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★北京ABB電氣傳動系統有限公司張旻劼

近年來，全球氣候變化日益嚴重，為改善環境全球各國紛紛采取行動應對。中國在2020年第75屆聯合國大會上正式提出2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和的目標。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發展的進程。中國作為碳排放大國，在實現雙碳目標方面取得了積極的進展，尤其在減少石化行業這類高能耗產業的碳排放方面不斷推崇技術革新、優化工藝流程，同時兼顧產業發展和節能減排，向低碳新工業邁進。

根據國際能源署的數據，工業是世界上最大的電力、天然氣和煤炭消耗者。工業占總電力需求的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，化工和石化行業是較大的能源消耗行業。鑒于此，工業領域的節能減排勢在必行。ABB在2021年發起“節能增效行動”，倡導以創新行動建設一個更節能的世界。通過創新、分享知識和見解、投資以及正確的監管和激勵措施，優化能源效率，加快實現低碳未來。這與中國提出的“雙碳”目標不謀而合。在實際業務中，ABB攜手志同道合的合作伙伴，為各行業客戶提供節能增效解決方案，賦能石化及其他行業客戶低碳轉型升級。

守正創新，邁向雙碳

乙烯是石化工業的基礎原料，被稱為“石化工業之母”，世界上已將乙烯產量作為衡量一個國家石化工業發展水平的重要標志之一。中國每年乙烯的產量達數千萬噸，但仍然無法滿足國內消費市場的需求，進口依存度較高。為滿足國內市場需求，近年來國內的乙烯產能仍呈持續擴張的態勢發展，但同時面臨著節能減排的重大挑戰。隨著“十四五”規劃的推進，為應對碳減排的迫切需求，乙烯行業煉化一體化裝置蓬勃發展。這種乙烯生產裝置的核心是乙烯“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備，其技術水平被稱為石化裝備制造的“珠穆朗瑪峰”，設計制造難度非常高。這種生產模式改進了生產工藝，充分利用石油資源，降低能耗和生產成本，在不降低乙烯產量的前提下，提高生產效率，推動石化行業完成綠色高效減排的目標。

2023年，ABB傳動為中國石油行業客戶的煉化一體化轉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動，大幅節省了汽輪機的燃料消耗，減少碳排放。是中國石化行業乙烯生產節能減排道路上的里程碑。

技術革新，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。汽輪機驅動乙烯壓縮機雖然會耗費大量能源，但是經過多年的經驗積累，技術已經相當成熟，能夠保證生產穩定運行。采用變頻器和電機驅動是乙烯生產的技術革新，需要更加可靠、完善的方案來保證穩定的生產。同時，乙烯的生產過程需要大量能源，并且原材料一般依賴進口，因此乙烯生產的成本非常高，一旦壓縮機發生非計劃停機，要至少一周才能再次啟動，不僅會導致乙烯停產，以乙烯為原料的下游裝置都將停產，會造成數千萬的損失。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、短路等情況發生，設備停止運行，為客戶帶來了重大損失。為了保證乙烯穩定生產，降低生產成本，客戶對于驅動系統的改造提出了嚴格的要求，即電驅系統需要在考慮生產運營實際環境的前提下，保證乙烯壓縮機連續運行5年不停機。

技術精湛，可靠之選

ABB對石化行業的應用有著豐富的經驗，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動系統的可靠性，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。有一臺變頻器驅動電機，另一臺作為熱備當發生非計劃停機時，熱備變頻器立即切換到工作狀態。

·毫秒級熱備切換

同時，LCI變頻器采用ABB自主研發的大功率半導體晶閘管，對于LCI電流源型解決方案，晶閘管上并聯的是RC吸收回路，如圖1所示。當晶閘管處在關斷狀態時，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。當運行變頻器出現故障時，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

· 抵抗電壓跌落，保障設備不停機

由于LCI變頻器是四象限拓撲結構，因此具有更好的失電跨越和抗電網波動能力。LCI變頻器在電網電壓幅值低至20%時仍可以提供部分輸出轉矩，因而使得被驅動設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電壓幅值和電壓跌落類型的曲線。當電網電壓跌落至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硬件在環仿真。如圖4所示，HIL仿真了系統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后穩定至約50%的額定轉矩水平。電網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矩，電機轉速僅降低了20rpm（電機額定轉速3600rpm）。動態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情況，ABBLCI變頻器也能維持系統運行而不停機。

圖4 HIL硬件在環仿真

·  優秀的輸出能力

此項目中乙烯壓縮機的最大工作力矩約為200kNm，對電驅系統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的啟動力矩在轉速為0的時候就可以提供100%的轉矩。運行工作點達到75T/hLiquid時，變頻器驅動系統（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%。能夠保證客戶設備正常運行的同時，大幅提高生產效率。

圖5 電驅系統的輸出能力

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，氣改電使得設備能夠實現更精確的控制，優化能源利用效率，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備的穩定運行，實現五年不間斷生產，并能帶來巨大的經濟效益。同時，采用電機驅動還能有效降低設備的維護成本和安全風險，為客戶帶來長期可持續的經濟效益。

勇擔使命，勇毅前行

一直以來，ABB都將節能增效作為己任。在響應國家雙碳政策的背景下，ABB積極推動清潔能源技術的發展，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，成功解決石化行業客戶的生產難題，為其在乙烯生產領域實現了突破性的轉型升級。

未來，ABB將繼續堅守節能減排的使命，與各行各業共同探索可持續發展之路。我們將持續推進科技創新，不斷提升產品的智能化和高效性，助力客戶在雙碳時代實現可持續發展目標。同時，ABB將進一步深化與中國能源產業的合作，共同探索清潔能源、新能源領域的新機遇，為中國能源轉型升級貢獻更多智慧和力量。

摘自《自動化博覽》2023年8月刊