摘要：本文結(jié)合合康變頻水冷高壓變頻器在中國(guó)鋁業(yè)蘭州分公司自備電廠1#機(jī)組電動(dòng)給水泵變頻改造項(xiàng)目的應(yīng)用，講述了合康水冷高壓變頻器在調(diào)速控制、節(jié)省空間、散熱性能、節(jié)能效益等方面的優(yōu)勢(shì)。該項(xiàng)目的合作采用合同能源管理方式，用戶零風(fēng)險(xiǎn)，零投資，節(jié)電率達(dá)25-30%。

1項(xiàng)目簡(jiǎn)介

中國(guó)鋁業(yè)蘭州分公司自備電廠位于甘肅省蘭州市紅古區(qū)河灣村。該廠共計(jì)3套300MW火電機(jī)組，總裝機(jī)容量900MW。每套機(jī)組配備3臺(tái)給水泵，采用2用1備模式運(yùn)行。由于給水泵電機(jī)采用工頻運(yùn)行造成一定程度的電能浪費(fèi)，為降低年用電量，決定為#1機(jī)組A、B給水泵增設(shè)兩臺(tái)水冷型高壓變頻器，并對(duì)液力耦合器進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)由變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，以達(dá)到節(jié)能的目的。

此水冷高壓變頻器改造系統(tǒng)中，各機(jī)電單元、傳感器、PLC控制器自動(dòng)監(jiān)控運(yùn)行，并通過(guò)操作友好界面進(jìn)行簡(jiǎn)便的、就地操作。系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警信息條，通過(guò)總線通訊及時(shí)地傳輸至主機(jī)控制器以及終端設(shè)備，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2現(xiàn)場(chǎng)信息

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

最高溫度39.1℃；                   最低溫度-23℃；

年平均溫度5.1℃                     最熱月(7月)平均氣溫27.3℃；

海拔高度：1650m

前置泵參數(shù)

液力偶合器參數(shù)

電動(dòng)機(jī)參數(shù)

電源參數(shù)

高壓變頻裝置的進(jìn)線電源來(lái)自對(duì)應(yīng)機(jī)組的6kV工作段，參數(shù)如下：

3項(xiàng)目改造方案

3.1方案概述

本次對(duì)自備電廠1號(hào)機(jī)組的兩臺(tái)常用（A泵、B泵）給水泵進(jìn)行變頻改造，變頻調(diào)節(jié)采用一拖一手動(dòng)旁路方式，C泵仍保持原有狀態(tài)不進(jìn)行改造，工頻備用。

給水泵電動(dòng)機(jī)增加水冷型高壓變頻器，保留給水泵液力耦合器，將液偶改造為增速齒輪箱；給水泵由水冷型高壓變頻器調(diào)速。

前置泵與給水泵電動(dòng)機(jī)分離，另外增裝一臺(tái)1490rpm、功率匹配的定速電機(jī)以確保給水泵的長(zhǎng)期運(yùn)行安全。

根據(jù)電機(jī)容量，選用了我公司自主研發(fā)生產(chǎn)的水冷型高壓變頻器HIVERT-Y06/750，額定輸出電流為750A，適配5600kW及以下高壓異步電動(dòng)機(jī)，并且0~50Hz加速時(shí)間不高于原液力耦合器勺管加速時(shí)間30秒。

3.2水冷型高壓變頻器介紹

變頻器主要優(yōu)點(diǎn)

●由于單元水冷板代替原來(lái)散熱器，使得單元外形尺寸減小，變頻器整機(jī)外形尺寸減小，節(jié)省空間；

●解決原來(lái)強(qiáng)制風(fēng)冷散熱受風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的限制，不能遠(yuǎn)距離放置變頻器風(fēng)道；水管道可以不受傳輸距離限制且體積小。

●水冷變頻器能將系統(tǒng)溫度降至室溫以下，不受室溫的限制，并滿足功率元件對(duì)散熱的要求；

●水冷變頻器不受環(huán)境限制，可在粉塵及飄浮物的環(huán)境中正常運(yùn)行。

變頻器冷卻方案

●變頻器單元采用水-水冷卻方式；

●變壓器采用油浸式油-水冷卻方式；

水源采用現(xiàn)場(chǎng)輔冷水。

中國(guó)鋁業(yè)蘭州分公司自備電廠現(xiàn)場(chǎng)圖

變頻器水冷技術(shù)

目前水冷變頻器主要是在原來(lái)的強(qiáng)制風(fēng)冷變頻器基礎(chǔ)上增加一套水冷循環(huán)系統(tǒng)；恒定壓力和流速的去離子水流經(jīng)板式換熱器，進(jìn)行熱交換；換熱后再進(jìn)入變頻器單元帶走熱量，溫升水回流至主循環(huán)泵的進(jìn)口；通過(guò)電動(dòng)三通閥，調(diào)節(jié)進(jìn)入板式換熱器的流量，達(dá)到精確控制去離子水溫度的目的。同時(shí)一部分水會(huì)通過(guò)離子交換器進(jìn)行離子交換，以滿足去離子水的要求。

●水質(zhì)要求如下

其他解決方案：配封閉式冷卻塔，現(xiàn)場(chǎng)提供自來(lái)水。

變頻器主回路控制原理

變頻器采用手動(dòng)一拖一手動(dòng)旁路方式，手動(dòng)旁路柜中有三個(gè)隔離開(kāi)關(guān)QS1、QS21和QS22，其中QS21和QS22為一個(gè)雙刀雙投的隔離開(kāi)關(guān)。

當(dāng)高壓變頻器出現(xiàn)故障或需要檢修時(shí)，直接將電泵切換至備用泵，運(yùn)行備用泵，主泵停運(yùn)檢修。但是仍然需要配置手動(dòng)旁路柜，方便調(diào)試時(shí)或者電機(jī)檢修時(shí)，將電機(jī)工頻運(yùn)行（電機(jī)與電泵聯(lián)軸器脫開(kāi)），查看電機(jī)的磁場(chǎng)中心。

3.3電泵機(jī)務(wù)改造方案

機(jī)務(wù)改造分為兩個(gè)部分：前置泵部分和液偶部分。

采用變頻驅(qū)動(dòng)后，前置泵由定速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，保證滿足在最小流量工況下及系統(tǒng)甩負(fù)荷工況共同作用下的主給水泵汽蝕余量要求。

對(duì)液力偶合器原有的泵渦輪系統(tǒng)進(jìn)行改造，即將偶合器的泵輪軸與渦輪軸直連，使得偶合器改造結(jié)束后，泵輪軸與渦輪軸之間不再有滑差損失。

對(duì)偶合器的油回路重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，增加油穩(wěn)壓系統(tǒng)，使偶合器滿足變頻運(yùn)行時(shí)的要求，確保改造后的潤(rùn)滑油的運(yùn)行參數(shù)與改造前現(xiàn)有的運(yùn)行參數(shù)一致。

前置泵改造

前置泵電機(jī)及基礎(chǔ)

●原有運(yùn)行方式：水泵機(jī)組電動(dòng)機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)；

●改造后運(yùn)行方式：前置泵由單獨(dú)配置的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

前置泵改造方式

按照電廠提供的給定運(yùn)行區(qū)間參數(shù)及主泵、前置泵特性曲線，對(duì)前置泵進(jìn)行機(jī)務(wù)改造：

前置泵整機(jī)返廠進(jìn)行改造。

●更換前置泵主軸，使自由端與驅(qū)動(dòng)端調(diào)換，相當(dāng)于前置泵旋轉(zhuǎn)180°，但是原泵殼保留，達(dá)到保留現(xiàn)有前置泵進(jìn)、出水管路布置方式的目的。

●保證給水泵在50Hz時(shí)，機(jī)組100%負(fù)荷下，給水泵不發(fā)生汽蝕。

●每臺(tái)給水泵的前置泵增設(shè)一臺(tái)前置泵電機(jī)（需進(jìn)行相關(guān)土建施工），功率為250kW電壓6kV、頻率50Hz，4極。

液偶改造

●原有運(yùn)行方式：由原有給水泵機(jī)組的定速運(yùn)行電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；由執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)勺管的位置來(lái)控制液力偶合器的輸出轉(zhuǎn)速。

●改造后運(yùn)行方式：由變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；由變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行來(lái)調(diào)節(jié)液力偶合器的輸出轉(zhuǎn)速；消除偶合器的液力滑差。

液偶改造方式

●液力偶合器整機(jī)返廠進(jìn)行改造。

●對(duì)液力偶合器的原有的泵渦輪系統(tǒng)進(jìn)行改造；將其內(nèi)部泵渦輪系統(tǒng)拆除，將原有的泵輪軸與原有的渦輪軸用聯(lián)軸器直接進(jìn)行連接。此處聯(lián)軸器不需要散熱。

●對(duì)液力偶合器內(nèi)部工作油系統(tǒng)改造；保留偶合器內(nèi)部工作油泵；但因改成直連方式，所以液偶內(nèi)部工作油部分失去作用，原工作油冷油器可以拆除，因工作油泵還有提供潤(rùn)滑油的作用，不能取消工作油泵。

●改造后的液力偶合器的效率設(shè)計(jì)值由原來(lái)的94%增加到97%。

偶合器油箱打孔以及清洗均在廠內(nèi)完成。

●液偶改造前后對(duì)比

改造前示意圖

改造后示意圖

潤(rùn)滑油系統(tǒng)改造

●原工作方式：

機(jī)組啟動(dòng)前，由輔助油泵提供潤(rùn)滑油壓力；電泵工頻直啟后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)液偶

內(nèi)部工作油泵運(yùn)行，并提供潤(rùn)滑油壓力，一分鐘后如果油壓正常建立，則停掉輔助油泵并作為備用。

●改造后工作方式：

增設(shè)的穩(wěn)壓系統(tǒng)就近安裝在給水泵組的旁側(cè)。

機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，由輔助油泵提供潤(rùn)滑油；機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，由液力偶合器內(nèi)部

工作油泵和增設(shè)的穩(wěn)壓系統(tǒng)共同提供潤(rùn)滑油；原輔助油泵作為備用。

對(duì)液力偶合器內(nèi)部的潤(rùn)滑油管路進(jìn)行改造；拆除偶合器內(nèi)部的工作油管路。

經(jīng)改造后，變頻運(yùn)行時(shí)液力耦合器潤(rùn)滑油的運(yùn)行參數(shù)與改造前一致。

潤(rùn)滑油系統(tǒng)電源、電動(dòng)機(jī)參數(shù)

穩(wěn)壓系統(tǒng)內(nèi)置電動(dòng)機(jī)所需電源，電動(dòng)機(jī)參數(shù)：

額定電壓380V，額定功率5.5kW，頻率50Hz。

潤(rùn)滑油系統(tǒng)改造需要的設(shè)備

穩(wěn)壓系統(tǒng)、閥門(mén)、管道、彎頭等設(shè)備。

潤(rùn)滑油穩(wěn)壓系統(tǒng)原理圖

潤(rùn)滑油穩(wěn)壓系統(tǒng)管道連接示意圖

現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)壓系統(tǒng)實(shí)物圖

3.4DCS軟件改造方案

●增設(shè)前置泵電機(jī)及對(duì)應(yīng)高壓柜的各信號(hào)與原系統(tǒng)的兼容等軟件功能（包括畫(huà)面、操作及聯(lián)鎖保護(hù)等）

●增設(shè)給水泵變頻器各信號(hào)與原給水泵系統(tǒng)的兼容等軟件功能（包括畫(huà)面、操作及聯(lián)鎖保護(hù)等等）。

●增設(shè)液偶外部穩(wěn)壓系統(tǒng)各信號(hào)與原系統(tǒng)的兼容等軟件功能（包括畫(huà)面、操作及聯(lián)鎖保護(hù)等等）。

●電動(dòng)給水泵AB兩泵改變頻運(yùn)行后，無(wú)法工頻運(yùn)行。當(dāng)其中一臺(tái)變頻運(yùn)行出問(wèn)題后（假定A泵），聯(lián)啟C泵（工頻運(yùn)行），增設(shè)此時(shí)B泵變頻運(yùn)行和C泵工頻運(yùn)行時(shí)的情況及聯(lián)鎖動(dòng)作。

●增設(shè)前置泵單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)后的啟動(dòng)控制、停機(jī)控制、變頻故障狀態(tài)下的聯(lián)鎖控制

●增設(shè)的液偶外置穩(wěn)壓系統(tǒng)的啟?？刂?、與變頻器的聯(lián)動(dòng)控制、變頻器故障或停機(jī)狀態(tài)下的聯(lián)鎖控制等。

●給水泵系統(tǒng)變頻改造后的總體聯(lián)鎖控制的改造。

●增設(shè)給水泵C泵工頻運(yùn)行時(shí)不受變頻器任何報(bào)警影響。

●設(shè)備運(yùn)行時(shí)要求可以通過(guò)調(diào)整變頻器運(yùn)行頻率自動(dòng)跟蹤母管壓力。

4、改造前后對(duì)比

4.1改造前后對(duì)比示意圖

改造前示意圖

改造后示意圖

4.2節(jié)能分析

2013年1B給水泵工頻運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1#機(jī)組年平均發(fā)電量=機(jī)組發(fā)電量/1#機(jī)組運(yùn)行小時(shí)=249883度,約等于250MW的發(fā)電量

低壓配電柜運(yùn)行的設(shè)備（B泵單泵變頻運(yùn)行）

低壓柜現(xiàn)運(yùn)行電流約40A，功率約為20kW。

●水冷柜內(nèi)循環(huán)水泵：7.5kW；

●變壓器循環(huán)油泵：5.5kW；

●變頻器柜頂風(fēng)機(jī)兩臺(tái)，一臺(tái)為大風(fēng)機(jī)，另一臺(tái)為小風(fēng)機(jī)：大風(fēng)機(jī)1.5kW,小風(fēng)機(jī)1kW；

●液偶穩(wěn)壓系統(tǒng)穩(wěn)壓油泵：5.5kW；

●照明燈：12個(gè)24W共288W；

●空調(diào)三臺(tái)：每臺(tái)5P；制冷時(shí)每臺(tái)電流約1.5A左右，制熱時(shí)每臺(tái)電流為10A左右。

B電泵變頻運(yùn)行與A電泵工頻運(yùn)行參數(shù)

該變頻于2015年1月1日凌晨五點(diǎn)正式投運(yùn)，投運(yùn)后的運(yùn)行數(shù)據(jù)如下：

4.3節(jié)能計(jì)算

我們通過(guò)兩種方式來(lái)闡述變頻改造后的節(jié)能效果，一是橫向比較，A泵工頻運(yùn)行與B泵變頻運(yùn)行下的比較；二是B泵2013年工頻運(yùn)行與改造后變頻運(yùn)行下的比較。

節(jié)能計(jì)算之橫向比較

電泵節(jié)電量計(jì)算：A泵（工頻）與B泵（變頻）在同負(fù)荷下運(yùn)行數(shù)據(jù)的比較

●B電泵節(jié)能量=（250MW負(fù)荷下）A泵消耗總電量-B泵變頻消耗總電量-B前置泵消耗總電量-低壓柜消耗總電量；

●A泵消耗總電量=（250MW負(fù)荷下）A泵電流439A*額定電壓6kV*1.732*功率因數(shù)0.84*13年B泵運(yùn)行時(shí)間7603h=29135866度

●B泵變頻消耗總電量=（250MW負(fù)荷下）B泵變頻器輸入側(cè)電流245A*額定電壓6kV*1.732*功率因數(shù)0.98*13年B泵運(yùn)行時(shí)間7603h=18970391度；

●B前置泵消耗總電量=（250MW負(fù)荷下）B泵前置泵運(yùn)行電流20.9A*額定電壓6kV*1.732*功率因數(shù)0.84*13年B泵運(yùn)行時(shí)間7603h=1387106度；

●低壓柜消耗總電量=20kW*13年B泵運(yùn)行時(shí)間7603h=152060度；

●節(jié)能量=A泵消耗總電量-B泵變頻消耗總電量-B前置泵消耗總電量-低壓柜消耗總電量=8626309度

●節(jié)能效率=節(jié)能量/A泵消耗總電量*100%=29.6%。

●節(jié)能效益=節(jié)能量*0.22元（合同電價(jià)）=189.7787萬(wàn)元

節(jié)能計(jì)算之縱向比較

電泵節(jié)電量計(jì)算：即B泵（變頻）與B泵（13年工頻運(yùn)行數(shù)據(jù)）在同負(fù)荷下運(yùn)行數(shù)據(jù)的比較

●B電泵節(jié)能量=（250MW負(fù)荷下）B泵13年消耗總電量-B泵變頻（預(yù)計(jì)）消耗總電量-B前置泵消耗總電量（預(yù)計(jì)）-低壓柜消耗總電量（預(yù)計(jì)）；

●B泵13年消耗總電量=（250MW負(fù)荷下）26987715度

●B泵變頻消耗總電量=（250MW負(fù)荷下）B泵變頻器輸入側(cè)電流245A*額定電壓6kV*1.732*功率因數(shù)0.98*13年B泵運(yùn)行時(shí)間7603h=18970391度；

●B前置泵消耗總電量=（250MW負(fù)荷下）B泵前置泵運(yùn)行電流20.9A*額定電壓6kV*1.732*功率因數(shù)0.84*13年B泵運(yùn)行時(shí)間7603h=1387106度；

●低壓柜消耗總電量=20kW*13年B泵運(yùn)行時(shí)間7603h=152060度；

●節(jié)能量=B泵13年消耗總電量-B泵變頻消耗總電量-B前置泵消耗總電量-低壓柜消耗總電量=6478158度

●節(jié)能效率=節(jié)能量/A泵消耗總電量*100%=24%。

●節(jié)能效益=節(jié)能量*0.22元（合同電價(jià)）=142.5194萬(wàn)元

結(jié)束語(yǔ)

合康水冷高壓變頻器給水泵變頻項(xiàng)目中具有優(yōu)異的散熱性能和較高的可靠性，且對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，節(jié)能效益可觀。該項(xiàng)目的成功運(yùn)行，為合康變頻在電廠給水泵的改造中打下了良好的基礎(chǔ)，值得廣泛推廣使用。