126kW，220A）、2 號海水泵（480 V，126 kW，220 A）、3 號海水泵（480 V，126 kW，220 A）、泡沫噴淋泵（480 V，192 kW 285 A）、1 號泥漿混合泵（480 V，127 kW，195 A）、2 號泥漿混合泵（480 V，127 kW，195 A）。

平臺選用的軟啟動器共分兩個品牌系列，西門子3RW44 和ABB 的PST（B）兩個品牌系列，如圖2所示。平臺除了3 臺吊機(jī)采用ABB PST（B）系列軟啟動器，其它均采用西門子3R44 系列軟啟動器，采用西門子3R44 系列軟啟動均為外接方式，且該款軟啟動器內(nèi)置了旁路接觸器，自出廠以來運(yùn)行較為穩(wěn)定，維護(hù)簡單。3 臺吊機(jī)使用ABB 系列軟啟動器，其中ABB 的PSTB 系列運(yùn)行也較為穩(wěn)定，ABB 的PST系列軟啟動器運(yùn)行故障頻率較多，使用效果不太好。

圖2 JU2000E 平臺選用的軟啟動器類型Fig.2 Type of soft starter selected on JU2000E rig

2.2 吊機(jī)電機(jī)與軟啟動器的接線方式及電流配置依據(jù)

根據(jù)多個JU2000E 型平臺軟啟動器使用情況來看，選用SEATRAX 品牌的吊機(jī)中，3 號吊機(jī)軟啟動器使用中故障率較高，在此以吊機(jī)軟啟動器的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，1 號吊機(jī)采用的是ABB PSTB470-690-70 軟啟動器內(nèi)接方式；2 號吊機(jī)采用的是ABB PSTB470-690-70 軟啟動器外接方式；3 號吊機(jī)采用的是ABB PST300-690-70 軟啟動器內(nèi)接方式，具體3 臺吊機(jī)接線情況如圖3所示。

圖3 三臺吊機(jī)接線示意圖Fig.3 Schematic diagram of three crane wiring

三臺吊機(jī)應(yīng)用條件和供電等級不同，1 號吊機(jī)作為應(yīng)急時使用，采用應(yīng)急配電板480 V 供電，其余兩臺為主配電板690 V 供電。另外，3 號吊機(jī)主要功用之一就是為鉆臺服務(wù)，按照防爆電氣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了配置。因此3 臺吊機(jī)選用電機(jī)不盡相同、軟啟動器型號不盡相同、接線方式不盡相同，具體配置如表1所示。ABB 軟啟動器選型數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 三臺吊機(jī)異同點(diǎn)比較Tab.1 Comparison of identical and different points of three cranes

表2 ABB 軟啟動器選型數(shù)據(jù)Tab.2 Type selection data sheet of ABB soft starter

結(jié)合表1 三臺吊機(jī)異同點(diǎn)比較和表2 ABB 軟啟動器選型數(shù)據(jù)表，可以看出3 臺吊機(jī)中，1 號吊機(jī)和2 號吊機(jī)均采用了同型號軟啟動器ABB PSTB470-690-70，該型號軟啟動器外接方式下選用690 V 電機(jī)最大電流309 A，因此2 號吊機(jī)使用690 V 供電可以采用外接方式，1 號吊機(jī)使用480 V 電機(jī)，使用外接方式軟啟動器最大電流315 A，不能滿足該電機(jī)電流（456 A）要求。依據(jù)內(nèi)外接線方式關(guān)系計算，采用內(nèi)接方式電流電機(jī)額定電流為264 A，所以若使用ABB PSTB470-690-70 軟啟動器，1 號吊機(jī)電機(jī)只能采取內(nèi)接方式。3 號吊機(jī)采用防爆形式，隔爆型控制箱空間受限，采用了ABB PST300-690-70 型軟啟動器，從表2 中可以看到，該型號軟啟動器外接方式最大電流257 A，電機(jī)額定電流302 A，不能滿足要求，采用內(nèi)接方式，通過電流可降為157 A，因此3 號吊機(jī)采用防爆方式和尺寸更小的軟啟動器情況下，只能采用內(nèi)接方式才能滿足負(fù)荷要求[2]。

3 JU2000E 型平臺3 號吊機(jī)軟啟動器頻繁故障探討

3.1 故障現(xiàn)象

3 號吊機(jī)ABB PST300-690-70 型軟啟動器，在啟動時報 “軟啟動連接錯誤（fault connection）”故障，導(dǎo)致不能啟動主電機(jī)，導(dǎo)致吊機(jī)無法使用。

3.2 故障分析及探討

從故障出現(xiàn)背景來分析，某JU2000E 型平臺2014年12月出廠，3 號吊機(jī)配置PST300-690-70 型軟啟動器，首次頻繁出現(xiàn)連接錯誤故障為2015年12月份，之后多次出現(xiàn)，經(jīng)檢測電機(jī)側(cè)絕緣和繞組阻值均正常。另一JU2000E 平臺3 號吊機(jī)同樣配置此型號軟啟動器，也多次出現(xiàn)此連接錯誤故障，更換一新同型號軟啟動器，啟動幾次后仍多次報軟啟動器連接錯誤故障，說明此故障不是個例，應(yīng)為通病。

從3 臺吊機(jī)軟啟動器運(yùn)行情況來分析，平臺3臺吊機(jī)均采用ABB PST（B）系列軟啟動器，從吊機(jī)使用情況來分析，1 號和2 號吊機(jī)軟啟動器運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)過軟啟動器連接錯誤報警，3 號吊機(jī)在啟動時出現(xiàn)軟啟動連接錯誤故障，頻率較高，但未出現(xiàn)過運(yùn)行過程中或停止過程中的故障報警，說明3號吊機(jī)出現(xiàn)此類故障只是啟動時出現(xiàn)。

從軟啟動器的軟硬件配置來分析，軟件參數(shù)方面，3 臺吊機(jī)配置參數(shù)除了額定電流、電壓等參數(shù)不一致外，各類功能性參數(shù)基本一致，因3 臺吊機(jī)的軟件參數(shù)差異導(dǎo)致此故障問題的原因可能性極?。挥布渲梅矫?，1 號和2 號吊機(jī)選用的軟啟動器是ABB PSTB470-690-70，3 號吊機(jī)選用的是ABB PST300-690-70，這兩款軟啟動器的區(qū)別除了最大運(yùn)行電流之外，最重要的區(qū)別在于PSTB 型為內(nèi)置旁路接觸器，PST 型無內(nèi)置旁路接觸器，內(nèi)置旁路接觸器的優(yōu)點(diǎn)在于晶閘管完全導(dǎo)通之后，通過內(nèi)置旁路接觸器將晶閘管橋接，減少了晶閘管損耗功率所產(chǎn)生的熱量，減少晶閘管運(yùn)行期間產(chǎn)生的高次諧波污染電網(wǎng)，同時延長了晶閘管使用壽命和使用效果，增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

從故障出現(xiàn)替換配件情況來分析，軟啟動器內(nèi)部三大件，低壓控制板，高壓觸發(fā)板，晶閘管SCR，更換其中配件均不能解決此故障。且3 號吊機(jī)軟啟動器在出現(xiàn)軟啟動連接錯誤不能啟動時，對線路進(jìn)行斷電放置1～2 小時，還能正常啟動，說明軟啟動器本身功率元件等硬件不存在故障和損壞。

從啟動信號的邏輯順序來分析，按動啟動按鈕后，軟啟動器接受啟動指令進(jìn)行自檢，檢測晶閘管SCR 情況，板卡運(yùn)行情況，電機(jī)連接情況，缺相及電壓情況等，若通過則按設(shè)定降壓啟動電機(jī)，若自檢未通過，則報細(xì)分故障，此軟啟動器連接錯誤故障則是在啟動信號發(fā)出，自檢未通過，還未降壓啟動電動機(jī)時報出的。軟啟動連接錯誤是檢測到線路接線不符合要求，即檢測不到與電動機(jī)接線是內(nèi)接還是外接（這與軟件設(shè)置內(nèi)接外接無關(guān)，即便設(shè)置內(nèi)外接方式，軟啟動器還是要重新檢測，只是軟啟動控制器檢測內(nèi)外接失敗，無法進(jìn)行下一步動作）。

從外部供電情況來分析，平臺采用發(fā)電機(jī)供電，供電電網(wǎng)電壓基本穩(wěn)定，該JU2000E 型平臺自動化程度較高，采用的大功率的變頻器較多，易產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)有一定的污染，軟啟動器在啟動時受到高次諧波的影響，可能會在自檢過程中出現(xiàn)檢測異常，同時高次諧波對板卡的運(yùn)行穩(wěn)定性存在一定影響。

綜上所述，3 號吊機(jī)采用防爆形式，軟啟動器受封閉的隔爆接線箱空間影響選用了比1 號2 號低一個等級的且沒有內(nèi)置旁路接觸器的軟啟動器，沒有旁路接觸器，就會導(dǎo)致只要3 號吊機(jī)運(yùn)行時，軟啟動器內(nèi)晶閘管就一直在運(yùn)行狀態(tài)，長期的運(yùn)行勢必增加晶閘管損耗功率產(chǎn)生更多熱量，影響晶閘管的使用壽命和使用效果，對系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性造成影響；同時平臺使用了大量大功率變頻器等設(shè)備產(chǎn)生的高次諧波也會對軟啟動器內(nèi)電路板運(yùn)行和軟啟動器自檢運(yùn)行產(chǎn)生影響[3]。

4 JU2000E 型平臺3 號吊機(jī)軟啟動器升級方案探討

4.1 升級的軟啟動器的品牌及型號建議

對于軟啟動器升級的品牌型號，建議升級2 號吊機(jī)使用的ABB PSTB470-690-70 型軟啟動器。理由有以下幾個方面：

（1）從2 號吊機(jī)軟啟動器使用的情況來看，運(yùn)行7年多來，僅發(fā)生過一起晶閘管擊穿故障，在使用中未發(fā)現(xiàn)其它故障及問題，運(yùn)行比較穩(wěn)定可靠。

（2）從升級改動的硬件來分析，2 號吊機(jī)與3 號吊機(jī)在終端電機(jī)參數(shù)及供電電源參數(shù)上基本一致，采用2 號吊機(jī)同型號軟啟動器不存在因硬件不同而進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的問題，采用同型號軟啟動對采用同等級電源和終端電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了更小的改動和更優(yōu)的使用條件。

（3）從連接方式來分析，3 號目前為無旁路型的內(nèi)接方式，2 號軟啟動器采用的是帶有內(nèi)置旁路接觸器的外接方式，從這點(diǎn)上來看，3 號吊機(jī)滿足采用2 號軟啟動連接方式和型號要求，同時采用外接內(nèi)置旁路型式運(yùn)行更為穩(wěn)定，對軟啟動器使用壽命也是一個保障。

（4）從控制線路分析，升級前后采用的這兩款軟啟動器，外部觸點(diǎn)，報警點(diǎn)輸出及相關(guān)I/O 控制點(diǎn)大致一致，既能滿足相關(guān)信號傳輸及控制的要求，又能最大限度減少控制線路的改動。3 號吊機(jī)采用此型號軟啟動器可以與2 號吊機(jī)軟啟動器互為備用，能最大限度降低相關(guān)配件采購種類和數(shù)量，為后續(xù)同型號軟啟動器故障及時排除和進(jìn)一步降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用打下更好基礎(chǔ)。

4.2 升級的軟啟動器配套控制箱選型考慮依據(jù)

從升級前后的軟啟動器尺寸上分析，外觀尺寸由目前的420 mm×360 mm×270 mm，升級成460 mm×365 mm×361 mm，如圖4所示，可見升級后的型號在寬度上沒有明顯變化，但更高、更厚，導(dǎo)致原防爆控制箱無法安裝升級后的軟啟動器，需要安裝升級后的軟啟動尺寸選用配套的防爆控制箱，便于安裝內(nèi)部其它相關(guān)線路和配件（具體尺寸需要平臺和供貨廠商根據(jù)內(nèi)部空間進(jìn)一步細(xì)化方案）。

圖4 兩種軟啟動器尺寸對比Fig.4 Size comparison of two types soft starter

考慮到3 號吊機(jī)為防爆型吊機(jī)，吊機(jī)上電氣設(shè)備均按照防爆電氣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了配置，所以升級軟啟動器型號后，需要考慮升級控制箱采用的類型（是否采用防爆型還是普通型），還要考慮散熱問題（若采用防爆型，需采用正壓防爆強(qiáng)制通風(fēng)散熱模式），還要在控制箱配置啟停按鈕、故障復(fù)位按鈕以及急停按鈕，便于本地和應(yīng)急操作。

3 號吊機(jī)重要功能之一是為鉆臺提供吊裝服務(wù)，是按照防爆標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的，在平臺實(shí)際危險區(qū)劃分上不屬于危險區(qū)，所以從平臺電氣防爆標(biāo)準(zhǔn)上采用非防爆控制箱是符合防爆要求的，但3 號吊機(jī)防爆性能也會降低。若采用非防爆型式控制箱，可以參考2 號吊機(jī)軟啟動器控制箱的尺寸，滿足電纜進(jìn)出口尺寸、散熱量要求和按鈕及急停操作要求即可[4-5]。

4.3 升級軟啟動器的軟件參數(shù)配置思路

對于升級的ABB PSTB470-690-70 型軟啟動器參數(shù)設(shè)置上不存在技術(shù)上的障礙，可以參考2 號吊機(jī)軟件設(shè)置來對升級后的3 號吊機(jī)進(jìn)行軟件參數(shù)設(shè)置。

綜上所述，在目前JU2000E 型平臺吊機(jī)配置的情況下，采用2 號吊機(jī)ABB PSTB470-690-70 型軟啟動器來替換3 號吊機(jī)現(xiàn)有的軟啟動器的升級方式比較合理，動力及控制線路改動較少，軟件參數(shù)調(diào)試及配置不存在障礙，并能最大限度降低相關(guān)配件采購種類和數(shù)量，為后續(xù)同型號軟啟動器故障及時排除和進(jìn)一步降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用打下更好基礎(chǔ)，至于采用哪種控制箱型式還需要根據(jù)平臺防爆要求及成本控制兩方面進(jìn)一步統(tǒng)籌考慮。

5 結(jié)語

如今海洋石油鉆井裝備自動化程度越來越高，軟啟動器越來越多的應(yīng)用到海洋鉆井生產(chǎn)過程中，本文結(jié)合JU2000E 型海洋平臺應(yīng)用的軟啟動器類型和故障，分析了軟啟動控制原理，結(jié)合3 號吊機(jī)的軟啟動頻發(fā)的故障進(jìn)行了深入研究，給出了優(yōu)化改造方案，希望能為同類型海洋鉆井平臺軟啟動器維修維護(hù)工作起到一定借鑒意義。