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★北京ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司張旻劼

近年來，全球氣候變化日益嚴重，為改善環(huán)境全球各國紛紛采取行動應對。中國在2020年第75屆聯(lián)合國大會上正式提出2030年實現(xiàn)碳達峰、2060年實現(xiàn)碳中和的目標。這一宣示標志著中國對應對氣候變化問題的堅定承諾，也是中國主動承擔應對全球氣候變化責任的大國擔當。“雙碳”政策的實施，旨在減緩全球變暖，降低碳排放，加速清潔能源和可持續(xù)發(fā)展的進程。中國作為碳排放大國，在實現(xiàn)雙碳目標方面取得了積極的進展，尤其在減少石化行業(yè)這類高能耗產(chǎn)業(yè)的碳排放方面不斷推崇技術(shù)革新、優(yōu)化工藝流程，同時兼顧產(chǎn)業(yè)發(fā)展和節(jié)能減排，向低碳新工業(yè)邁進。

根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，工業(yè)是世界上最大的電力、天然氣和煤炭消耗者。工業(yè)占總電力需求的42%，相當于超過34艾焦耳的能源。在世界五大能源消費國（中國、美國、印度、俄羅斯和日本）中，化工和石化行業(yè)是較大的能源消耗行業(yè)。鑒于此，工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能減排勢在必行。ABB在2021年發(fā)起“節(jié)能增效行動”，倡導以創(chuàng)新行動建設(shè)一個更節(jié)能的世界。通過創(chuàng)新、分享知識和見解、投資以及正確的監(jiān)管和激勵措施，優(yōu)化能源效率，加快實現(xiàn)低碳未來。這與中國提出的“雙碳”目標不謀而合。在實際業(yè)務(wù)中，ABB攜手志同道合的合作伙伴，為各行業(yè)客戶提供節(jié)能增效解決方案，賦能石化及其他行業(yè)客戶低碳轉(zhuǎn)型升級。

守正創(chuàng)新，邁向雙碳

乙烯是石化工業(yè)的基礎(chǔ)原料，被稱為“石化工業(yè)之母”，世界上已將乙烯產(chǎn)量作為衡量一個國家石化工業(yè)發(fā)展水平的重要標志之一。中國每年乙烯的產(chǎn)量達數(shù)千萬噸，但仍然無法滿足國內(nèi)消費市場的需求，進口依存度較高。為滿足國內(nèi)市場需求，近年來國內(nèi)的乙烯產(chǎn)能仍呈持續(xù)擴張的態(tài)勢發(fā)展，但同時面臨著節(jié)能減排的重大挑戰(zhàn)。隨著“十四五”規(guī)劃的推進，為應對碳減排的迫切需求，乙烯行業(yè)煉化一體化裝置蓬勃發(fā)展。這種乙烯生產(chǎn)裝置的核心是乙烯“三機”，包含裂解氣壓縮機、丙烯壓縮機和乙烯壓縮機等三套機組。乙烯“三機”是乙烯裝置的心臟設(shè)備，其技術(shù)水平被稱為石化裝備制造的“珠穆朗瑪峰”，設(shè)計制造難度非常高。這種生產(chǎn)模式改進了生產(chǎn)工藝，充分利用石油資源，降低能耗和生產(chǎn)成本，在不降低乙烯產(chǎn)量的前提下，提高生產(chǎn)效率，推動石化行業(yè)完成綠色高效減排的目標。

2023年，ABB傳動為中國石油行業(yè)客戶的煉化一體化轉(zhuǎn)型升級項目提供了變頻器和電機打包解決方案。乙烯三機組的功率范圍通常在30000—50000kW之間，從汽輪機改為變頻器和電機驅(qū)動，大幅節(jié)省了汽輪機的燃料消耗，減少碳排放。是中國石化行業(yè)乙烯生產(chǎn)節(jié)能減排道路上的里程碑。

技術(shù)革新，困難重重

在此乙烯壓縮機氣改電項目中，客戶面臨著巨大的挑戰(zhàn)。汽輪機驅(qū)動乙烯壓縮機雖然會耗費大量能源，但是經(jīng)過多年的經(jīng)驗積累，技術(shù)已經(jīng)相當成熟，能夠保證生產(chǎn)穩(wěn)定運行。采用變頻器和電機驅(qū)動是乙烯生產(chǎn)的技術(shù)革新，需要更加可靠、完善的方案來保證穩(wěn)定的生產(chǎn)。同時，乙烯的生產(chǎn)過程需要大量能源，并且原材料一般依賴進口，因此乙烯生產(chǎn)的成本非常高，一旦壓縮機發(fā)生非計劃停機，要至少一周才能再次啟動，不僅會導致乙烯停產(chǎn)，以乙烯為原料的下游裝置都將停產(chǎn)，會造成數(shù)千萬的損失。另外，由于客戶工廠臨海，非常容易遭受雷擊，在過去的兩年中遭受了20余次雷擊，導致跳閘、短路等情況發(fā)生，設(shè)備停止運行，為客戶帶來了重大損失。為了保證乙烯穩(wěn)定生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，客戶對于驅(qū)動系統(tǒng)的改造提出了嚴格的要求，即電驅(qū)系統(tǒng)需要在考慮生產(chǎn)運營實際環(huán)境的前提下，保證乙烯壓縮機連續(xù)運行5年不停機。

技術(shù)精湛，可靠之選

ABB對石化行業(yè)的應用有著豐富的經(jīng)驗，了解到客戶的需求和痛點后，ABB提供了一套完整的解決方案，充分滿足客戶在各方面的需求。在這個項目中，ABB為客戶提供了2套34MW、100%容量的LCI變頻器和一臺30MW AMS同步電機。

·100%+100%整機冗余配置

為保證乙烯三機組電氣驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性，滿足客戶提出的運行5年不停機的需求，ABB提供了一套完備的解決方案，從整機層面來講，ABB為客戶提供了兩套100%容量的LCI變頻器，從功率半導體器件的角度來講，ABB提供了N+1的冗余配置解決方案。有一臺變頻器驅(qū)動電機，另一臺作為熱備當發(fā)生非計劃停機時，熱備變頻器立即切換到工作狀態(tài)。

·毫秒級熱備切換

同時，LCI變頻器采用ABB自主研發(fā)的大功率半導體晶閘管，對于LCI電流源型解決方案，晶閘管上并聯(lián)的是RC吸收回路，如圖1所示。當晶閘管處在關(guān)斷狀態(tài)時，這個支路是開路的。

圖1 晶閘管電路圖

對于2×100%冗余配置的LCI變頻器解決方案，因為采用晶閘管的兩臺LCI變頻器相互是解耦開的，因此兩臺LCI變頻器的輸出斷路器S1和S2可以同時保持閉合狀態(tài)。當運行變頻器出現(xiàn)故障時，沒有額外的斷路器切換時間，因此可以快速從故障LCI變頻器切換至熱備LCI變頻器，且切換時間達到毫秒級。

圖2 冗余變頻器系統(tǒng)

· 抵抗電壓跌落，保障設(shè)備不停機

由于LCI變頻器是四象限拓撲結(jié)構(gòu)，因此具有更好的失電跨越和抗電網(wǎng)波動能力。LCI變頻器在電網(wǎng)電壓幅值低至20%時仍可以提供部分輸出轉(zhuǎn)矩，因而使得被驅(qū)動設(shè)備可以維持更長時間的運行而不停機。圖3是LCI變頻器的輸出功率對應電網(wǎng)電壓幅值和電壓跌落類型的曲線。當電網(wǎng)電壓跌落至50%時，如果是三相電壓對稱跌落LCI變頻器可輸出約40%的功率，如果是兩相電壓跌落LCI變頻器可輸出約60%的功率，如果是單相電壓跌落LCI變頻器可輸出約85%的功率。

圖3 LCI變頻器的輸出功率對應電網(wǎng)電壓幅值和電壓跌落類型曲線

為保障實際應用的可靠性，ABB進行了HIL硬件在環(huán)仿真。如圖4所示，HIL仿真了系統(tǒng)對對稱電壓跌落的響應，電壓跌落時長為80ms，電壓跌落至約額定電壓的45%。LCI變頻器輸出扭矩在10ms后穩(wěn)定至約50%的額定轉(zhuǎn)矩水平。電網(wǎng)電壓的恢復伴隨著非常大的電壓振蕩，但LCI變頻器在不中斷其運行的情況下有效控制電壓振蕩，140ms后恢復正常運行。在電壓跌落的過程中，由于LCI變頻器仍然可以提供部分輸出轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速僅降低了20rpm（電機額定轉(zhuǎn)速3600rpm）。動態(tài)喘振時間值并沒有超過180ms安全裕度線，因此不需要打開熱循環(huán)閥，可以安全跨越電壓跌落。因此，即使因遭受雷擊這樣的突發(fā)情況，ABBLCI變頻器也能維持系統(tǒng)運行而不停機。

圖4 HIL硬件在環(huán)仿真

·  優(yōu)秀的輸出能力

此項目中乙烯壓縮機的最大工作力矩約為200kNm，對電驅(qū)系統(tǒng)的啟動力矩需求更大，才能夠保證乙烯壓縮機的正常啟動。LCI的啟動力矩在轉(zhuǎn)速為0的時候就可以提供100%的轉(zhuǎn)矩。運行工作點達到75T/hLiquid時，變頻器驅(qū)動系統(tǒng)（含LCI變頻器，濾波器，輸入變壓器和同步電機）的整體效率可達96.03%。能夠保證客戶設(shè)備正常運行的同時，大幅提高生產(chǎn)效率。

圖5 電驅(qū)系統(tǒng)的輸出能力

通過采用ABB提供的變頻器和電機打包方案，客戶獲得了顯著的收益。首先，氣改電使得設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的控制，優(yōu)化能源利用效率，降低能源消耗，減少碳排放。其次，ABB提供的高可靠性解決方案確保了設(shè)備的穩(wěn)定運行，實現(xiàn)五年不間斷生產(chǎn)，并能帶來巨大的經(jīng)濟效益。同時，采用電機驅(qū)動還能有效降低設(shè)備的維護成本和安全風險，為客戶帶來長期可持續(xù)的經(jīng)濟效益。

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一直以來，ABB都將節(jié)能增效作為己任。在響應國家雙碳政策的背景下，ABB積極推動清潔能源技術(shù)的發(fā)展，致力于為客戶提供高效可靠的解決方案。乙烯壓縮機氣改電項目是ABB的又一力作，通過引進先進的變頻器技術(shù)，成功解決石化行業(yè)客戶的生產(chǎn)難題，為其在乙烯生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破性的轉(zhuǎn)型升級。

未來，ABB將繼續(xù)堅守節(jié)能減排的使命，與各行各業(yè)共同探索可持續(xù)發(fā)展之路。我們將持續(xù)推進科技創(chuàng)新，不斷提升產(chǎn)品的智能化和高效性，助力客戶在雙碳時代實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標。同時，ABB將進一步深化與中國能源產(chǎn)業(yè)的合作，共同探索清潔能源、新能源領(lǐng)域的新機遇，為中國能源轉(zhuǎn)型升級貢獻更多智慧和力量。

摘自《自動化博覽》2023年8月刊