摘要：本文简单介绍了大功率水冷高压变频器在600MW机组电厂给水泵的应用。也简要介绍了水冷变频器的特点。
关键词：水冷高压变频；给水泵BFP；液力耦合器；水冷柜
1 概述
京能集团内蒙古丰镇京隆发电有限责任公司，有两台600MW发电机组。电动给水泵电机功率11000kW。给水泵是电厂最大的辅机，功率消耗在厂用电率中占的比例最大。电机启动对电网的冲击极大，影响系统安全。
为降低厂用电率并提高系统安全，给水泵可以通过上高压变频器达到节能，并降低厂用电率的目的。同时变频软起动对电网没有冲击，保证系统安全。因此给水泵的变频改造，成为电厂需要重点解决的问题。
2 设备情况
2.1系统配置
每台机组配置3台50%额定容量的给水泵。通过液耦调速调节流量和扬程。机组负荷大于400MW时双泵运行，小于400MW时单泵运行。由于电机功率极大，频繁启动对电网的冲击极大，因此给水泵一般都是双泵运行。机组低负荷时，给水泵的转速低，因此改造的节电空间大。
2.2 给水泵组参数
给水泵扬程：2276.5m
给水泵流量：1295m3/h
额定轴功率：8905kW
2.3液耦参数
液耦输出功率：8905kW
齿轮箱增速比：3.88
效率：94.2%
额定滑差：3%
2.4电动机参数
电机额定功率：11000kW
电机额定电压：10kV
额定电流：722A
3 采用高压变频器代替液耦节能的基本原理
电厂机组负荷的变化范围很大。给水泵的扬程，流量的变化范围很大。给水泵的转速变化范围很大。
给水泵采用液耦调速。由于功率为转速与转矩的乘积，液耦泵轮的输入转矩和涡流的输出转矩一样，因此液耦的效率与输出和输入转速的比值n2/n1成正比。液耦的额定滑差3%，会另外增加至少3%的损耗。按齿轮箱变比、电机转速、液耦最高转速计算，滑差3%对应的转速差为174r/min，且变化不大。速度越低，滑差与实际转速的比值越高，滑差损耗比例越大。低速时，滑差损耗约4%-5%。
机组低负荷时，给水泵转速极低，则液耦的效率下降很多。采用变频器时，将液耦泵轮和涡流用联轴器直联，没有滑差，则液耦效率最高，然后用变频器调节给水泵的转速。转速的变化范围就是节电率。转速越低，节电率越高。
双泵时，系统损耗为单泵的2倍。机组负荷越低，给水泵转速越低，节电率虽高，但此时泵的功率降低，总的节电功率并不高，双泵的损耗比单泵大。会产生节电不节钱的现象。
由于系统有余量，机组满负荷时，给水泵的速度高，此时的节电率虽不高，但泵的功率高，节电功率不小。将液耦改为增速齿轮箱，消除滑差，可以提高节电率，则提高的节电功率不可小觑。则满载运行时，会产生节电率不高，但节电功率不小，仍然节省钱的现象。
实际在机组负荷中等时，节电率和运行功率，节电功率都是中等，即节电，也节钱，实际的节电效果较好。在考核节电效果时，不能片面地只考核节电率，更应该考核节电功率和总运行功率，应使总运行功率最小，才能使厂用电率最低。
给水泵的容量为50%，二用一备。一般是400MW以上双泵，400MW以下单泵。由于电机直接启动对电网的冲击大。即使负荷低于400MW，也经常双泵运行。避免电机启动对电网产生冲击。
这种双泵运行，用变频器可以显示出巨大的优势。转速越低，节电效果越好。变频器对电机是软启动，可以频繁启动。则变频运行时可以单泵运行，需要双泵时也是变频软启动，对电网没有任何冲击。双泵改单泵时，系统损耗为单泵损耗，可以使总功率最小。
由于单泵的损耗小于双泵，单泵比双泵总功率更小。因此机组负荷低时单泵运行，负荷高且单泵出力不足时，才双泵运行。电机的变频启动不会对电网有任何冲击。
4 改造方案和改造过程
改造分为两个阶段。先对#1机组进行改造，然后再改#2机组。#1机组的变频器于2021年10月投运。#2机组于2022年9月投运。
变频器采用东芝三菱的TMdrive-MVG2水冷高压变频器，实际是纯水直接冷却的变频器。水冷的特点是换热效率高，冷却效果好，外循环水的流量要求少，对水温要求不高，散热器温度低且均匀，功率元件温度低且寿命长。因此本项目采用水冷高压变频器是改造的关键。
另一个关键就是将液耦改成增速齿轮箱。将液耦的泵轮和涡流用联轴器直接连接，消除了170r/min的滑差。最高转速节电率提高3%，低转速时节电率提高4%-5%。在给水泵功率高时，则增加3%的节电率，节电功率的增加值不可小觑。因此这样的改造方案，可以使运行功率最小。
图1（a）变频器室内的变频器图1（b）水冷柜及冷却用纯水
5 改造中重点解决的几个问题
为了降低运行功率，将液耦改造成升速齿轮箱。液耦内的泵轮和涡流用联轴器直接连接，消除滑差损耗，提高节电率。这对于高负荷时节电功率的提高至关重要。因为高负荷时节电率低，但电机功率大。改造后能增加节电率，则节电功率的提高不可小觑。这种改造，特别适合单泵运行时节电功率的提高，可以提高单、双泵切换的机组负荷点。这种方案对节电功率的提高功不可没。
液耦改造成升速齿轮箱，电机只能变频运行，没有工频旁路。对于变频器的可靠性的要求更高，因此本项目采用东芝三菱的水冷高压变频器，属于国际一流的进口制造商品牌。该电厂凝泵上使用的东芝三菱的高压变频，从2010年开始运行至今，可靠性非常高。
变频器为纯水直接冷却。水冷柜与单元柜之间采用纯水，也是绝缘水。通过纯水将单元的热量带走，然后通过水冷柜内的板换，与外循环水进行热交换，用外循环水将热量带走。外循环水采用电厂的闭式除盐水，水质非常好，不会造成水冷柜板换的堵塞，可以保证水冷柜的换热效果。
变频器的品牌选择。选用东芝三菱(TMEIC)的TMdrive-MVG2水冷高压变频器。
6 东芝三菱的高压变频器的拓扑结构
采用单元串联多脉冲整流多电平逆变电压源变频器。电机功率11000kW，电流722A。变频器的输出电压近似正弦波，输出电流为纯正弦波。
给水泵对变频器的基本要求，动态调节性能要与液耦一致，要求变频器启动的加速时间小于40秒。东芝三菱的变频器，具有加速不过载，减速不过压的特性。加速时间可以小于30秒，动态特性超过液耦。另外变频器还具有永不过载的特性，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。
如此大功率的变频器，东芝三菱在国内的业绩非常多，尤其是在高炉风机和石化压缩机方面，以及烧结主抽风机中的业绩非常多，而且性能可靠。可以最大限度地保证机组运行的安全。
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。不但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成本，还可以提高使用寿命。
变频器采用速度和电流双闭环的闭环矢量控制。速度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有利。由于给水泵的速度调节范围较小，在有限的速度调节范围内，流量的变化范围极大。较小的频率变化率，会产生很大的流量变化。变频器对于频率的变化率的控制精度，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%，这样可以对流量进行非常精准的控制。
7 水冷变频器与空冷变频器的性能对比
水冷变频器即纯水直接冷却变频器，单元采用的是水冷散热器，内部开通内循环水的水槽。采用的内循环水为绝缘的纯水。散热器输入和输出的插头和插座为自密封式，分离后自动封闭不会漏水。由于水的比热容非常大，较小的水流量可以带走大量的热量。水温和散热器的温度差非常小，冷却效果非常好。冷、热水的温差一般不超过3℃。正常负荷下，温差只有1℃-2℃。可以使整个散热器的温度差非常小，温度非常均匀。设计的内循环水温度不超过35℃，41℃报警。水冷变频器对水温的要求比空水冷宽。水冷柜通过板换和外循环水进行热交换，由于换热效率高，外循环水与内循环水的温差可忽略。因此外循环水的温度可以放宽到35℃，可以用电厂的洁净的闭式循环水。
水冷散热器的温度非常均衡，可以使所有功率元件散热面的温度基本一致。水温和散热器之间的温差非常小，而且散热器的温度低，则对于功率元件的冷却效果就非常好。因为功率元件的寿命是受温度影响很大，温度升高，寿命缩短很快。因此降低散热器和功率元件的温度，则可以大大延长使用寿命。这是水冷变频器的优点。图2为水冷散热器。
图3为水冷单元的接口及水冷柜的图片，以及单元柜的冷却水总管和各个单元之间的支管的图片。最短的支管长度也比较长，因此即使冷却水的电导率变差，绝缘电阻还非常大，绝缘性能可以保证。
图3（a）水冷单元的接口及水冷柜
图3（b）单元柜的冷却水总管和各个单元之间的支管
本项目电机功率11000kW，只用一台水冷柜并且体积不大，水冷柜的制冷量相当于两台大功率的空水冷的制冷量。但体积却很小，而且耗水量远远小于空水冷的耗水量。另外单元内部，有电容放电电阻的部分损耗，发热量不大。因此单元柜的柜顶还是有2台1.5kW的冷却风机，通风直接排向室内，冬季室内温度不会太低。单元柜顶无通风风道，无通风损耗。
水冷柜水泵的功率5.5kW，实际运行时，两台柜顶风机和水泵的合计功率消耗约6kW。比空冷变频器加空水冷的合计通风损耗小不少，因此节电效果更好。
空冷变频器的特点：空冷变频器采用空冷散热器。冷却风通过散热器的翅片进行热交换（见图4）。冷却效果和翅片与空气接触的总面积有关。由于空气的比热容非常小，因此需要大量的风通过散热器的翅片。散热器的翅片与空气之间的换热效率低，因此散热器的温度要比风温高不少。另外冷风从散热器的入口到出口，温度逐渐升高，离开散热器的出风口风温，比进风口高很多，通风的温升比较高。再加上散热器的温度比风温高不少，这就使散热器的温度极不均衡。进风口温度低，出风口温度高。因此会使出风口的功率元件的温度高，过热保护更容易发生，则空冷变频器功率元件的散热器温度比水冷变频器要高不少。对元件寿命有影响。
本项目如果采用空冷的变频器，由于功率极大，单元柜顶需要6台1.5kW的风机，通风量极大。需要配两台大功率的空水冷，并用两套风道与空水冷连接。通风的风阻极大，增压风机的功率大，通风的功率损耗大。而且两台空水冷的体积很大，风道的体积很大，用水量也极大。
图4冷却风通过散热器的翅片进行热交换
空冷变频器的单元柜柜顶，有6台1.5kW的风机，空水冷有两套5.5kW的风机，合计20kW，实际功率消耗约15kW，比水冷变频器多耗电9kW。按电厂2019-2020年的平均年运行时间8800小时计算，则水冷变频器可以多节电79200kWH/年。
冷却效果和对室内温度的影响：夏季闭式循环水用开式循环水冷却，因此闭式循环水的温度不高，室内最高温度约30℃。开启空调时，室内温度控制在26℃。
由于单元柜电容放电电阻的发热量通过风机排向室内，冬季室内温度并不低。实际在冬季11月份室外温度已经远远低于零下时，室内温度可以达到25℃左右。完全不用担心水冷柜的管道是否会被冻坏。因此水管的安全是可以得到保证的。
对于外部冷却循环水流量的影响：采用空水冷时，由于换热效率低，冷却后的出风温度比水温高5℃左右，夏季水温最高可能达到33℃，则室内温38-40℃，对变频器的安全运行极为不利。因此为了降低温度，空水冷对水流量的要求非常大。变频单元柜的空水冷需要的水量为50m3/H。
而水冷变频器，由于板换换热效率极高，内、外循环水的温差极小，可以忽略。内水允许的温度也高，因此对外水的流量要求不高，可以降低对外水的流量要求。使循环水流量减少。实际水冷柜的外循环水的流量，标准为18m3/H，实际即使降低到10m3/H，冷却效果也完全没有问题。则对外循环水量的流量要求大大减少。可以降低外循环水泵的功率损耗。
8 水冷控制柜
水冷控制柜是水冷变频器的核心，由冗余配置的两台循环水泵，高位水箱，板换和离子交换器组成。高位水箱用于补水。离子交换器用于降低电导率，板换用外循环水冷却内循环水。
水冷柜的内循环水流量，由水泵控制，是独立的流量。不受外循环水流量的影响。设计值比较大，为18m3/H。可以使冷却后的热水温度与冷水温度之差，控制在1℃-2℃的范围内，回水的温度很低。冷却效果好。可以使水冷散热器的温度非常均衡。
水冷柜内部的板式换热器，用于内水和外水之间的换热，由于片数多，换热面积非常大，换热效率高，内、外水的温度之差可以忽略，因此对外循环水的流量要求不高，水温要求也不高。设计的外循环水温度可以达到35℃。
离子交换器用于降低内水的电导率，提高绝缘性能。由于变频器内部供水母管到各个单元的绝缘水管的支管非常长，可以使绝缘电阻大幅度增加，增加了电气安全性。因此即使电导率略高，对变频器的安全没有影响。
9 水冷变频器和空冷变频器的优越性
水冷变频器与空冷变频器加空水冷相比。具有冷却效果好，散热器温度低且均衡，功率元件寿命长的特点。而且通风损耗小，每台变频可以节省9kW的通风损耗。增加一台体积很小的水冷柜，但可以节省两台体积很大的空水冷，还可以省去风道。外循环水的流量要求小，温度要求范围宽。水冷柜的管径DN50，比空水冷的管径DN80小不少。因此总的施工成本减少，而总成本却差不多。因此水冷变频器是大功率和超大功率变频器的发展方向。冷却效果好，可以延长整机寿命。
10 改造后的效益分析
机组负荷按300MW-600MW，每50MW一个测量点，超低负荷240MW一个测量点。
根据电网工频输入电流和电机功率因数计算输入功率。改造后记录变频器输入电流，按变频器功率因数0.95计算输入功率。然后和工频输入功率进行比较。变频功率已经考虑了变频器的损耗，其他损耗很小可忽略。
低负荷时单泵，高负荷时双泵。单泵变频和单泵工频比较。双泵变频和双泵工频比较。再对机组运行的总功率，进行单、双泵以及变频和工频的比较。
机组负荷400MW为单、双泵的切换点。即有单泵，也有双泵运行的数据。单泵电流大，双泵电流小。单泵运行的功率为机组功率。双泵运行，没有B泵的数据，以A泵功率的2倍，作为机组总功率。450MW以上，机组功率为两台泵的功率之和。
单泵运行时转速高，节电率虽低，但运行功率高，而且只有一套泵和液耦及变频器的损耗，总损耗小，因此总功率小。双泵运行时损耗加倍。虽然转速低，节电率高，但总功率高。因此单泵比双泵运行更加节电。采用单泵可以使总功率降低。
表1为工频运行数据。其中400MW单泵9312kW，双泵时按A泵功率的2倍13074kW作为总功率。工频单泵比双泵节电13074-9313=3762kW。节电率28.8%。单泵比双泵总功率小得多。因此应尽量单泵运行。
机组400MW时，变频单泵6828kW，比双泵8204kW小，单泵比双泵更节电。单泵变频工频节电2484kW，节电率26.7%。虽然小于双泵的节电功率和节电率，但总功率6828kW却是最小的。如果单泵变频和双泵工频比较，节电13074-6828=6246kW，节电率47.8%，远远大于双泵变频的节电功率和节电率。
单泵运行功率小，比双泵节电功率好得多。因此应尽量单泵运行。尽量提高单泵向双泵切换的机组负荷点。400MW时变频单泵6828kW小于双泵8204kW。500MW变频双泵10256kW。变频器的功率为11000kW。因此变频器单泵至少可以带500MW的机组负荷，预计会在9000kW左右，远远小于变频器的额定功率，切换点可以提高到500MW。比双泵变频运行的节电功率要高得多。可以使总功率最小。
满载的节电率18.4%虽不高，但机组两台变频器的合计节电功率3168kW也不少。尤其是将液耦改为增速齿轮箱后，提高了不小于3%的节电率，单泵400MW运行的节电功率至少增加205kW。在机组满载时，双泵运行节电功率至少增加420kW，不可小觑。
超低负荷240MW时，节电率34.5%很高，与450MW时的节电率34.7%接近。但实际节电功率1988kW不高，远远小于450MW时的节电功率4665kW。这是因为240MW工频运行5756kW不高。400MW到500MW的区间，节电功率最高。如果能单泵变频运行，总功率小于双泵变频功率，则比工频双泵的节电效果好得多。
表3为400MW时双泵的节电功率表。变频双泵8204kW，比单泵6828kW高不少。虽然比双泵工频的节电功率很高，但双泵功率大于单泵功率。若单泵变频与双泵工频比较，节电功率6246kW，节电率47.8%。
根据电厂自己的统计，近2年的年运行平均小时数8800小时。厂用电率平均降低0.92%，平均年节约标准煤11949吨，年减少二氧化碳排放35039吨。除了节电产生的效益，按碳排放的交易价格，仅碳排放的减少间接产生的效益可以达到140万元。
参考文献：
[1]内蒙古京隆发电有限责任公司1号机组电泵变频改造节能效益报告[Z].
[2]东芝三菱TMEIC水冷高压变频器内部资料[Z].
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22年。
投稿、咨询、爆料——电话：(021)50315221-812，邮箱：edit@solarzoom.com，QQ：2880163182
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