关键词：高压变频、给水泵BFP、液力耦合器、空水冷，EPC。

一． 概述：

大唐阳城发电有限责任公司，其#7和#8机组为600MW机组，电动给水泵电机功率为11000KW，并通过液力耦合器进行调速。给水泵的电力消耗在厂用电率中占的比例最大。电厂大部分辅机基本都已经上了高压变频。凝结水泵采用东芝三菱的高压变频运行了多年，从未发生过故障。引风机系统为动叶可调风机，其节电率还在探讨中，未上高压变频。因此要降低厂用电率，最重要的手段就是让电动给水泵通过上高压变频器达到节能并降低厂用电率的目的。而且电动给水泵的功率大，厂用电率中所占的比例最大。因此电动给水泵的节能降耗，成为该厂降低厂用电率中需要重点解决的问题。原系统采用液力耦合器进行给水泵的调速，但采用高压变频器，可以在用液力耦合器的基础上更加节能，是给水泵最好的节能方式。

二． 设备情况：

2.1 给水泵的系统配置：每台机组配置3台50%额定容量电动给水泵组，电动机同轴驱动前置泵，通过液力耦合器驱动给水泵、调节给水泵转速。正常运行方式是二用一备。2017年电厂对#8机组的电动给水泵进行了变频改造，采用的就是高压变频器，节电效果显著。2019年对7#机组进行变频改造。包括液力耦合器技术改造、前置泵的改造施工、高压变频器配套改造。工程项目为EPC总承包。

2.2给水泵组参数：

给水泵型号：CHTC6/5/上海KSB

给水泵扬程：2306米

给水泵流量：1306 M3/h

给水泵的汽蚀余量：45米

额定轴功率：8918.5KW

2.3 前置泵参数：

前置泵型号：SQ300－670

前置泵扬程：140米

前置泵流量：1405 m3/h

前置泵轴功率：560kW

3.4 液力耦合器参数

液力耦合器型号：R18K500M

液力耦合器输出功率：8914.5KW

液力耦合器速度调节范围：1269～5076

额定滑差：2.5%

2.5 电动机参数

电机型号：AMC800M4L BSV

电机额定功率：11000KW

电机额定电压：10KV

额定电流：701A

三． 采用高压变频器代替液力耦合器节能的基本原理

3.1 电厂的机组负荷每天的变化范围都很大，正常运行时，一般白天负荷大，晚间负荷小，尤其是夜间负荷更小。因此电厂要根据电网的需求，随时调节机组负荷。随着机组负荷的变化，给水泵的扬程，流量的变化范围很大。机组负荷越大，要求的扬程越高，流量也越大。给水泵的转速就越高。功率也越大。因此要求给水泵的转速变化范围比较大。一般转速变化范围超过60%-100%。

3.2 电厂的给水泵为了调速，一般都采用液力耦合器，通过勺管开度的调节来调节给水泵的速度。但液力耦合器输出转速降低时由于有非常大的滑差，不考虑变速箱的变比，输入和输出的转矩一致。而功率为转速与转矩的乘积，因此液力耦合器的输入，由于转速高而功率大，输出的转速低则功率小。因此液力耦合器的效率随着转速的降低而下降，效率与输出转速和输入转速的比值n₂/n₁成正比。液力耦合器的滑差约2.5%，加上传动效率，最高转速时的总效率约96%。

3.3 因此当机组负荷低时，给水泵的扬程低，流量小，转速低，则液力耦合器的效率下降很多。采用变频器时，将液力耦合器的勺管开度开到最大，使液力耦合器的输出转速最高，效率达到最高，然后用变频器调节电机的频率，达到给水泵需要的转速，就可以使液力耦合器的效率始终最高，液力耦合器的效率的变化范围就是节电率，和转速的变化范围相关。转速变化范围越大，节电率越高。则实际节电率为（1- n₂/n₁）×100%。

3.4 因此机组负荷越低，给水泵转速越低，节电率就越高。机组负荷50%左右时，泵的最低转速在60%左右时，节电率可以达到40%左右。但此时泵的功率很小，节电率虽高，但节电的功率数不一定很高。会产生节电不节钱的现象。

3.5 由于系统余量较大，机组满负荷时，液耦的速度也不会达到最高，还是有节电效果的。虽然节电率不高，但由于泵运行的功率很高，节电的功率数并不一定小。则满载运行时，会产生节电率不高，但节电的功率也不小，仍然节省钱的现象。机组负荷中等时，节电率和功率都是中等，即节电，也节钱，实际的节电效果会更好。

3.6 采用变频器后，要考虑变频器故障后的运行方式，一般给水泵为二用一备，因此变频泵一旦故障，必须立即启动工频备用泵，然后对故障的变频器进行旁路，让变频泵作为工频备用泵。电厂正常运行时，必须有一台泵备用，并用液力耦合器进行调速。因此采用变频器后，必须有旁路，旁路可以采用手动旁路。

3.7由于每台给水泵的容量为50%，二用一备，实际每台给水泵可以带60%-70%的机组负荷。对于600MW的机组，机组容量大，电机功率大，电机的启动对电网的冲击大。一般应尽量减少电机的频繁启动和停止。因此为了安全，给水泵一般总是双泵运行。即使机组负荷很低，也不允许单泵运行。一方面可以避免电机的频繁地启动和停止对电网的电流冲击和对电机的机械冲击。另一方面可以避免单泵运行故障跳闸，备用泵来不及启动的情况出现。保证在故障时也至少有一台泵运行。

3.8 因此这种长期双泵运行的场合，用变频器就可以显示出巨大的优势。一方面机组负荷低时，给水泵的转速极低，用液耦时的效率极低，因此节电率可以很高。另一方面，虽然工频运行时不允许电机频繁启动，但变频运行时电机是软启动，而且电机的变频启动次数可以不受限制。则变频运行时，如果仅从电机启动来讲，是可以单泵运行的，电机启动时对电网没有任何冲击，因为变频器对电机进行软启动。因此变频器可以随时启动并随时停止。因此机组负荷低时，可以单泵变频运行。机组负荷高时可以双泵变频运行。单泵变频运行时，则节电效果会比双泵变频运行的节电效果会更好。因为只有一台泵的损耗和一台电机及一台变频器的损耗，总损耗最小。

3.9 目前电厂从安全的角度，还是双泵运行。不允许单泵运行。因为如果单泵运行并且发生故障，虽然可以直接启动备用泵，但备用泵工频直接启动需要一定的时间，一般为几十秒，包括电机的启动时间十几秒，和液力耦合器的加速时间33秒。会造成给水流量瞬间降低，机组瞬间降负荷。电厂为了保证机组不降负荷，则必须保证双泵运行。

四． 改造方案和改造过程：

4.1 阳城电厂的600MW机组给水泵改造分为两个阶段。第一阶段对#8机组进行改造，总结经验，然后再改#7机组。#8机组的变频器改造，于2018年5月调试完成并投运。第二阶段对#7机组进行改造，是在总结了#8机组改造的经验后，对改造方案进行了进一步的优化，使得投资回报利率可得到进一步的提高。并于2019年5月完成改造并投入运行。

4.2 第一阶段对#8机组的给水泵进行变频改造。采用东芝三菱的高压变频器，由广州智光节能有限公司负责进行EPC总承包。改造的关键是对液力耦合器进行改造。采用智光节能有限公司的技术方案，并根据招标方的要求，对液力耦合器进行改造，需要增加辅助油泵，避免电机转速降低后，油压下降造成工作用油和润滑用油的油压不足。但在改造过程中。辅助油泵有一些问题未能及时解决，导致变频器不能带载运行，只能恢复原样。直到2018年5月，对该改造方案进行了优化，不再使用辅助油泵。则变频器完成了带载调试，并可以用变频器带给水泵变频运行。事实证明，即使不用辅助油泵，给水泵变频改造后的节能效果超出预期。油压的控制还是可以保证的。

4.3 以下为#8机组改造的变频器小间和内部变频器的布置。空水冷采用广州宏创公司的产品。

图1 变频系统现场图                                                                                             

4.4 在总结了第一阶段改造的经验教训之后，第二阶段的改造，对方案进行了优化，不再使用辅助油泵，使系统得到简化，可靠性得到提高。同时还使改造的成本大大降低，投资回报率得到提高。

五．#8机组改造中重点解决的几个问题：

5.1 改造的基本方案是保留给水泵工频运行的功能，因此液力耦合器必须保留，一旦变频器故障，工频备用泵启动，则变频泵可以转工频备用，始终有一台备用泵。但用变频器降低电机速度时，前置泵的扬程降低，则给水泵的汽蚀余量是否满足要求。是否能保证给水泵不会发生汽蚀损坏。是需要进行核算的。

5.2 经过长春电科院的核算，给水泵在变频调速的速度范围内，有效汽蚀余量都为必须汽蚀余量的3.1倍。因此有足够大的汽蚀余量。可以保证给水泵的安全性。

5.3  #7机组的改造是在汽机厂房的6.9米平台，场地空间有限，而且要采用空水冷，玻璃房密闭，还要考虑厂房内的起吊机具的位置，对变频器的施工方案进行了优化。另外改造是利用电厂机组的大修期间才能进行，而且大修的并网时间已经确定，不能修改。而中标通知下达的很晚，这就给交货期和施工期带来了极大的困难。但经过东芝三菱公司与各方的充分协调，并经过施工人员夜以继日地抢工，合同签订到安装调试完毕，只用了三个月的时间。全部EPC工作在二个月内全部完成，变频器也顺利地完成了带载调试。

5.4 冷却方式采用空水冷，由于变频器的安装位置在6.9米平台，再加上冷却水进水管的位置较高，距离地面接近10米。使得冷却循环水的入口水压降低了。尽管用户开了加压泵，但空水冷的排水阀门全关时，即在没有流量时，空水冷的入口的静态水压也只有0.2MPa，属于允许的下限。排水阀门打开后，有流量时，管道压降增大，空水冷的入口压力只有0.1MPa，低于允许的下限，压力都降在管道阻力上。但由于空水冷的排水口位置高于地面，有一定的高度差。实际空水冷的入口和出口之间的实际压力差为0.1MP，仍然可以保证冷却水的流量。经过实际的流量检测，实际冷却水的实际流量，超过设计值20%，因此冷却效果相当不错。这种情况在以前的项目中没有遇到过。因此空水冷对于冷却循环水的压力要求，不但要考虑入口的静压大于0.2MPa，最重要的是入口和出口的压力差，不小于0.1MPa，这是保证流量的最小压力差。如果进口压力降低，出口的压力也必须降低，只要保证了压力差，就能保证流量。

5.5  本项目的招标为EPC招标。变频器的品牌选择。选用东芝三菱(TMEIC)的TMdrive-MVG2高压变频器。阳城电厂有5台机组的凝泵用的都是东芝三菱的高压变频器。2008年开始陆续投运，从未发生过任何故障。足可以证明高压变频器的可靠性极高。赢得了用户的信赖。

六．东芝三菱的高压变频器的拓扑结构。

6.1 采用单元串联多脉冲整流电压源变频器。由于电机功率大，达到11000KW，电流达到701A， IGBT的关断过电压高，对于变频器单元的危害加大，因此需要降低单元直流母线的电压，才能使IGBT的耐压富裕量得到提高，才能保证可靠性。因此这个项目的变频器，采用每相10单元串联的结构，实现60脉冲整流，41电平逆变。因此输出电压的波形更好，对电机更友好。以下为变频器的输出电压波形，输出电压近似正弦波，输出电流为纯正弦波。

6.2 变频器采用多电平拓扑结构。

6.3 给水泵对变频器的基本要求，要考虑完全替代液力耦合器，动态调节性能要与液力耦合器一致，要求变频器启动后，速度0-100%的加速时间小于33秒。这对于其他品牌的变频器来说是很难达到的。而这一变频器，具有加速不过载，减速不过压的特性。加速时间不但完全满足用户的要求，实际应用中还可以更快，可以小于20秒。另外具有不易过载的特性，不会由于过载保护动作而跳闸，因此运行的可靠性大大提高了。

6.4如此大功率的变频器，在国内业绩非常多，尤其是在高炉风机的软启动行业，以及烧结主抽风机中的业绩非常多，而且性能可靠。可以在节能降耗的同时，最大限度地保证机组的运行的安全。

6.5 东芝三菱的高压变频器，采用日本指月公司生产，原装进口的自愈式金属化薄膜电容。电容终身不会发生短路故障，变频器20年的寿命内，电容不会损坏，也不需要更换，一方面降低了单元的故障概率，同时用户售后维护中无需更换电容的费用，大大降低了售后维护的总成本，还可以提高使用寿命。

6.6 变频器采用速度和电流双闭环的闭环矢量控制。速度的闭环控制使得速度非常稳定，对给水泵的流量和扬程的精确调节非常有利。由于给水泵是高扬程的设备，速度低时不出水。只有速度达到一定的程度才能出水。因此出水后的速度调节范围较小，却要对应全部的流量变化范围。在速度的50%-100%的调节范围中，流量的变化范围接近100%。频率指令的单位变化率即使很小，也会产生很大的流量变化率。变频器对于频率的变化率的精度，可以达到0.004%，可以应对任何流量变化率的要求。因此实际的流量变化率大小不由变频器决定，而由DCS输出频率控制信号的分辨率决定。一般要求必须小于0.1%，最好是小于0.01%，这样可以对流量的变化率进行精准的控制。

7．液力耦合器的改造方案

7.1保持液力耦合器整体结构不变、连接方式不变、监视、控制、冷却方式不变的基础上，对液力耦合器调速方法进行改造。通过改变液力耦合器调速方法及其运行逻辑软件设计，将液力耦合器改造成工、变频切换型液力耦合器（Ⅲ型）。使同一台液力耦合器具有工、变频两种运行方式。工频定速运行时，是容积调速的增速型液力耦合器；变频调速运行时，是泵轮调速的液力联轴器连接的增速齿轮箱。改造后的液力耦合器，具有液力耦合器与增速齿轮箱两种运行方式，两种运行方式可以切换运行，成了“工、变频切换型液力耦合器”。

7.2具体改造方案是通过“液力耦合器泵轮调速法”（ZL201110341984.6）专利技术，保持液力耦合器整体结构不动，不增加任何外部设备，以电动辅助油泵作为变频运行启动油泵。应用专利技术通过改变液力耦合器调速方法及其运行逻辑软件设计，将液力耦合器改造成工、变频切换型液力耦合器（Ⅲ型）。变频运行时是增速齿轮箱；工频运行时是原液力耦合器，一运一备互为备用。

8. 改造后的节能效果

8.1  #7机组给水泵机组负荷550MW，为额定负荷的91.6%，频率仅44.2Hz，为88.4%，电压仅8.945KV，为89%，电流仅462.6A，为66%。消耗电网功率6591KW。在机组550MW负载时的节电率为100%-88.4%=11.6%，节电功率约765KW。虽然节电率不高，但节电功率并不少，接近满载时的节电功率还是相当可观的。

8.2 变频器目前暂没有实现单泵运行。主要是考虑给水泵的运行要双保险，即使负荷再低，也必须保证两台泵运行。即使出现一台泵跳闸，备用泵启动期间，另一台泵可以继续运行并在短时间内承担极大的负荷，可以保证机组不会停机。

8.3 以下为380MW和550MW时的运行数据：

图2 变频系统运行数据图                                                                                                              

8.4 机组负荷380MW时，仍然用双泵运行，运行频率只有36Hz，为额定频率的72%。输出电压7142V，电流301.9A，电网实际消耗功率仅3093KW，节电率可以达到100%-72%=28%。节电功率可以达到866KW，节电效果显著。机组负荷低时，虽然节电率高，但节电的功率增加的并不多，主要原因是工频运行功率已经降低了。实际不论机组负荷变化范围有多大，节电功率都不小，在整个调速范围内，节电效果都非常好。在机组中等负荷的范围内，节电功率可以达到最大。

8.5  电厂在机组负荷低时的厂用电率会更高，因此负荷低时的节电率的提高，节电功率的提高，使实际的耗电功率下降，对于厂用电率的下降效果更加明显。电厂的综合节电率超过20%，厂用电率的下降超过0.5%。

参考文献：

【1】东芝三菱TMEIC高压变频器调试报告

【2】东芝三菱TMEIC高压变频器用户手册

【3】现场调试的变频器显示画面。

作者简介：
吴自强，1960年6月，东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司，高压变频器的高级技术支持工程师，从事东芝三菱高压变频器技术工作20余年。