一．概述：

京能集團(tuán)內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)京隆發(fā)電有限責(zé)任公司，有兩臺600MW發(fā)電機組。電動給水泵電機功率11000KW。給水泵是電廠最大的輔機，功率消耗在廠用電率中占的比例最大。電機啟動對電網(wǎng)的沖擊極大，影響系統(tǒng)安全。

為降低廠用電率并提高系統(tǒng)安全，給水泵可以通過上高壓變頻器達(dá)到節(jié)能，并降低廠用電率的目的。同時變頻軟起動對電網(wǎng)沒有沖擊，保證系統(tǒng)安全。因此給水泵的變頻改造，成為電廠需要重點解決的問題。

二．設(shè)備情況：

2.1系統(tǒng)配置：

每臺機組配置3臺50%額定容量的給水泵。通過液耦調(diào)速調(diào)節(jié)流量和揚程。機組負(fù)荷大于400MW時雙泵運行，小于400MW時單泵運行。由于電機功率極大，頻繁啟動對電網(wǎng)的沖擊極大，因此給水泵一般都是雙泵運行。機組低負(fù)荷時，給水泵的轉(zhuǎn)速低，因此改造的節(jié)電空間大。

2.2給水泵組參數(shù)：

給水泵揚程：2276.5m

給水泵流量：1295M3/h

額定軸功率：8905KW

2.3 液耦參數(shù)

液耦輸出功率：8905KW

齒輪箱增速比：3.88

效率：94.2%

額定滑差：3%

2.4 電動機參數(shù)

電機額定功率：  11000KW

電機額定電壓：  10KV

額定電流：      722A

三．采用高壓變頻器代替液耦節(jié)能的基本原理

電廠機組負(fù)荷的變化范圍很大。給水泵的揚程，流量的變化范圍很大。給水泵的轉(zhuǎn)速變化范圍很大。

給水泵采用液耦調(diào)速。由于功率為轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積，液耦泵輪的輸入轉(zhuǎn)矩和渦流的輸出轉(zhuǎn)矩一樣，因此液耦的效率與輸出和輸入轉(zhuǎn)速的比值n2/n1成正比。液耦的額定滑差3%，會另外增加至少3%的損耗。按齒輪箱變比，電機轉(zhuǎn)速，液耦最高轉(zhuǎn)速計算，滑差3%對應(yīng)的轉(zhuǎn)速差為174r/min，且變化不大。速度越低，滑差與實際轉(zhuǎn)速的比值越高，滑差損耗比例越大。低速時，滑差損耗約4%-5%。

機組低負(fù)荷時，給水泵轉(zhuǎn)速極低，則液耦的效率下降很多。采用變頻器時，將液耦泵輪和渦流用聯(lián)軸器直聯(lián)，沒有滑差，則液耦效率最高，然后用變頻器調(diào)節(jié)給水泵的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速的變化范圍就是節(jié)電率。轉(zhuǎn)速越低，節(jié)電率越高。

雙泵時，系統(tǒng)損耗為單泵的2倍。機組負(fù)荷越低，給水泵轉(zhuǎn)速越低，節(jié)電率雖高，但此時泵的功率降低，總的節(jié)電功率并不高，雙泵的損耗比單泵大。會產(chǎn)生節(jié)電不節(jié)錢的現(xiàn)象。

由于系統(tǒng)有余量，機組滿負(fù)荷時，給水泵的速度高，此時的節(jié)電率雖不高，但泵的功率高，節(jié)電功率不小。將液耦改為增速齒輪箱，消除滑差，可以提高節(jié)電率，則提高的節(jié)電功率不可小覷。則滿載運行時，會產(chǎn)生節(jié)電率不高，但節(jié)電功率不小，仍然節(jié)省錢的現(xiàn)象。

實際在機組負(fù)荷中等時，節(jié)電率和運行功率，節(jié)電功率都是中等，即節(jié)電，也節(jié)錢，實際的節(jié)電效果較好。在考核節(jié)電效果時，不能片面地只考核節(jié)電率，更應(yīng)該考核節(jié)電功率和總運行功率，應(yīng)使總運行功率最小，才能使廠用電率最低。

給水泵的容量為50%，二用一備。一般是400MW以上雙泵，400MW以下單泵。由于電機直接啟動對電網(wǎng)的沖擊大。即使負(fù)荷低于400MW，也經(jīng)常雙泵運行。避免電機啟動對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。

這種雙泵運行，用變頻器可以顯示出巨大的優(yōu)勢。轉(zhuǎn)速越低，節(jié)電效果越好。變頻器對電機是軟啟動，可以頻繁啟動。則變頻運行時可以單泵運行，需要雙泵時也是變頻軟啟動，對電網(wǎng)沒有任何沖擊。雙泵改單泵時，系統(tǒng)損耗為單泵損耗，可以使總功率最小。

由于單泵的損耗小于雙泵，單泵比雙泵總功率更小。因此機組負(fù)荷低時單泵運行，負(fù)荷高且單泵出力不足時，才雙泵運行。電機的變頻啟動不會對電網(wǎng)有任何沖擊。

四．改造方案和改造過程：

改造分為兩個階段。先對#1機組進(jìn)行改造，然后再改#2機組。#1機組的變頻器于2021年10月投運。#2機組于2022年9月投運。

變頻器采用東芝三菱的TMdrive-MVG2水冷高壓變頻器，實際是純水直接冷卻的變頻器。水冷的特點是換熱效率高，冷卻效果好，外循環(huán)水的流量要求少，對水溫要求不高，散熱器溫度低且均勻，功率元件溫度低且壽命長。因此本項目采用水冷高壓變頻器是改造的關(guān)鍵。

另一個關(guān)鍵就是將液耦改成增速齒輪箱。將液耦的泵輪和渦流用聯(lián)軸器直接連接，消除了170r/min的滑差。最高轉(zhuǎn)速節(jié)電率提高3%，低轉(zhuǎn)速時節(jié)電率提高4%-5%。在給水泵功率高時，則增加3%的節(jié)電率，節(jié)電功率的增加值不可小覷。因此這樣的改造方案，可以使運行功率最小。

以下為變頻器室內(nèi)的變頻器，水冷柜及冷卻用純水。

五．改造中重點解決的幾個問題：

為了降低運行功率，將液耦改造成升速齒輪箱。液耦內(nèi)的泵輪和渦流用聯(lián)軸器直接連接，消除滑差損耗，提高節(jié)電率。這對于高負(fù)荷時節(jié)電功率的提高至關(guān)重要。因為高負(fù)荷時節(jié)電率低，但電機功率大。改造后能增加節(jié)電率，則節(jié)電功率的提高不可小覷。這種改造，特別適合單泵運行時節(jié)電功率的提高，可以提高單、雙泵切換的機組負(fù)荷點。這種方案對節(jié)電功率的提高功不可沒。

液耦改造成升速齒輪箱，電機只能變頻運行，沒有工頻旁路。對于變頻器的可靠性的要求更高，因此本項目采用東芝三菱的水冷高壓變頻器，屬于國際一流的進(jìn)口制造商品牌。該電廠凝泵上使用的東芝三菱的高壓變頻，從2010年開始運行至今，可靠性非常高。

變頻器為純水直接冷卻。水冷柜與單元柜之間采用純水，也是絕緣水。通過純水將單元的熱量帶走，然后通過水冷柜內(nèi)的板換，與外循環(huán)水進(jìn)行熱交換，用外循環(huán)水將熱量帶走。外循環(huán)水采用電廠的閉式除鹽水，水質(zhì)非常好，不會造成水冷柜板換的堵塞，可以保證水冷柜的換熱效果。

變頻器的品牌選擇。選用東芝三菱(TMEIC)的TMdrive-MVG2水冷高壓變頻器。

六．東芝三菱的高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

采用單元串聯(lián)多脈沖整流多電平逆變電壓源變頻器。電機功率11000KW，電流722A。變頻器的輸出電壓近似正弦波，輸出電流為純正弦波。

給水泵對變頻器的基本要求，動態(tài)調(diào)節(jié)性能要與液耦一致，要求變頻器啟動的加速時間小于40秒。東芝三菱的變頻器，具有加速不過載，減速不過壓的特性。加速時間可以小于30秒，動態(tài)特性超過液耦。另外變頻器還具有永不過載的特性，不會由于過載保護(hù)動作而跳閘，因此運行的可靠性大大提高了。

如此大功率的變頻器，東芝三菱在國內(nèi)的業(yè)績非常多，尤其是在高爐風(fēng)機和石化壓縮機方面，以及燒結(jié)主抽風(fēng)機中的業(yè)績非常多，而且性能可靠?？梢宰畲笙薅鹊乇ＷC機組運行的安全。

東芝三菱的高壓變頻器，采用日本指月公司生產(chǎn)，原裝進(jìn)口的自愈式金屬化薄膜電容。電容終身不會發(fā)生短路故障，變頻器20年的壽命內(nèi)，電容不會損壞，也不需要更換。不但降低了單元的故障概率，同時用戶售后維護(hù)中無需更換電容的費用，大大降低了售后維護(hù)的成本，還可以提高使用壽命。

變頻器采用速度和電流雙閉環(huán)的閉環(huán)矢量控制。速度閉環(huán)控制使得速度非常穩(wěn)定，對給水泵的流量和揚程的精確調(diào)節(jié)有利。由于給水泵的速度調(diào)節(jié)范圍較小，在有限的速度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，流量的變化范圍極大。較小的頻率變化率，會產(chǎn)生很大的流量變化。變頻器對于頻率的變化率的控制精度，可以達(dá)到0.004%，可以應(yīng)對任何流量變化率的要求。因此實際的流量變化率不由變頻器決定，而由DCS輸出頻率控制信號的分辨率決定。一般要求必須小于0.1%，最好是小于0.01%，這樣可以對流量進(jìn)行非常精準(zhǔn)的控制。

七．水冷變頻器與空冷變頻器的性能對比

水冷變頻器即純水直接冷卻變頻器，單元采用的是水冷散熱器，內(nèi)部開通內(nèi)循環(huán)水的水槽。采用的內(nèi)循環(huán)水為絕緣的純水。散熱器輸入和輸出的插頭和插座為自密封式，分離后自動封閉不會漏水。由于水的比熱容非常大，較小的水流量可以帶走大量的熱量。水溫和散熱器的溫度差非常小，冷卻效果非常好。冷、熱水的溫差一般不超過3℃。正常負(fù)荷下，溫差只有1℃-2℃?？梢允拐麄€散熱器的溫度差非常小，溫度非常均勻。設(shè)計的內(nèi)循環(huán)水溫度 不超過35℃，41℃報警。水冷變頻器對水溫的要求比空水冷寬。水冷柜通過板換和外循環(huán)水進(jìn)行熱交換，由于換熱效率高，外循環(huán)水與內(nèi)循環(huán)水的溫差可忽略。因此外循環(huán)水的溫度可以放寬到35℃，可以用電廠的潔凈的閉式循環(huán)水。

水冷散熱器的溫度非常均衡，可以使所有功率元件散熱面的溫度基本一致。水溫和散熱器之間的溫差非常小，而且散熱器的溫度低，則對于功率元件的冷卻效果就非常好。因為功率元件的壽命是受溫度影響很大，溫度升高，壽命縮短很快。因此降低散熱器和功率元件的溫度，則可以大大延長使用壽命。這是水冷變頻器的優(yōu)點。下圖為水冷散熱器。

以下為水冷單元的接口及水冷柜的圖片，以及單元柜的冷卻水總管和各個單元之間的支管的圖片。最短的支管長度也比較長，因此即使冷卻水的電導(dǎo)率變差，絕緣電阻還非常大，絕緣性能可以保證。

本項目電機功率11000KW，只用一臺水冷柜并且體積不大，水冷柜的制冷量相當(dāng)于兩臺大功率的空水冷的制冷量。但體積卻很小，而且耗水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空水冷的耗水量。另外單元內(nèi)部，有電容放電電阻的部分損耗，發(fā)熱量不大。因此單元柜的柜頂還是有2臺1.5KW的冷卻風(fēng)機，通風(fēng)直接排向室內(nèi)，冬季室內(nèi)溫度不會太低。單元柜頂無通風(fēng)風(fēng)道，無通風(fēng)損耗。

水冷柜水泵的功率5.5KW，實際運行時，兩臺柜頂風(fēng)機和水泵的合計功率消耗約6KW。比空冷變頻器加空水冷的合計通風(fēng)損耗小不少，因此節(jié)電效果更好。

空冷變頻器的特點：空冷變頻器采用空冷散熱器。冷卻風(fēng)通過散熱器的翅片進(jìn)行熱交換（見下圖）。冷卻效果和翅片與空氣接觸的總面積有關(guān)。由于空氣的比熱容非常小，因此需要大量的風(fēng)通過散熱器的翅片。散熱器的翅片與空氣之間的換熱效率低，因此散熱器的溫度要比風(fēng)溫高不少。另外冷風(fēng)從散熱器的入口到出口，溫度逐漸升高，離開散熱器的出風(fēng)口風(fēng)溫，比進(jìn)風(fēng)口高很多，通風(fēng)的溫升比較高。再加上散熱器的溫度比風(fēng)溫高不少，這就使散熱器的溫度極不均衡。進(jìn)風(fēng)口溫度低，出風(fēng)口溫度高。因此會使出風(fēng)口的功率元件的溫度高，過熱保護(hù)更容易發(fā)生，則空冷變頻器功率元件的散熱器溫度比水冷變頻器要高不少。對元件壽命有影響。

本項目如果采用空冷的變頻器，由于功率極大，單元柜頂需要6臺1.5KW的風(fēng)機，通風(fēng)量極大。需要配兩臺大功率的空水冷，并用兩套風(fēng)道與空水冷連接。通風(fēng)的風(fēng)阻極大，增壓風(fēng)機的功率大，通風(fēng)的功率損耗大。而且兩臺空水冷的體積很大，風(fēng)道的體積很大，用水量也極大。

空冷變頻器的單元柜柜頂，有6臺1.5KW的風(fēng)機，空水冷有兩套5.5KW的風(fēng)機，合計20KW，實際功率消耗約15KW，比水冷變頻器多耗電9KW。按電廠2019-2020年的平均年運行時間8800小時計算，則水冷變頻器可以多節(jié)電79200KWH/年。

冷卻效果和對室內(nèi)溫度的影響：夏季閉式循環(huán)水用開式循環(huán)水冷卻，因此閉式循環(huán)水的溫度不高，室內(nèi)最高溫度約30℃。開啟空調(diào)時，室內(nèi)溫度控制在26℃。

由于單元柜電容放電電阻的發(fā)熱量通過風(fēng)機排向室內(nèi)，冬季室內(nèi)溫度并不低。實際在冬季11月份室外溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于零下時，室內(nèi)溫度可以達(dá)到25℃左右。完全不用擔(dān)心水冷柜的管道是否會被凍壞。因此水管的安全是可以得到保證的。

對于外部冷卻循環(huán)水流量的影響：采用空水冷時，由于換熱效率低，冷卻后的出風(fēng)溫度比水溫高5℃左右，夏季水溫最高可能達(dá)到33℃，則室內(nèi)溫38-40℃，對變頻器的安全運行極為不利。因此為了降低溫度，空水冷對水流量的要求非常大。變頻單元柜的空水冷需要的水量為50 M3/H。

而水冷變頻器，由于板換換熱效率極高，內(nèi)、外循環(huán)水的溫差極小，可以忽略。內(nèi)水允許的溫度也高，因此對外水的流量要求不高，可以降低對外水的流量要求。使循環(huán)水流量減少。實際水冷柜的外循環(huán)水的流量，標(biāo)準(zhǔn)為18 M3/H，實際即使降低到10 M3/H，冷卻效果也完全沒有問題。則對外循環(huán)水量的流量要求大大減少?？梢越档屯庋h(huán)水泵的功率損耗。

八. 水冷控制柜

水冷控制柜是水冷變頻器的核心，由冗余配置的兩臺循環(huán)水泵，高位水箱，板換和離子交換器組成。高位水箱用于補水。離子交換器用于降低電導(dǎo)率，板換用外循環(huán)水冷卻內(nèi)循環(huán)水。

水冷柜的內(nèi)循環(huán)水流量，由水泵控制，是獨立的流量。不受外循環(huán)水流量的影響。設(shè)計值比較大，為18M3/H。可以使冷卻后的熱水溫度與冷水溫度之差，控制在1℃-2℃的范圍內(nèi)，回水的溫度很低。冷卻效果好。可以使水冷散熱器的溫度非常均衡。

水冷柜內(nèi)部的板式換熱器，用于內(nèi)水和外水之間的換熱，由于片數(shù)多，換熱面積非常大，換熱效率高，內(nèi)、外水的溫度之差可以忽略，因此對外循環(huán)水的流量要求不高，水溫要求也不高。設(shè)計的外循環(huán)水溫度可以達(dá)到35℃。

離子交換器用于降低內(nèi)水的電導(dǎo)率，提高絕緣性能。由于變頻器內(nèi)部供水母管到各個單元的絕緣水管的支管非常長，可以使絕緣電阻大幅度增加，增加了電氣安全性。因此即使電導(dǎo)率略高，對變頻器的安全沒有影響。

九.水冷變頻器和空冷變頻器的優(yōu)越性歸納如下

水冷變頻器與空冷變頻器加空水冷相比。具有冷卻效果好，散熱器溫度低且均衡，功率元件壽命長的特點。而且通風(fēng)損耗小，每臺變頻可以節(jié)省9KW的通風(fēng)損耗。增加一臺體積很小的水冷柜，但可以節(jié)省兩臺體積很大的空水冷，還可以省去風(fēng)道。外循環(huán)水的流量要求小，溫度要求范圍寬。水冷柜的管徑DN50，比空水冷的管徑DN80小不少。因此總的施工成本減少，而總成本卻差不多。因此水冷變頻器是大功率和超大功率變頻器的發(fā)展方向。冷卻效果好，可以延長整機壽命。

十. 改造后的效益分析

機組負(fù)荷按300MW-600MW，每50MW一個測量點，超低負(fù)荷240MW一個測量點。

根據(jù)電網(wǎng)工頻輸入電流和電機功率因數(shù)計算輸入功率。改造后記錄變頻器輸入電流，按變頻器功率因數(shù)0.95計算輸入功率。然后和工頻輸入功率進(jìn)行比較。變頻功率已經(jīng)考慮了變頻器的損耗，其他損耗很小可忽略。

低負(fù)荷時單泵，高負(fù)荷時雙泵。單泵變頻和單泵工頻比較。雙泵變頻和雙泵工頻比較。再對機組運行的總功率，進(jìn)行單、雙泵以及變頻和工頻的比較。

機組負(fù)荷400MW為單、雙泵的切換點。即有單泵，也有雙泵運行的數(shù)據(jù)。單泵電流大，雙泵電流小。單泵運行的功率為機組功率。雙泵運行，沒有B泵的數(shù)據(jù)，以A泵功率的2倍，作為機組總功率。450MW以上，機組功率為兩臺泵的功率之和。

單泵運行時轉(zhuǎn)速高，節(jié)電率雖低，但運行功率高，而且只有一套泵和液耦及變頻器的損耗，總損耗小，因此總功率小。雙泵運行時損耗加倍。雖然轉(zhuǎn)速低，節(jié)電率高，但總功率高。因此單泵比雙泵運行更加節(jié)電。采用單泵可以使總功率降低。

以下為工頻運行數(shù)據(jù)。其中400MW單泵9312Kw，雙泵時按A泵功率的2倍13074kW作為總功率。工頻單泵比雙泵節(jié)電13074-9313=3762Kw。節(jié)電率28.8%。單泵比雙泵總功率小得多。因此應(yīng)盡量單泵運行。

    以下為機組變頻運行的數(shù)據(jù)。

機組400MW時，變頻單泵6828kW，比雙泵8204kW小，單泵比雙泵更節(jié)電。單泵變頻工頻節(jié)電2484kW，節(jié)電率26.7%。雖然小于雙泵的節(jié)電功率和節(jié)電率，但總功率6828kW卻是最小的。如果單泵變頻和雙泵工頻比較，節(jié)電13074-6828=6246kW，節(jié)電率47.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙泵變頻的節(jié)電功率和節(jié)電率。

單泵運行功率小，比雙泵節(jié)電功率好得多。因此應(yīng)盡量單泵運行。盡量提高單泵向雙泵切換的機組負(fù)荷點。400MW時變頻單泵6828kW小于雙泵8204kW。500MW變頻雙泵10256kW。變頻器的功率為11000kW。因此變頻器單泵至少可以帶500MW的機組負(fù)荷，預(yù)計會在9000kW左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于變頻器的額定功率，切換點可以提高到500MW。比雙泵變頻運行的節(jié)電功率要高得多?？梢允箍偣β首钚?。

滿載的節(jié)電率18.4%雖不高，但機組兩臺變頻器的合計節(jié)電功率3168kW也不少。尤其是將液耦改為增速齒輪箱后，提高了不小于3%的節(jié)電率，單泵400MW運行的節(jié)電功率至少增加205kW。在機組滿載時，雙泵運行節(jié)電功率至少增加420kW，不可小覷。

超低負(fù)荷240MW時，節(jié)電率34.5%很高，與450MW時的節(jié)電率34.7%接近。但實際節(jié)電功率1988kW不高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于450MW時的節(jié)電功率4665KW。這是因為240MW工頻運行5756kW不高。400MW到500MW的區(qū)間，節(jié)電功率最高。如果能單泵變頻運行，總功率小于雙泵變頻功率，則比工頻雙泵的節(jié)電效果好得多。

 以下為400MW時單泵的節(jié)電功率表。變頻功率僅6828kW。

以下為400MW時雙泵的節(jié)電功率表。變頻雙泵8204kW，比單泵6828KW高不少。雖然比雙泵工頻的節(jié)電功率很高，但雙泵功率大于單泵功率。若單泵變頻與雙泵工頻比較，節(jié)電功率6246kW，節(jié)電率47.8%。

根據(jù)電廠自己的統(tǒng)計，近2年的年運行平均小時數(shù)8800小時。廠用電率平均降低0.92%，平均年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤11949噸，年減少二氧化碳排放35039噸。除了節(jié)電產(chǎn)生的效益，按碳排放的交易價格，僅碳排放的減少間接產(chǎn)生的效益可以達(dá)到140萬元。

參考文獻(xiàn)：

【1】內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責(zé)任公司1號機組電泵變頻改造節(jié)能效益報告

【2】東芝三菱TMEIC水冷高壓變頻器內(nèi)部資料

【3】現(xiàn)場照片

作者簡介：

吳自強，1960年6月，東芝三菱電機工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司，高壓變頻器的高級技術(shù)支持工程師，從事東芝三菱高壓變頻器技術(shù)工作22年。