★北京ABB电气传动系统有限公司张旻劼

近年来，全球气候变化日益严重，为改善环境全球各国纷纷采取行动应对。中国在2020年第75届联合国大会上正式提出2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的目标。这一宣示标志着中国对应对气候变化问题的坚定承诺，也是中国主动承担应对全球气候变化责任的大国担当。“双碳”政策的实施，旨在减缓全球变暖，降低碳排放，加速清洁能源和可持续发展的进程。中国作为碳排放大国，在实现双碳目标方面取得了积极的进展，尤其在减少石化行业这类高能耗产业的碳排放方面不断推崇技术革新、优化工艺流程，同时兼顾产业发展和节能减排，向低碳新工业迈进。

根据国际能源署的数据，工业是世界上最大的电力、天然气和煤炭消耗者。工业占总电力需求的42%，相当于超过34艾焦耳的能源。在世界五大能源消费国（中国、美国、印度、俄罗斯和日本）中，化工和石化行业是较大的能源消耗行业。鉴于此，工业领域的节能减排势在必行。ABB在2021年发起“节能增效行动”，倡导以创新行动建设一个更节能的世界。通过创新、分享知识和见解、投资以及正确的监管和激励措施，优化能源效率，加快实现低碳未来。这与中国提出的“双碳”目标不谋而合。在实际业务中，ABB携手志同道合的合作伙伴，为各行业客户提供节能增效解决方案，赋能石化及其他行业客户低碳转型升级。

守正创新，迈向双碳

乙烯是石化工业的基础原料，被称为“石化工业之母”，世界上已将乙烯产量作为衡量一个国家石化工业发展水平的重要标志之一。中国每年乙烯的产量达数千万吨，但仍然无法满足国内消费市场的需求，进口依存度较高。为满足国内市场需求，近年来国内的乙烯产能仍呈持续扩张的态势发展，但同时面临着节能减排的重大挑战。随着“十四五”规划的推进，为应对碳减排的迫切需求，乙烯行业炼化一体化装置蓬勃发展。这种乙烯生产装置的核心是乙烯“三机”，包含裂解气压缩机、丙烯压缩机和乙烯压缩机等三套机组。乙烯“三机”是乙烯装置的心脏设备，其技术水平被称为石化装备制造的“珠穆朗玛峰”，设计制造难度非常高。这种生产模式改进了生产工艺，充分利用石油资源，降低能耗和生产成本，在不降低乙烯产量的前提下，提高生产效率，推动石化行业完成绿色高效减排的目标。

2023年，ABB传动为中国石油行业客户的炼化一体化转型升级项目提供了变频器和电机打包解决方案。乙烯三机组的功率范围通常在30000—50000kW之间，从汽轮机改为变频器和电机驱动，大幅节省了汽轮机的燃料消耗，减少碳排放。是中国石化行业乙烯生产节能减排道路上的里程碑。

技术革新，困难重重

在此乙烯压缩机气改电项目中，客户面临着巨大的挑战。汽轮机驱动乙烯压缩机虽然会耗费大量能源，但是经过多年的经验积累，技术已经相当成熟，能够保证生产稳定运行。采用变频器和电机驱动是乙烯生产的技术革新，需要更加可靠、完善的方案来保证稳定的生产。同时，乙烯的生产过程需要大量能源，并且原材料一般依赖进口，因此乙烯生产的成本非常高，一旦压缩机发生非计划停机，要至少一周才能再次启动，不仅会导致乙烯停产，以乙烯为原料的下游装置都将停产，会造成数千万的损失。另外，由于客户工厂临海，非常容易遭受雷击，在过去的两年中遭受了20余次雷击，导致跳闸、短路等情况发生，设备停止运行，为客户带来了重大损失。为了保证乙烯稳定生产，降低生产成本，客户对于驱动系统的改造提出了严格的要求，即电驱系统需要在考虑生产运营实际环境的前提下，保证乙烯压缩机连续运行5年不停机。

技术精湛，可靠之选

ABB对石化行业的应用有着丰富的经验，了解到客户的需求和痛点后，ABB提供了一套完整的解决方案，充分满足客户在各方面的需求。在这个项目中，ABB为客户提供了2套34MW、100%容量的LCI变频器和一台30MW AMS同步电机。

·100%+100%整机冗余配置

为保证乙烯三机组电气驱动系统的可靠性，满足客户提出的运行5年不停机的需求，ABB提供了一套完备的解决方案，从整机层面来讲，ABB为客户提供了两套100%容量的LCI变频器，从功率半导体器件的角度来讲，ABB提供了N+1的冗余配置解决方案。有一台变频器驱动电机，另一台作为热备当发生非计划停机时，热备变频器立即切换到工作状态。

·毫秒级热备切换

同时，LCI变频器采用ABB自主研发的大功率半导体晶闸管，对于LCI电流源型解决方案，晶闸管上并联的是RC吸收回路，如图1所示。当晶闸管处在关断状态时，这个支路是开路的。

图1 晶闸管电路图

对于2×100%冗余配置的LCI变频器解决方案，因为采用晶闸管的两台LCI变频器相互是解耦开的，因此两台LCI变频器的输出断路器S1和S2可以同时保持闭合状态。当运行变频器出现故障时，没有额外的断路器切换时间，因此可以快速从故障LCI变频器切换至热备LCI变频器，且切换时间达到毫秒级。

图2 冗余变频器系统

· 抵抗电压跌落，保障设备不停机

由于LCI变频器是四象限拓扑结构，因此具有更好的失电跨越和抗电网波动能力。LCI变频器在电网电压幅值低至20%时仍可以提供部分输出转矩，因而使得被驱动设备可以维持更长时间的运行而不停机。图3是LCI变频器的输出功率对应电网电压幅值和电压跌落类型的曲线。当电网电压跌落至50%时，如果是三相电压对称跌落LCI变频器可输出约40%的功率，如果是两相电压跌落LCI变频器可输出约60%的功率，如果是单相电压跌落LCI变频器可输出约85%的功率。

图3 LCI变频器的输出功率对应电网电压幅值和电压跌落类型曲线

为保障实际应用的可靠性，ABB进行了HIL硬件在环仿真。如图4所示，HIL仿真了系统对对称电压跌落的响应，电压跌落时长为80ms，电压跌落至约额定电压的45%。LCI变频器输出扭矩在10ms后稳定至约50%的额定转矩水平。电网电压的恢复伴随着非常大的电压振荡，但LCI变频器在不中断其运行的情况下有效控制电压振荡，140ms后恢复正常运行。在电压跌落的过程中，由于LCI变频器仍然可以提供部分输出转矩，电机转速仅降低了20rpm（电机额定转速3600rpm）。动态喘振时间值并没有超过180ms安全裕度线，因此不需要打开热循环阀，可以安全跨越电压跌落。因此，即使因遭受雷击这样的突发情况，ABBLCI变频器也能维持系统运行而不停机。

图4 HIL硬件在环仿真

·  优秀的输出能力

此项目中乙烯压缩机的最大工作力矩约为200kNm，对电驱系统的启动力矩需求更大，才能够保证乙烯压缩机的正常启动。LCI的启动力矩在转速为0的时候就可以提供100%的转矩。运行工作点达到75T/hLiquid时，变频器驱动系统（含LCI变频器，滤波器，输入变压器和同步电机）的整体效率可达96.03%。能够保证客户设备正常运行的同时，大幅提高生产效率。

图5 电驱系统的输出能力

通过采用ABB提供的变频器和电机打包方案，客户获得了显著的收益。首先，气改电使得设备能够实现更精确的控制，优化能源利用效率，降低能源消耗，减少碳排放。其次，ABB提供的高可靠性解决方案确保了设备的稳定运行，实现五年不间断生产，并能带来巨大的经济效益。同时，采用电机驱动还能有效降低设备的维护成本和安全风险，为客户带来长期可持续的经济效益。

勇担使命，勇毅前行

一直以来，ABB都将节能增效作为己任。在响应国家双碳政策的背景下，ABB积极推动清洁能源技术的发展，致力于为客户提供高效可靠的解决方案。乙烯压缩机气改电项目是ABB的又一力作，通过引进先进的变频器技术，成功解决石化行业客户的生产难题，为其在乙烯生产领域实现了突破性的转型升级。

未来，ABB将继续坚守节能减排的使命，与各行各业共同探索可持续发展之路。我们将持续推进科技创新，不断提升产品的智能化和高效性，助力客户在双碳时代实现可持续发展目标。同时，ABB将进一步深化与中国能源产业的合作，共同探索清洁能源、新能源领域的新机遇，为中国能源转型升级贡献更多智慧和力量。

摘自《自动化博览》2023年8月刊