海洋平台专用IP56变频器散热系统智能化升级

史轩玮 周建新 孙浩 苗杰

摘 要：为解决特殊工况下海洋平台专用IP56变频器散热问题，进行了两方面研究：一是对原有基于轴流风机散热的变频器进行升级，在不改变标准变频器功率模块结构的前提下，通过对轴流风机防护体系的升级，对风机运转情况进行智能化监测，达到了风机能长期稳定运行的目标;二是增加智能化变频器散热系统，对变频器散热风机进行长期监测，在风机运转不佳时提前报警，协助现场人员做好变频器维保工作。

关键词：海洋平台;智能;IP56变频器;散热

中图分类号：TE952  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）13-0057-03

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

0    引言

在设计之初，潜油平台对整个平台设备布局、结构要求极其严格，使用环境初步分为室内和室外两类，室内设备需要空调、消防、保温防护等各类配套设施，会附加大量额外费用。经过设计和调试，在电潜泵控制变频器基础上，开发出了海洋平台专用IP56变频器[1]，其能直接安装在平台甲板上，无须额外附加设施，大大降低了整体费用。防护等级是指按标准规定的检验方法，外壳对接近危险部件、防止固体异物或水进入所提供的保护程度。IP5X是指虽不能完全防止灰尘侵入，但灰尘的侵入量不会影响电器的正常运作;IPX6是指任意方向直接受到水的喷射都不会进入内部。

但在变频器实际使用过程中，设备外循环散热系统的主要轴流风机，因为前期施工环境过于恶劣，风机外罩中进入大量铁屑，外加海洋平台现场环境较为潮湿，虽然灰尘的进入未对设备造成直接影响，但是运行一定时间后，潮湿的灰尘粘附在风机扇叶上，导致风机长时间重心偏移运行，磨损轴承，造成散热效果不佳，设备无法正常散热，产生高温报警停机故障。本文针对IP56变频器使用过程中遇到的风机损坏、设备高温报警停机等情况，从增加风机智能化监测系统的处理方案出发，介绍了海洋平台IP56变频器散热系统的升级过程。

1    故障原因分析

现场实际应用的某平台位于渤海湾，夏天变频器所处环境温度最高可达40 ℃，冬天变频器所处环境最低温度可至零下20 ℃。设备前期陆地安装时环境较为恶劣，连接动力电缆时柜门无法关闭，柜体无法完全防护，上电前清理不到位，没有完全清理干净，设备内部器件满是灰尘、铁屑等杂质;安装至平台后，位于采油平台的甲板面上，属于户外安装，现场不具备空调、风机等可对局部空间温度进行调整的条件。由于变频器前期防护不到位，现场为室外安装，变频器运行后风机散热效果不佳;加上所处环境除了四季、早晚温差较大，还存在空气中所含盐雾量大、湿度大、尘土多等问题。以上客观因素和天气条件都给设备的稳定运行带来了巨大的挑战。

在设备运行最初的两年时间里，有近十台轴流风机出现了故障，原因均为轴流风机轴承腐蚀、扇叶锈蚀，如图1所示。通过现场调研发现，出现问题的风机设备安装位置均在风口或靠近平台悬边的区域。随即将安装位置临近悬边的变频器风机与安装位置靠里的变频器风机进行对比，安装位置靠里的风机虽也出现了腐蚀情况，但整体腐蚀程度要远低于位于悬边的变频器风机。

综合以上检测、对比、分析，判定变频器故障是由于扇叶积尘严重、腐蚀严重，导致风机轴承卡堵、锈蚀，磨损加快，运行一段时间后轴承损坏，风机停止转动，进而造成变频器散热能力减弱，功率单元超过100 ℃后，报“变频器过热”停机。

2    风机防护升级

延长轴流风机的使用寿命可从增强风机自身性能及提高风机外部防护等级两方面入手：

（1）增强风机自身性能：由于现场工作条件有限，可以适应现场工况的风机无法与变频器相匹配，因此增强风机自身性能方面的可实施性不高。

（2）提高风机外部防护等级：虽然风机安装位置在变频柜内部，但考虑到柜体所需的IP56防护等级，只能为风机提供单独的风道。若在风道内对外部输入的空气进行过滤，将空气中的湿气、盐雾、尘土滤除，那么就可以有效延长风机的使用寿命。

考慮到升级的难易程度以及后期改造的实际情况，可以通过以下三个措施对风机防护进行优化：

（1）如图2所示，在变频器进气格栅处以增加滤棉的形式，改善轴流风机的工作条件。

（2）考虑到滤网吸附满后会严重影响进风量，根据现场情况制订了滤网定期更换的制度，保障了湿气、盐雾、尘土的有效滤除。

（3）定期清洁通风格栅，保障风机风量。

3    风机状态智能化监测系统

3.1    风机监测系统原理

如何采集现场变频器温度以及采集温度位置，是准确反馈设备运行情况的重点，同时也是智能化监测不可或缺的一部分。经过现场调研，通过采集变频器模块温度以及柜内环境温度，可以直观地反映出设备运行情况：

（1）设备负载变化不大时，变频器温度提升，环境温度不变，说明风机散热能力下降，需要准备风机备件，择时更换;

（2）设备负载变化不大时，变频器温度提升，环境温度提升，说明滤棉、格栅需要清洁、更换。

3.2    风机监测系统实现方法

原有控制系统是使用原厂配套控制卡（CI卡）进行控制逻辑编程，触摸屏人机界面通过MODBUS RTU与变频器进行RS485通信。升级后，将三组PT100温度传感器作为最高温度检测装置安装到正弦电抗三相孔隙内，如图3所示;第四组PT100温度传感器安装到柜体顶部模块上方检测柜内空间温度。

如图4所示，连接到智能温度控制仪表采集四组温度后，经过通信参数设置，与柜内人机界面HMI进行RS232通信，将温度数值和报警状态传递至人机界面进行显示，同时人机界面通过通信将温度数值和报警设定值数据传递至CI卡内。

CI卡经过逻辑计算实现温度逻辑保护功能[2]。现场人员根据实际生产需求在图5人机HMI画面上设置和调整设备温度限值，并将其传输至控制卡内，控制卡通过程序对采集到的温度与设定温度进行比较，判定比较结果，并将判定结果传至中控，以便于现场操作人员第一时间发现问题并进行处理。

3.3    风机监测系统测试

系统升级后，对温度报警值和关断值进行设定，暂不投入使用，将风机电源关断，变频器运行一段时间后温度显著提升，直至最高70 ℃;风机投入使用后，温度明显降低，直至43 ℃。风机投入前后的温度变化对比图如图6所示。

4    结语

本文针对户外安装的IP56变频器散热系统中存在的不足进行了分析，并介绍了如何通过相对简易、有效的技术手段将散热系统的运转状况智能化地传递到现场中控，使得现场的散热系统能长久高效运行。主要技术手段如下：（1）对原有基于轴流风机散热的变频器进行升级，在不改变标准变频器功率模块结构的前提下，通过对轴流风机防护体系的升级，对风机运转情况进行智能化监测，达到了风机长期稳定运行的目标;（2）增加智能化变频器散热系统，对变频器散热风机进行长期监测，在风机运转不佳时提前报警，协助现场人员做好变频器维保工作。

[参考文献]

[1] 张嵘.海洋平台甲板直装型潜油电泵专用变频控制柜开发[J].油气田地面工程，2017，36（9）：65-68.

[2] 施耐德电气.ATV61变频器编程手册[Z]，2017.

收稿日期：2022-04-11

作者简介：史轩玮（1981—），男，天津人，工程师，从事潜油平台地面设备调试、故障处理及升级改造技术支持工作。