1. Введение
16 июля 2026 года в рамках второго этапа проекта по этилену PetroChina Dushanzi Petrochemical Tarim мощностью 1,2 миллиона тонн в год был успешно введен в эксплуатацию первая подача, что ознаменовало официальный ввод в эксплуатацию первого в Китае завода по производству этилена с полностью электрическими компрессорами, использующими отечественную технологию. Основное энергетическое оборудование завода этилена мощностью миллион тонн — этиленовый трехмашинный агрегат, состоящий из компрессора крекинг-газа, компрессора пропилена и компрессора этилена — напрямую определяет возможность непрерывной работы установки, уровень энергопотребления, эффективность эксплуатации и технического обслуживания..
Хотя традиционная технология привода паровой турбины является зрелой, она связана с высоким потреблением энергии и выбросами углерода. В соответствии с целями Китая по достижению пика выбросов углерода и углеродной нейтральности нефтехимическая промышленность ускоряет переход от «парового к электрическому» зеленому производству. Двигатель с регулируемой частотой обеспечивает значительные преимущества в энергосбережении; однако системы привода среднего напряжения сверхбольшой мощности для трехмашинных установок по этилену уже давно зависят от зарубежных поставок, что оставляет пробел в независимом внутреннем контроле.
Чтобы добиться локализации основного национального оборудования, при активной поддержке PetroChina Dushanzi Petrochemical Company, China Huanqiu Contracting & Engineering (Beijing) Company и Shenyang Turbo-Machinery Company компания Shanghai Nancal Electric Co., Ltd. преодолела множество технических проблем и успешно разработала сверхбольшие высокопроизводительные и высоконадежные приводы среднего напряжения для завода по производству этилена мощностью в миллион тонн. Компания предоставила комплексное системное решение, заполнив отечественный технологический пробел в полностью электрических трехмашинных системах привода этилена и предложив локализованный путь модернизации электрификации нефтехимической промышленности..
Рисунок 1: Этиленовая трехмашинная установка
Рис. 2. Привод среднего напряжения для этиленовой трехмашинной установки
2. Сравнение технологий приводных решений
Заводы по производству этилена требуют длительного, непрерывного и бесперебойного производства. Одно-единственное незапланированное отключение приведет к огромным экономическим потерям. Это предъявляет чрезвычайно высокие требования к стабильности работы и возможности регулирования энергоэффективности приводного оборудования компрессоров. Оба основных приводных решения имеют присущие им технические ограничения в практическом применении.
Для традиционного парового привода производительность паровой турбины сильно зависит от тепловых параметров паровой сети станции. Колебания температуры и давления пара напрямую влияют на точность регулирования скорости агрегата. Перед запуском оборудования требуется длительный процесс прогрева, продолжающийся от 4 до 8 часов, что приводит к медленной реакции запуска и остановки. Процесс термического преобразования потребляет большое количество энергии, а диапазон регулирования нагрузки ограничен, что затрудняет выполнение требований энергосбережения при работе с переменной нагрузкой.
Для электропривода привод с регулируемой частотой двигателя предлагает такие преимущества, как быстрая реакция на скорость, высокая точность регулирования и значительный потенциал энергосбережения . Однако замена традиционного парового привода по-прежнему требует систематического решения множества инженерных проблем: мощные системы с длинным валом склонны к крутильной вибрации, приводящей к усталостным повреждениям; неожиданные сбои в системе управления или силовых элементах главной цепи непосредственно угрожают непрерывности производства; а сверхбольшая мощность и средний уровень напряжения оборудования предъявляют чрезвычайно высокие требования к проектированию аппаратуры и разработке высокопроизводительных алгоритмов управления. Способность систематически преодолевать эти проблемы имеет решающее значение для успешного внедрения решения с полностью электрическим приводом.
3. Обзор системного решения
Полностью электрическое решение — это не просто модернизация технологии привода; это неизбежный путь промышленной трансформации, который уравновешивает три основных требования: инвестиции в инфраструктуру, управление эксплуатацией и техническим обслуживанием, а также низкоуглеродное сокращение выбросов углекислого газа..
Высоковольтный привод для этого проекта использует многоуровневую технологию водяного охлаждения серии ячеек с источником напряжения и инновационную архитектуру полного горячего резерва «2 операции и 1 резерв» (см. Рисунок 3): два главных привода и один резервный привод в сочетании с бесщеточными синхронными двигателями возбуждения для этиленового трехмашинного агрегата мощностью в миллион тонн. Эта конструкция сочетает в себе эксплуатационную надежность и использование ресурсов, полностью отвечая строгим технологическим требованиям длительной непрерывной работы и «нулевого незапланированного отключения» с точки зрения проектирования аппаратного обеспечения, стратегии управления и системной архитектуры.
Рис. 3. Привод среднего напряжения «2 рабочих и 1 резервный» Полная архитектура горячего резерва привода
«2-операционный и 1-резервный» полная рабочая логика архитектуры горячего резерва привода:
① Нормальное рабочее состояние: два главных привода соответственно приводят в действие соответствующие двигатели, обеспечивая стабильную работу компрессоров. Резервный привод непрерывно собирает рабочие данные в реальном времени от обоих двигателей и остается в состоянии горячего резерва.
② Состояние неисправности: при выходе из строя любого из главных приводов резервный привод может быстро переключиться и взять на себя управление основным приводом в течение 200 мс . После переключения скорость двигателя больше не падает, обеспечивая непрерывную работу агрегата без остановки.
4. Базовая конфигурация преобразователя среднего напряжения
5. Четыре основные технологии для высокой надежности
5.1 Архитектура полного резерва «2 рабочих и 1 резервный»
Первая в отрасли инновация , использующая один резервный диск для резервирования двух основных дисков. Резервный привод непрерывно собирает напряжение, частоту и другие сигналы от обоих двигателей. В случае неисправности он быстро обеспечивает синхронизацию фазы и берет на себя управление, сводя к минимуму помехи тока во время переключения — решение проблем медленного переключения и частых отключений в традиционных решениях..
5.2 Конструкция с полным резервированием основной системы управления
Основная система управления каждого привода включает в себя две основные платы управления, резервный ПЛК, резервную связь, резервный источник питания управления и резервную оптоволоконную линию, что обеспечивает настоящее полноканальное резервирование основной системы управления . Такая конструкция обеспечивает время переключения основной системы управления менее 1 мс , поддерживает оперативную замену основных плат управления, исключает отдельные точки отказа в источнике и обеспечивает лучшую в отрасли надежность основной системы управления.
Рис. 4. Схема резервирования основной системы управления.
5.3 Технология централизованного обхода силовых ячеек
Система быстрого обхода силового элемента использует независимую централизованную плату обхода, источник питания управления обходом и выделенный канал связи. Вся система электрически изолирована от главной цепи силового элемента . Даже в экстремальных условиях неисправности, таких как полный отказ силового элемента, потеря питания платы управления или прерывание связи, система все равно может быстро выполнить обход неисправного элемента, обеспечивая непрерывную работу установки. В то же время технология смещения нейтральной точки регулирует положение нейтральной точки для поддержания сбалансированного трехфазного выходного напряжения и максимального использования выходного напряжения.
5.4 Идентификация крутильных колебаний и технология активного подавления
Работа компрессора высокой мощности с частотно-регулируемым приводом подвержена гармоническим воздействиям, которые могут вызывать крутильную вибрацию вала. Длительная вибрация может привести к усталостному повреждению системы валов. Компания Nancal Electric построила физический испытательный стенд с двумя двигателями, соединенными спиной к спине, для проверки возбуждения, идентификации и различных методов подавления крутильных колебаний, в конечном итоге разработав технологию идентификации крутильных колебаний и активного подавления. Эта технология обеспечивает активное подавление крутильных колебаний на основе принципа электрической компенсации демпфирования, подходящее как для сценариев с одним, так и с двумя двигателями. Он способен одновременно подавлять крутильные колебания первого и второго порядка во всем диапазоне скоростей. Измеряемую амплитуду крутильных колебаний можно снизить до одной трети от уровня предварительного гашения, что значительно снижает риски усталости вала и обеспечивает длительную безопасную и стабильную работу компрессорной установки..
Кроме того, привод объединяет в себе функцию поддержки низкого напряжения (LVRT), прогнозирования и управления работоспособностью (PHM), запись формы сигнала неисправности в реальном времени, онлайн-мониторинг состояния и другие функции , полностью адаптируясь к сложным условиям эксплуатации нефтехимической промышленности и требованиям непрерывного производства этиленовых установок.
6. Проверка на месте
После завершения полных типовых испытаний на заводе высоковольтный привод для этого проекта прошел ввод в эксплуатацию системы, подключение к сети и нагрузочные испытания, а также функциональную проверку на площадке PetroChina Dushanzi Petrochemical Tarim мощностью 1,2 миллиона тонн в год, этап II проекта по этилену. Весь процесс строго соответствовал спецификациям безопасности и технологическим требованиям нефтехимического завода, успешно завершая включение питания, ввод в эксплуатацию без нагрузки, пробную эксплуатацию под нагрузкой, полную проверку переключения привода в режим горячего резерва и другие важные этапы..
Проверка на месте была сосредоточена на характеристиках переключения между основным и резервным приводами. Время переключения с неисправного главного привода на резервный составило менее 200 мс. . В процессе переключения скорость двигателя оставалась стабильной без воздействия , полностью отвечая требованиям непрерывного производственного процесса на установках по производству этилена. Переключение главной системы управления, быстрый байпас силовой ячейки и другие функции были проверены в реальных условиях эксплуатации. Полный привод работал стабильно и с быстрым откликом.
На рисунке ниже показана измеренная форма сигнала переключения основного привода на месте на резервный привод, наглядно демонстрирующая рабочие характеристики всего процесса переключения.
Рис. 5. Измеренная форма сигнала переключения основного и резервного приводов.
7. Ценность применения и значение отрасли
Первый в Китае привод среднего напряжения для трехмашинного этиленового агрегата с полным электрическим приводом для этого проекта является самым мощным приводом, когда-либо поставлявшимся для этиленовых электрокомпрессорных установок в отрасли . По сравнению с традиционными решениями с паровым приводом, вся установка занимает меньше площади, имеет упрощенную системную архитектуру и обеспечивает более безопасный и удобный запуск, а также рутинную эксплуатацию и техническое обслуживание. Его общее энергопотребление достигает эталонного отраслевого уровня, а также позволяет интегрировать экологически чистую электроэнергию, обеспечивая воспроизводимый путь для «зеленого» перехода нефтехимической промышленности от пара к электричеству.
Что еще более важно, это решение разрушает давнюю монополию иностранных технологий , создавая полностью локализованный, реализуемый и масштабируемый инженерный опыт . Его можно применять как к новым проектам по производству этилена класса миллион тонн, так и к модернизации существующих установок. Он не только напрямую способствует независимому контролю над ключевым нефтехимическим оборудованием, но также обеспечивает надежную поддержку для обеспечения безопасности энергетической отрасли и цепочки поставок.
Используя это в качестве новой отправной точки, Nancal Electric продолжит углублять свое присутствие в нефтехимическом секторе, расширяя возможности экологически чистой и низкоуглеродной модернизации отрасли с помощью высоконадежных решений с частотно-регулируемым приводом.