能傳水冷高壓變頻器在芳烴裝置中的應(yīng)用

       近年來，在“雙碳”戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，國(guó)內(nèi)化工行業(yè)正加速推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整與生產(chǎn)設(shè)備升級(jí)以大型壓縮機(jī)組為著力點(diǎn)，行業(yè)頭部企業(yè)逐步淘汰傳統(tǒng)蒸汽驅(qū)動(dòng)模式，轉(zhuǎn)向電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)這一轉(zhuǎn)型不僅能降低單位產(chǎn)品能耗與碳排放強(qiáng)度，還能通過設(shè)備數(shù)字化改造推動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)智能化水平提升，形成環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏格局?

       在技術(shù)應(yīng)用層面，大容量高壓變頻器的突破性發(fā)展為電驅(qū)改造提供了關(guān)鍵支撐高壓變頻器通過精準(zhǔn)調(diào)速控制，使壓縮機(jī)組在不同工況下保持最佳運(yùn)行效率，有效解決傳統(tǒng)工頻驅(qū)動(dòng)存在的能源浪費(fèi)問題

       針對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性方面，客戶調(diào)研和對(duì)比了當(dāng)前多種技術(shù)方案，如變頻軟起后切工頻多臺(tái)電機(jī)互備的變頻運(yùn)行，變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一備或二備一的整體冗余方式等；同時(shí)，對(duì)進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)高壓變頻器品牌的性能價(jià)格可靠性和服務(wù)等進(jìn)行全方位比較和權(quán)衡最終，能傳電氣大容量水冷高壓變頻器憑借高性能與高可靠性技術(shù)優(yōu)勢(shì)脫穎而出，成功應(yīng)用于某芳烴裝置離心壓縮機(jī)，體現(xiàn)了能傳產(chǎn)品和技術(shù)在化工流程工業(yè)中的核心價(jià)值

       該芳烴裝置是國(guó)內(nèi)單套產(chǎn)能最大的結(jié)晶工藝芳烴裝置之一，年產(chǎn)能達(dá)160萬噸，要求年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)超8000小時(shí)該裝置設(shè)計(jì)壓縮機(jī)組沒有備機(jī)，選用國(guó)產(chǎn)3MCL1106離心式壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)可變調(diào)速運(yùn)行范圍為60%-110%，單機(jī)驅(qū)動(dòng)功率達(dá)到30MW

       配套勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如下：

       基于客戶技術(shù)要求指標(biāo)和電機(jī)參數(shù)，選用電壓源型單元串聯(lián)多電平水冷高壓變頻器其硬件主要由油浸式移相變壓器功率單元控制系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)構(gòu)成

       油浸式移相變壓器通過?高效散熱抗短路設(shè)計(jì)多重?密封技術(shù)?，在工業(yè)級(jí)嚴(yán)苛環(huán)境中展現(xiàn)出高可靠性和長(zhǎng)壽命優(yōu)勢(shì)，故障率低；水冷系統(tǒng)采用?冗余水泵雙路切換機(jī)制智能監(jiān)控系統(tǒng)?及?耐腐蝕材料，可顯著提升系統(tǒng)容錯(cuò)能力，可靠性高設(shè)備的整體可靠性和穩(wěn)定性主要取決于功率單元和控制系統(tǒng)等

       能傳水冷高壓變頻器基本參數(shù)如下：

       變頻調(diào)速裝置一次系統(tǒng)圖如下：

圖1 變頻調(diào)速裝置一次系統(tǒng)圖

2.1 水冷功率單元結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

       水冷功率單元采用一體化和模塊化設(shè)計(jì)，主要硬件包括：整流電路，直流母線電路，逆變電路和通訊控制觸發(fā)電路等功率單元采用3300V電壓等級(jí)的IGBT作為主電路開關(guān)器件，單元電壓達(dá)到1450V，電流達(dá)到2100A

       整流二極管和逆變IGBT模塊安裝在水冷板上，功率單元整體只有一進(jìn)一出兩個(gè)水管，漏水概率低；功率單元接頭采用60度錐頭螺紋連接，使用機(jī)車級(jí)IGBT及長(zhǎng)壽命膜電容；驅(qū)動(dòng)電路具有開關(guān)過程中門極電阻多段自動(dòng)切換功能，開關(guān)損耗和du/dt降低約10%，兼?zhèn)鋭?dòng)態(tài)有源電壓鉗位技術(shù)，可有效抑制IGBT的尖峰電壓

       同時(shí)，功率單元配套了單元旁路功能，即一個(gè)單元故障時(shí)，故障單元可以自動(dòng)旁路，設(shè)備不停機(jī)，并且可以滿載運(yùn)行；兩個(gè)以上單元故障時(shí)，可以降額運(yùn)行單元旁路后，被旁路單元和系統(tǒng)之間有明顯的機(jī)械斷點(diǎn)，確保被旁路單元的內(nèi)部故障不會(huì)影響整機(jī)運(yùn)行，滿足本項(xiàng)目可靠性要求

2.2 主控系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)

       主控系統(tǒng)采用DSP+FPGA+ARM三核控制，分工明確，執(zhí)行效率高主控板采用一體化設(shè)計(jì)，集成度高，無板卡間接插導(dǎo)致的氧化和松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，并且采用全封閉防塵設(shè)計(jì)，避免了外部潮氣和導(dǎo)電粉塵的影響

       另外，主控系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，即主控板控制電源電壓和電流采樣控制系統(tǒng)至功率單元的光纖皆采用冗余配置，真正做到了控制系統(tǒng)全套冗余該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)1ms內(nèi)自動(dòng)切換，設(shè)備不停機(jī)，確保生產(chǎn)連續(xù)性

圖2 主控系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)框圖

2.3 低電壓穿越功能

       除硬件可靠設(shè)計(jì)外，為有效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)瞬時(shí)電壓波動(dòng)，最大限度保障工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性與安全性，本設(shè)備具有低電壓穿越功能，可在-40%電網(wǎng)電壓下降情況下保持長(zhǎng)期降額運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)零電壓穿越，有效提高系統(tǒng)在電網(wǎng)波動(dòng)或瞬時(shí)失電情況下的連續(xù)運(yùn)行性能

       針對(duì)外部惡劣天氣廠區(qū)內(nèi)大型設(shè)備起機(jī)或網(wǎng)段切換等情況導(dǎo)致的供電電源短時(shí)波動(dòng)跌落甚至中斷，當(dāng)電網(wǎng)跌落持續(xù)時(shí)間使功率單元電壓低于某一限值時(shí)，低電壓穿越功能激活，通過動(dòng)能緩沖平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載智能限幅和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速跟蹤等技術(shù)的有效整合，最大程度應(yīng)對(duì)供電質(zhì)量不穩(wěn)定問題，盡可能保證設(shè)備不受外部干擾，確保設(shè)備及輔助系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行

圖3 低電壓穿越功能設(shè)計(jì)框圖

2.4 無擾同步切換

       從生產(chǎn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)角度考慮，高壓變頻器的無擾同步切換功能可以?降低沖擊電流??保障設(shè)備安全??維持生產(chǎn)連續(xù)?及?優(yōu)化能效?，解決了傳統(tǒng)切換大電流沖擊帶來的局限性無擾切換需實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)電壓的幅值頻率和相位，并調(diào)節(jié)變頻器輸出參數(shù)以實(shí)現(xiàn)同步，對(duì)鎖相環(huán)精度和抗干擾能力有較高的要求同步上切過程如下：

       ① 合QF13進(jìn)線斷路器，啟動(dòng)高壓預(yù)充電程序；

       ② 預(yù)充電完成，QF1合閘，變頻器高壓帶電，變頻器自檢就緒后合QF11；

       ③ 變頻器接收到后臺(tái)（DCS）啟動(dòng)命令后，變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)≥90%額定轉(zhuǎn)速；

       ④ 變頻器接收到后臺(tái)（DCS）上切換命令后，電機(jī)運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的幅值和相位，使得變頻器的輸出電壓和電網(wǎng)電壓的頻率幅值和相位一致，二者的誤差在閾值范圍內(nèi)并維持一段時(shí)間，合QF12工頻斷路器，隨后變頻器停止輸出，斷開QF11QF13斷路器；

       ⑤ 電機(jī)工頻運(yùn)行

       電驅(qū)系統(tǒng)啟停時(shí)間短，抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，再有變頻器高可靠性技術(shù)的加持，汽驅(qū)改電驅(qū)已成為化工行業(yè)能效升級(jí)的核心路徑，其技術(shù)成熟度與經(jīng)濟(jì)效益得到廣泛驗(yàn)證本文對(duì)能傳水冷高壓變頻器所獨(dú)有的高可靠性技術(shù)和功能展開了介紹經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)兩年多的實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，機(jī)組設(shè)備未發(fā)生任何因變頻器故障導(dǎo)致的非計(jì)劃停機(jī)，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝控制和可靠性要求