能传水冷高压变频器在芳烃装置中的应用

       近年来，在“双碳”战略驱动下，国内化工行业正加速推进能源结构调整与生产设备升级以大型压缩机组为着力点，行业头部企业逐步淘汰传统蒸汽驱动模式，转向电力驱动系统这一转型不仅能降低单位产品能耗与碳排放强度，还能通过设备数字化改造推动生产系统智能化水平提升，形成环境效益与经济效益的双赢格局‌

       在技术应用层面，大容量高压变频器的突破性发展为电驱改造提供了关键支撑高压变频器通过精准调速控制，使压缩机组在不同工况下保持最佳运行效率，有效解决传统工频驱动存在的能源浪费问题

       针对电驱系统和设备的可靠性方面，客户调研和对比了当前多种技术方案，如变频软起后切工频多台电机互备的变频运行，变频器驱动系统一备或二备一的整体冗余方式等；同时，对进口和国产高压变频器品牌的性能价格可靠性和服务等进行全方位比较和权衡最终，能传电气大容量水冷高压变频器凭借高性能与高可靠性技术优势脱颖而出，成功应用于某芳烃装置离心压缩机，体现了能传产品和技术在化工流程工业中的核心价值

       该芳烃装置是国内单套产能最大的结晶工艺芳烃装置之一，年产能达160万吨，要求年运行时长超8000小时该装置设计压缩机组没有备机，选用国产3MCL1106离心式压缩机，设计可变调速运行范围为60%-110%，单机驱动功率达到30MW

       配套励磁同步电动机基本参数如下：

       基于客户技术要求指标和电机参数，选用电压源型单元串联多电平水冷高压变频器其硬件主要由油浸式移相变压器功率单元控制系统和冷却系统构成

       油浸式移相变压器通过‌高效散热抗短路设计多重‌密封技术‌，在工业级严苛环境中展现出高可靠性和长寿命优势，故障率低；水冷系统采用‌冗余水泵双路切换机制智能监控系统‌及‌耐腐蚀材料，可显著提升系统容错能力，可靠性高设备的整体可靠性和稳定性主要取决于功率单元和控制系统等

       能传水冷高压变频器基本参数如下：

       变频调速装置一次系统图如下：

图1 变频调速装置一次系统图

2.1 水冷功率单元结构和特点

       水冷功率单元采用一体化和模块化设计，主要硬件包括：整流电路，直流母线电路，逆变电路和通讯控制触发电路等功率单元采用3300V电压等级的IGBT作为主电路开关器件，单元电压达到1450V，电流达到2100A

       整流二极管和逆变IGBT模块安装在水冷板上，功率单元整体只有一进一出两个水管，漏水概率低；功率单元接头采用60度锥头螺纹连接，使用机车级IGBT及长寿命膜电容；驱动电路具有开关过程中门极电阻多段自动切换功能，开关损耗和du/dt降低约10%，兼备动态有源电压钳位技术，可有效抑制IGBT的尖峰电压

       同时，功率单元配套了单元旁路功能，即一个单元故障时，故障单元可以自动旁路，设备不停机，并且可以满载运行；两个以上单元故障时，可以降额运行单元旁路后，被旁路单元和系统之间有明显的机械断点，确保被旁路单元的内部故障不会影响整机运行，满足本项目可靠性要求

2.2 主控系统冗余设计

       主控系统采用DSP+FPGA+ARM三核控制，分工明确，执行效率高主控板采用一体化设计，集成度高，无板卡间接插导致的氧化和松动的风险，抗干扰能力强，并且采用全封闭防尘设计，避免了外部潮气和导电粉尘的影响

       另外，主控系统采用冗余设计，即主控板控制电源电压和电流采样控制系统至功率单元的光纤皆采用冗余配置，真正做到了控制系统全套冗余该设计可实现1ms内自动切换，设备不停机，确保生产连续性

图2 主控系统冗余设计框图

2.3 低电压穿越功能

       除硬件可靠设计外，为有效应对电网瞬时电压波动，最大限度保障工业生产的连续性与安全性，本设备具有低电压穿越功能，可在-40%电网电压下降情况下保持长期降额运行，并实现零电压穿越，有效提高系统在电网波动或瞬时失电情况下的连续运行性能

       针对外部恶劣天气厂区内大型设备起机或网段切换等情况导致的供电电源短时波动跌落甚至中断，当电网跌落持续时间使功率单元电压低于某一限值时，低电压穿越功能激活，通过动能缓冲平方转矩负载智能限幅和动态转速跟踪等技术的有效整合，最大程度应对供电质量不稳定问题，尽可能保证设备不受外部干扰，确保设备及辅助系统持续运行

图3 低电压穿越功能设计框图

2.4 无扰同步切换

       从生产系统整体设计角度考虑，高压变频器的无扰同步切换功能可以‌降低冲击电流‌‌保障设备安全‌‌维持生产连续‌及‌优化能效‌，解决了传统切换大电流冲击带来的局限性无扰切换需实时跟踪电网电压的幅值频率和相位，并调节变频器输出参数以实现同步，对锁相环精度和抗干扰能力有较高的要求同步上切过程如下：

       ① 合QF13进线断路器，启动高压预充电程序；

       ② 预充电完成，QF1合闸，变频器高压带电，变频器自检就绪后合QF11；

       ③ 变频器接收到后台（DCS）启动命令后，变频器驱动电机≥90%额定转速；

       ④ 变频器接收到后台（DCS）上切换命令后，电机运行到额定转速，调节变频器输出电压的幅值和相位，使得变频器的输出电压和电网电压的频率幅值和相位一致，二者的误差在阈值范围内并维持一段时间，合QF12工频断路器，随后变频器停止输出，断开QF11QF13断路器；

       ⑤ 电机工频运行

       电驱系统启停时间短，抗扰动能力强，再有变频器高可靠性技术的加持，汽驱改电驱已成为化工行业能效升级的核心路径，其技术成熟度与经济效益得到广泛验证本文对能传水冷高压变频器所独有的高可靠性技术和功能展开了介绍经过现场长达两年多的实际运行验证，机组设备未发生任何因变频器故障导致的非计划停机，完全满足现场工艺控制和可靠性要求