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★北京ABB電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司張旻劼

近年來(lái)，全球氣候變化日益嚴(yán)重，為改善環(huán)境全球各國(guó)紛紛采取行動(dòng)應(yīng)對(duì)。中國(guó)在2020年第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上正式提出2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。這一宣示標(biāo)志著中國(guó)對(duì)應(yīng)對(duì)氣候變化問(wèn)題的堅(jiān)定承諾，也是中國(guó)主動(dòng)承擔(dān)應(yīng)對(duì)全球氣候變化責(zé)任的大國(guó)擔(dān)當(dāng)。“雙碳”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(xù)發(fā)展的進(jìn)程。中國(guó)作為碳排放大國(guó)，在實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)方面取得了積極的進(jìn)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(shí)兼顧產(chǎn)業(yè)發(fā)展和節(jié)能減排，向低碳新工業(yè)邁進(jìn)。

根據(jù)國(guó)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(dāng)于超過(guò)34艾焦耳的能源。在世界五大能源消費(fèi)國(guó)（中國(guó)、美國(guó)、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(shì)在必行。ABB在2021年發(fā)起“節(jié)能增效行動(dòng)”，倡導(dǎo)以創(chuàng)新行動(dòng)建設(shè)一個(gè)更節(jié)能的世界。通過(guò)創(chuàng)新、分享知識(shí)和見解、投資以及正確的監(jiān)管和激勵(lì)措施，優(yōu)化能源效率，加快實(shí)現(xiàn)低碳未來(lái)。這與中國(guó)提出的“雙碳”目標(biāo)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(jí)。

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(gè)國(guó)家石化工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。中國(guó)每年乙烯的產(chǎn)量達(dá)數(shù)千萬(wàn)噸，但仍然無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)消費(fèi)市場(chǎng)的需求，進(jìn)口依存度較高。為滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，近年來(lái)國(guó)內(nèi)的乙烯產(chǎn)能仍呈持續(xù)擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)發(fā)展，但同時(shí)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(jìn)，為應(yīng)對(duì)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(jī)”，包含裂解氣壓縮機(jī)、丙烯壓縮機(jī)和乙烯壓縮機(jī)等三套機(jī)組。乙烯“三機(jī)”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(jì)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(biāo)。

2023年，ABB傳動(dòng)為中國(guó)石油行業(yè)客戶的煉化一體化轉(zhuǎn)型升級(jí)項(xiàng)目提供了變頻器和電機(jī)打包解決方案。乙烯三機(jī)組的功率范圍通常在30000—50000kW之間，從汽輪機(jī)改為變頻器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，大幅節(jié)省了汽輪機(jī)的燃料消耗，減少碳排放。是中國(guó)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(jī)氣改電項(xiàng)目中，客戶面臨著巨大的挑戰(zhàn)。汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)乙烯壓縮機(jī)雖然會(huì)耗費(fèi)大量能源，但是經(jīng)過(guò)多年的經(jīng)驗(yàn)積累，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，能夠保證生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。采用變頻器和電機(jī)驅(qū)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(wěn)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進(jìn)口，因此乙烯生產(chǎn)的成本非常高，一旦壓縮機(jī)發(fā)生非計(jì)劃停機(jī)，要至少一周才能再次啟動(dòng)，不僅會(huì)導(dǎo)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(shù)千萬(wàn)的損失。另外，由于客戶工廠臨海，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(dǎo)致跳閘、短路等情況發(fā)生，設(shè)備停止運(yùn)行，為客戶帶來(lái)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(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的改造提出了嚴(yán)格的要求，即電驅(qū)系統(tǒng)需要在考慮生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)實(shí)際環(huán)境的前提下，保證乙烯壓縮機(jī)連續(xù)運(yùn)行5年不停機(jī)。

技術(shù)精湛，可靠之選

ABB對(duì)石化行業(yè)的應(yīng)用有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，了解到客戶的需求和痛點(diǎn)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(gè)項(xiàng)目中，ABB為客戶提供了2套34MW、100%容量的LCI變頻器和一臺(tái)30MW AMS同步電機(jī)。

·100%+100%整機(jī)冗余配置

為保證乙烯三機(jī)組電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，滿足客戶提出的運(yùn)行5年不停機(jī)的需求，ABB提供了一套完備的解決方案，從整機(jī)層面來(lái)講，ABB為客戶提供了兩套100%容量的LCI變頻器，從功率半導(dǎo)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(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，另一臺(tái)作為熱備當(dāng)發(fā)生非計(jì)劃停機(jī)時(shí)，熱備變頻器立即切換到工作狀態(tài)。

·毫秒級(jí)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(dǎo)體晶閘管，對(duì)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(dāng)晶閘管處在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，這個(gè)支路是開路的。

圖1 晶閘管電路圖

對(duì)于2×100%冗余配置的LCI變頻器解決方案，因?yàn)椴捎镁чl管的兩臺(tái)LCI變頻器相互是解耦開的，因此兩臺(tái)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(dāng)運(yùn)行變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，沒有額外的斷路器切換時(shí)間，因此可以快速?gòu)墓收螸CI變頻器切換至熱備LCI變頻器，且切換時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)。

圖2 冗余變頻器系統(tǒng)

· 抵抗電壓跌落，保障設(shè)備不停機(jī)

由于LCI變頻器是四象限拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)矩，因而使得被驅(qū)動(dòng)設(shè)備可以維持更長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行而不停機(jī)。圖3是LCI變頻器的輸出功率對(duì)應(yīng)電網(wǎng)電壓幅值和電壓跌落類型的曲線。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至50%時(shí)，如果是三相電壓對(duì)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(duì)應(yīng)電網(wǎng)電壓幅值和電壓跌落類型曲線

為保障實(shí)際應(yīng)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(tǒng)對(duì)對(duì)稱電壓跌落的響應(yīng)，電壓跌落時(shí)長(zhǎng)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(fù)伴隨著非常大的電壓振蕩，但LCI變頻器在不中斷其運(yùn)行的情況下有效控制電壓振蕩，140ms后恢復(fù)正常運(yùn)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(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速僅降低了20rpm（電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3600rpm）。動(dòng)態(tài)喘振時(shí)間值并沒有超過(guò)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(yùn)行而不停機(jī)。

圖4 HIL硬件在環(huán)仿真

·  優(yōu)秀的輸出能力

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

圖5 電驅(qū)系統(tǒng)的輸出能力

通過(guò)采用ABB提供的變頻器和電機(jī)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(yùn)行，實(shí)現(xiàn)五年不間斷生產(chǎn)，并能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)還能有效降低設(shè)備的維護(hù)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，為客戶帶來(lái)長(zhǎng)期可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)效益。

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一直以來(lái)，ABB都將節(jié)能增效作為己任。在響應(yīng)國(guó)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，致力于為客戶提供高效可靠的解決方案。乙烯壓縮機(jī)氣改電項(xiàng)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(jí)。

未來(lái)，ABB將繼續(xù)堅(jiān)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(jìn)科技創(chuàng)新，不斷提升產(chǎn)品的智能化和高效性，助力客戶在雙碳時(shí)代實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。同時(shí)，ABB將進(jìn)一步深化與中國(guó)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(jī)遇，為中國(guó)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)貢獻(xiàn)更多智慧和力量。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年8月刊