★北京ABB電氣傳動(dòng)系統有限公司張旻劼

近年來(lái)，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(dòng)應對。中國在2020年第75屆聯(lián)合國大會(huì )上正式提出2030年實(shí)現碳達峰、2060年實(shí)現碳中和的目標。這一宣示標志著(zhù)中國對應對氣候變化問(wèn)題的堅定承諾，也是中國主動(dòng)承擔應對全球氣候變化責任的大國擔當?！半p碳”政策的實(shí)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(fā)展的進(jìn)程。中國作為碳排放大國，在實(shí)現雙碳目標方面取得了積極的進(jìn)展，尤其在減少石化行業(yè)這類(lèi)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(shí)兼顧產(chǎn)業(yè)發(fā)展和節能減排，向低碳新工業(yè)邁進(jìn)。

根據國際能源署的數據，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(guò)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)域的節能減排勢在必行。ABB在2021年發(fā)起“節能增效行動(dòng)”，倡導以創(chuàng )新行動(dòng)建設一個(gè)更節能的世界。通過(guò)創(chuàng )新、分享知識和見(jiàn)解、投資以及正確的監管和激勵措施，優(yōu)化能源效率，加快實(shí)現低碳未來(lái)。這與中國提出的“雙碳”目標不謀而合。在實(shí)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(hù)提供節能增效解決方案，賦能石化及其他行業(yè)客戶(hù)低碳轉型升級。

守正創(chuàng )新，邁向雙碳

乙烯是石化工業(yè)的基礎原料，被稱(chēng)為“石化工業(yè)之母”，世界上已將乙烯產(chǎn)量作為衡量一個(gè)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)量達數千萬(wàn)噸，但仍然無(wú)法滿(mǎn)足國內消費市場(chǎng)的需求，進(jìn)口依存度較高。為滿(mǎn)足國內市場(chǎng)需求，近年來(lái)國內的乙烯產(chǎn)能仍呈持續擴張的態(tài)勢發(fā)展，但同時(shí)面臨著(zhù)節能減排的重大挑戰。隨著(zhù)“十四五”規劃的推進(jìn)，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備，其技術(shù)水平被稱(chēng)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(chǎn)模式改進(jìn)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(dòng)石化行業(yè)完成綠色高效減排的目標。

2023年，ABB傳動(dòng)為中國石油行業(yè)客戶(hù)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(dòng)，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(yè)乙烯生產(chǎn)節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(hù)面臨著(zhù)巨大的挑戰。汽輪機驅動(dòng)乙烯壓縮機雖然會(huì )耗費大量能源，但是經(jīng)過(guò)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)穩定運行。采用變頻器和電機驅動(dòng)是乙烯生產(chǎn)的技術(shù)革新，需要更加可靠、完善的方案來(lái)保證穩定的生產(chǎn)。同時(shí)，乙烯的生產(chǎn)過(guò)程需要大量能源，并且原材料一般依賴(lài)進(jìn)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(dòng)，不僅會(huì )導致乙烯停產(chǎn)，以乙烯為原料的下游裝置都將停產(chǎn)，會(huì )造成數千萬(wàn)的損失。另外，由于客戶(hù)工廠(chǎng)臨海，非常容易遭受雷擊，在過(guò)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，設備停止運行，為客戶(hù)帶來(lái)了重大損失。為了保證乙烯穩定生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，客戶(hù)對于驅動(dòng)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(chǎn)運營(yíng)實(shí)際環(huán)境的前提下，保證乙烯壓縮機連續運行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(zhù)豐富的經(jīng)驗，了解到客戶(hù)的需求和痛點(diǎn)后，ABB提供了一套完整的解決方案，充分滿(mǎn)足客戶(hù)在各方面的需求。在這個(gè)項目中，ABB為客戶(hù)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(dòng)系統的可靠性，滿(mǎn)足客戶(hù)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(lái)講，ABB為客戶(hù)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(lái)講，ABB提供了N+1的冗余配置解決方案。有一臺變頻器驅動(dòng)電機，另一臺作為熱備當發(fā)生非計劃停機時(shí)，熱備變頻器立即切換到工作狀態(tài)。

·毫秒級熱備切換

同時(shí)，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(shí)，這個(gè)支路是開(kāi)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(kāi)的，因此兩臺LCI變頻器的輸出斷路器S1和S2可以同時(shí)保持閉合狀態(tài)。當運行變頻器出現故障時(shí)，沒(méi)有額外的斷路器切換時(shí)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(shí)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(wǎng)波動(dòng)能力。LCI變頻器在電網(wǎng)電壓幅值低至20%時(shí)仍可以提供部分輸出轉矩，因而使得被驅動(dòng)設備可以維持更長(cháng)時(shí)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(lèi)型的曲線(xiàn)。當電網(wǎng)電壓跌落至50%時(shí)，如果是三相電壓對稱(chēng)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(lèi)型曲線(xiàn)

為保障實(shí)際應用的可靠性，ABB進(jìn)行了HIL硬件在環(huán)仿真。如圖4所示，HIL仿真了系統對對稱(chēng)電壓跌落的響應，電壓跌落時(shí)長(cháng)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(wǎng)電壓的恢復伴隨著(zhù)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(guò)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(dòng)態(tài)喘振時(shí)間值并沒(méi)有超過(guò)180ms安全裕度線(xiàn)，因此不需要打開(kāi)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，對電驅系統的啟動(dòng)力矩需求更大，才能夠保證乙烯壓縮機的正常啟動(dòng)。LCI的啟動(dòng)力矩在轉速為0的時(shí)候就可以提供100%的轉矩。運行工作點(diǎn)達到75T/hLiquid時(shí)，變頻器驅動(dòng)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(hù)設備正常運行的同時(shí)，大幅提高生產(chǎn)效率。

圖5 電驅系統的輸出能力

通過(guò)采用ABB提供的變頻器和電機打包方案，客戶(hù)獲得了顯著(zhù)的收益。首先，氣改電使得設備能夠實(shí)現更精確的控制，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備的穩定運行，實(shí)現五年不間斷生產(chǎn)，并能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益。同時(shí)，采用電機驅動(dòng)還能有效降低設備的維護成本和安全風(fēng)險，為客戶(hù)帶來(lái)長(cháng)期可持續的經(jīng)濟效益。

勇?lián)姑?，勇毅前?/strong>

一直以來(lái)，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(dòng)清潔能源技術(shù)的發(fā)展，致力于為客戶(hù)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(guò)引進(jìn)先進(jìn)的變頻器技術(shù)，成功解決石化行業(yè)客戶(hù)的生產(chǎn)難題，為其在乙烯生產(chǎn)領(lǐng)域實(shí)現了突破性的轉型升級。

未來(lái)，ABB將繼續堅守節能減排的使命，與各行各業(yè)共同探索可持續發(fā)展之路。我們將持續推進(jìn)科技創(chuàng )新，不斷提升產(chǎn)品的智能化和高效性，助力客戶(hù)在雙碳時(shí)代實(shí)現可持續發(fā)展目標。同時(shí)，ABB將進(jìn)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，為中國能源轉型升級貢獻更多智慧和力量。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年8月刊