一．概述：

京能集團內蒙古豐鎮京隆發電有限責任公司，有兩臺600MW發電機組。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。電機啟動對電網的沖擊極大，影響系統安全。

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

二．設備情況：

2.1系統配置：

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

2.2給水泵組參數：

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

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

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能的基本原理

電廠機組負荷的變化范圍很大。給水泵的揚程，流量的變化范圍很大。給水泵的轉速變化范圍很大。

給水泵采用液耦調速。由于功率為轉速與轉矩的乘積，液耦泵輪的輸入轉矩和渦流的輸出轉矩一樣，因此液耦的效率與輸出和輸入轉速的比值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，電機轉速，液耦最高轉速計算，滑差3%對應的轉速差為174r/min，且變化不大。速度越低，滑差與實際轉速的比值越高，滑差損耗比例越大。低速時，滑差損耗約4%-5%。

機組低負荷時，給水泵轉速極低，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軸器直聯，沒有滑差，則液耦效率最高，然后用變頻器調節給水泵的轉速。轉速的變化范圍就是節電率。轉速越低，節電率越高。

雙泵時，系統損耗為單泵的2倍。機組負荷越低，給水泵轉速越低，節電率雖高，但此時泵的功率降低，總的節電功率并不高，雙泵的損耗比單泵大。會產生節電不節錢的現象。

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

實際在機組負荷中等時，節電率和運行功率，節電功率都是中等，即節電，也節錢，實際的節電效果較好。在考核節電效果時，不能片面地只考核節電率，更應該考核節電功率和總運行功率，應使總運行功率最小，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的沖擊大。即使負荷低于400MW，也經常雙泵運行。避免電機啟動對電網產生沖擊。

這種雙泵運行，用變頻器可以顯示出巨大的優勢。轉速越低，節電效果越好。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，對電網沒有任何沖擊。雙泵改單泵時，系統損耗為單泵損耗，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。因此機組負荷低時單泵運行，負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鍵。

另一個關鍵就是將液耦改成增速齒輪箱。將液耦的泵輪和渦流用聯軸器直接連接，消除了170r/min的滑差。最高轉速節電率提高3%，低轉速時節電率提高4%-5%。在給水泵功率高時，則增加3%的節電率，節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。液耦內的泵輪和渦流用聯軸器直接連接，消除滑差損耗，提高節電率。這對于高負荷時節電功率的提高至關重要。因為高負荷時節電率低，但電機功率大。改造后能增加節電率，則節電功率的提高不可小覷。這種改造，特別適合單泵運行時節電功率的提高，可以提高單、雙泵切換的機組負荷點。這種方案對節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，然后通過水冷柜內的板換，與外循環水進行熱交換，用外循環水將熱量帶走。外循環水采用電廠的閉式除鹽水，水質非常好，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撲結構。

采用單元串聯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，動態調節性能要與液耦一致，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，東芝三菱在國內的業績非常多，尤其是在高爐風機和石化壓縮機方面，以及燒結主抽風機中的業績非常多，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，原裝進口的自愈式金屬化薄膜電容。電容終身不會發生短路故障，變頻器20年的壽命內，電容不會損壞，也不需要更換。不但降低了單元的故障概率，同時用戶售后維護中無需更換電容的費用，大大降低了售后維護的成本，還可以提高使用壽命。

變頻器采用速度和電流雙閉環的閉環矢量控制。速度閉環控制使得速度非常穩定，對給水泵的流量和揚程的精確調節有利。由于給水泵的速度調節范圍較小，在有限的速度調節范圍內，流量的變化范圍極大。較小的頻率變化率，會產生很大的流量變化。變頻器對于頻率的變化率的控制精度，可以達到0.004%，可以應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%，這樣可以對流量進行非常精準的控制。

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，內部開通內循環水的水槽。采用的內循環水為絕緣的純水。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。設計的內循環水溫度 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水進行熱交換，由于換熱效率高，外循環水與內循環水的溫差可忽略。因此外循環水的溫度可以放寬到35℃，可以用電廠的潔凈的閉式循環水。

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，而且耗水量遠遠小于空水冷的耗水量。另外單元內部，有電容放電電阻的部分損耗，發熱量不大。因此單元柜的柜頂還是有2臺1.5KW的冷卻風機，通風直接排向室內，冬季室內溫度不會太低。單元柜頂無通風風道，無通風損耗。

水冷柜水泵的功率5.5KW，實際運行時，兩臺柜頂風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損耗小不少，因此節電效果更好。

空冷變頻器的特點：空冷變頻器采用空冷散熱器。冷卻風通過散熱器的翅片進行熱交換（見下圖）。冷卻效果和翅片與空氣接觸的總面積有關。由于空氣的比熱容非常小，因此需要大量的風通過散熱器的翅片。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溫高不少。另外冷風從散熱器的入口到出口，溫度逐漸升高，離開散熱器的出風口風溫，比進風口高很多，通風的溫升比較高。再加上散熱器的溫度比風溫高不少，這就使散熱器的溫度極不均衡。進風口溫度低，出風口溫度高。因此會使出風口的功率元件的溫度高，過熱保護更容易發生，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的風機，通風量極大。需要配兩臺大功率的空水冷，并用兩套風道與空水冷連接。通風的風阻極大，增壓風機的功率大，通風的功率損耗大。而且兩臺空水冷的體積很大，風道的體積很大，用水量也極大。

空冷變頻器的單元柜柜頂，有6臺1.5KW的風機，空水冷有兩套5.5KW的風機，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電79200KWH/年。

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

由于單元柜電容放電電阻的發熱量通過風機排向室內，冬季室內溫度并不低。實際在冬季11月份室外溫度已經遠遠低于零下時，室內溫度可以達到25℃左右。完全不用擔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，冷卻后的出風溫度比水溫高5℃左右，夏季水溫最高可能達到33℃，則室內溫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、外循環水的溫差極小，可以忽略。內水允許的溫度也高，因此對外水的流量要求不高，可以降低對外水的流量要求。使循環水流量減少。實際水冷柜的外循環水的流量，標準為18 M3/H，實際即使降低到10 M3/H，冷卻效果也完全沒有問題。則對外循環水量的流量要求大大減少?？梢越档屯庋h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率，板換用外循環水冷卻內循環水。

水冷柜的內循環水流量，由水泵控制，是獨立的流量。不受外循環水流量的影響。設計值比較大，為18M3/H?？梢允估鋮s后的熱水溫度與冷水溫度之差，控制在1℃-2℃的范圍內，回水的溫度很低。冷卻效果好?？梢允顾渖崞鞯臏囟确浅＞狻?/p>

水冷柜內部的板式換熱器，用于內水和外水之間的換熱，由于片數多，換熱面積非常大，換熱效率高，內、外水的溫度之差可以忽略，因此對外循環水的流量要求不高，水溫要求也不高。設計的外循環水溫度可以達到35℃。

離子交換器用于降低內水的電導率，提高絕緣性能。由于變頻器內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。而且通風損耗小，每臺變頻可以節省9KW的通風損耗。增加一臺體積很小的水冷柜，但可以節省兩臺體積很大的空水冷，還可以省去風道。外循環水的流量要求小，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

機組負荷按300MW-600MW，每50MW一個測量點，超低負荷240MW一個測量點。

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

低負荷時單泵，高負荷時雙泵。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，進行單、雙泵以及變頻和工頻的比較。

機組負荷400MW為單、雙泵的切換點。即有單泵，也有雙泵運行的數據。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泵的數據，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。

單泵運行時轉速高，節電率雖低，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。雖然轉速低，節電率高，但總功率高。因此單泵比雙泵運行更加節電。采用單泵可以使總功率降低。

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

    以下為機組變頻運行的數據。

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

單泵運行功率小，比雙泵節電功率好得多。因此應盡量單泵運行。盡量提高單泵向雙泵切換的機組負荷點。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的機組負荷，預計會在9000kW左右，遠遠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電功率要高得多?？梢允箍偣β首钚?。

滿載的節電率18.4%雖不高，但機組兩臺變頻器的合計節電功率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%的節電率，單泵400MW運行的節電功率至少增加205kW。在機組滿載時，雙泵運行節電功率至少增加420kW，不可小覷。

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

 以下為400MW時單泵的節電功率表。變頻功率僅6828kW。

以下為400MW時雙泵的節電功率表。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，節電功率6246kW，節電率47.8%。

根據電廠自己的統計，近2年的年運行平均小時數8800小時。廠用電率平均降低0.92%，平均年節約標準煤11949噸，年減少二氧化碳排放35039噸。除了節電產生的效益，按碳排放的交易價格，僅碳排放的減少間接產生的效益可以達到140萬元。

參考文獻：

【1】內蒙古京隆發電有限責任公司1號機組電泵變頻改造節能效益報告

【2】東芝三菱TMEIC水冷高壓變頻器內部資料

【3】現場照片

作者簡介：

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