1． 工程概況
內蒙古某發電廠總裝機容量為4×300MW。每臺機組配置2臺循環水泵，其出口調節門采用蝶閥，只有全開全關2個位置，冷卻水流量調節采用開泵臺數進行控制。由于季節變化及晝夜的溫度差異，時常出現開1臺泵流量不夠，開2臺泵流量過大的情況。由于采用這種原始的調節方法，汽輪機的真空度不穩定，不能保證汽輪機在經濟運行方式下運行，同時浪費了大量電能和水資源，致使廠用電率高，供電標煤耗高，發電成本不易降低。選擇合適的調速方式對循環水泵進行節能改造成為當務之急。為了進一步適應廠網分開、競價上網的電力體制，進一步節約能源，降低廠用電率，保護環境，簡化運行方式，減少轉動設備的磨損，我廠決定采用深圳市科陸變頻器有限公司生產的CL2700系列6kV/1800kW高壓變頻器，對1#發電機組循環水泵進行變頻調速節能改造。
2 循環水泵參數和工況特點
#1發電機組配置2臺循環水泵，循環水泵有關參數如下：
型號：1600HB立式斜流泵
流量：Q=18500m3/h
揚程：H=18.2m
額定轉速：370rps
配套電機：YL1800－16
匹配功率；1800kw
額定電流：223A
額定轉速：375rps
內蒙古某發電廠的發電機組采用閉式循環水系統。補給水經化學弱酸陽離子交換器處理后的軟化水。循環水泵采用單元制供水系統，即每臺機組配1座冷卻塔，1條壓力循環水管，1條雙孔自流水溝和2臺循環水泵，在正常運行工況，每臺機運行2臺循環水泵。冷卻水塔采用風筒式逆流自然通風冷卻塔，通風筒為雙曲線旋轉殼。在循環供水系統中，是由循環水泵實現水資源的循環利用的。經熱
交換后的熱水進入冷卻設施進行冷卻，使其水溫降至允許值，然后又重復將冷卻水輸入凝汽器而循環使用，由于系統水位基本上是穩定的，故循環水泵的揚程也基本穩定，而其容量按計算水量確定。
循環水泵隨機組長期連續運行，由于機組負荷經常變化，需要及時調整循環水流量，以保證機組的安全經濟運行。即使在同一負荷的情況下，不同的外部環境也使得循環水流量的需求不同。利用高壓變頻器根據實際需要對循環水泵進行調速控制，從而既保證和改善運行工藝，又可達到節能降耗的目的。
3 汽輪機的經濟運行方式與循環水泵流量的控制
目前汽輪機的真空度主要依靠調節冷卻水流量來控制，為提高機組運行的經濟性，由于真空度提高汽輪機功率的增量△N1應大于為增加循環水量所多消耗的功率△N2，顯然，汽輪機的最有利真空Peco（經濟真空）應位于凈增功率△N=△N2－△N1的最大值處，此時汽輪機工作在經濟運行方式，如圖1所示。
圖1中Dw為冷卻水量，P為汽輪機的凝汽器真空，△N為功率差值，△N在冷卻水量比較小的時候隨冷卻水量的增大而增大，到a點達到最大，如果再進一步增大冷卻水流量，△N反而開始減小，直至為零。但到達c點時，汽輪機的膨脹能力已達到極限，汽輪機功率不會再增加，c點所對應的真空成為極限真空。從圖1中可以看出，由a點引等水量線與凝汽器壓力線相交的b點所對應的真空Peco就是最有利真空，a點所對應的冷卻水量Deco就是最佳冷卻水量。通過確定汽輪機的最有利真空，并以此為依據來控制冷卻水流量，使汽輪機的排氣壓力盡量維持最有利真空位置，以保證機組在經濟運行方式下工作。
最有利真空的實現是靠調節循環冷卻水的流量，由機組DCS控制循環水泵的運行狀態，調節循環水泵的運行臺數和運行轉速，控制循環水流量使汽輪機的真空度維持在最有利真空位置，保證機組經濟運行。水泵的速度調節控制是汽輪機最有利真空控制系統的核心內容，利用變頻器對循環水泵進行速度控制，運行方式為“一變一定”。
4變頻調速系統設計
為了充分保證系統的可靠性，為變頻器同時加裝工頻旁路裝置，當變頻器因故障而退出運行時，電機可以直接手動切換到電網工頻運行，工頻旁路由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成（見圖1，其中QF為原有高壓開關）。QS2不能與QS3同時閉合，在機械上實現互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。為了實現變頻器故障的保護，變頻器對6kV開關QF進行聯鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF，工頻旁路時，變頻器允許QF合閘，撤消對QF的跳閘信號，使電機能正常通過QF合閘工頻啟動。
為了保證發電機組安全運行，在單臺變頻循環水泵運行工作模式下，變頻器發生故障跳開QF時，需要將備用的循環水泵自動投入運行，為適應變頻改造后循環水泵系統自動化水平的提高，對出水閥門也進行聯鎖自動控制，其閥門聯鎖功能的作用是：在啟動水泵升速過程中，水泵出口水壓逐漸增高，當大于設定的“最小開閥出口水壓”時，閥門開始打開，直至開全，在停泵時，閥門同步關閉；如果開泵時，閥門因各種原因未能開全，將提示“閥門沒有開全”，停泵時，如閥門未關嚴，將提示“閥門沒有關嚴”。這樣在開泵和停泵的過程中，值班人員無需再對閥門執行任何操作，不僅減少了操作的失誤，而且在開閥、關閥過程中對管網的沖擊也很小。
變頻調速系統進入發電機組有的DCS系統。DCS根據機組的負荷情況，按設定程序實現對鍋爐循環水泵電機轉速的自動控制。變頻器需要提供給DCS的開關量輸出包括故障報警（變壓器超溫、單元柜風機故障、控制電源掉電、控制器故障、單元故障、模擬信號斷線等）、待命指示、運行指示、高壓合閘允許、高壓緊急分斷、開閥門（變頻器控制閥門聯動時使用，即打開出口碟閥）、關閥門（變頻器控制閥門聯動時使用，即關閉出口碟閥）；DCS需要提供給變頻器的開關量包括：啟動變頻（干節點，閉合時有效，使變頻器開始運行）、停運變頻器（干節點，閉合時有效，使變頻器正常停機）、閥門關嚴（干節點，開點有效，表示變頻器所控制的水泵出口碟閥的閥門已關嚴）、閥門開全（干節點，開點有效，表示變頻器所控制的水泵出口碟閥的閥門已全開）；DCS需要提供給變頻器的模擬量有：1路4－20mA的電流源輸出，作為變頻器的轉速給定值，即變頻器需要運行的轉速；變頻器需要提供給DCS的模擬量有：2路4－20mA的電流源輸出，模擬輸出對應的物理量為輸出頻率和輸出電流；現場提供給變頻器的模擬量有：1路4－20 mA的電流源輸出，表示變頻泵的出口壓力，閥門聯動時備用；高壓開關柜提供給變頻器的開關量有：1個，工頻高壓開關已分閘。節點閉合時表示高壓在分閘位置，高壓開關合閘，該節點斷開。
循環水泵調速由操作人員通過DCS系統CRT上的模擬操作器，參照凝汽器的真空度和外界氣溫，對DCS的輸出值進行調節，此輸出值為反饋給變頻器的4－20mA標準信號，對應不同的頻率（速度）給定值，變頻器通過比較轉速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動調節電動機的轉速，實現循環水泵的轉速控制，從而達到調節水量的目的。
在此基礎上，經過一段時間的積累，可將不同負荷和溫度下的給定值繪制成曲線，定出安全的上下限，制成循環水泵調速專用算法，同時利用熱工一次測量元件，將采集的負荷和溫度參數的變化值送到機組DCS系統中，在機組DCS系統中，進行控制運算，將計算結果形成4－20mA的速度給定指令信號，反饋給變頻器，變頻器通過比較轉速輸出量與DCS速度給定之間的大小，自動調節電動機的轉速，實現循環水泵的轉速自動控制。
這次改造只針對兩臺并聯水泵中的一臺，正常運行工況為一臺工頻、一臺變頻。由于季節及晝夜溫度的差別使得變頻系統的運行有著特殊性，管網總出口的壓力取決于兩臺并聯水泵各自的出口壓力，從而決定了變頻泵不可能在太低的頻率下運行，否則會引起倒流或不出水的情況。另一方面，太低的頻率會導致整體壓力下降，達不到循環水系統總體的揚程要求，處于工頻定速運行的水泵也易導致過流發生。根據以往的運行實踐經驗，在工頻泵與變頻泵同進運行的情況下，使變頻泵最低的頻率保持在38Hz以上，在變頻泵單獨運行時，變頻器可以根據需要在5－45Hz范圍調節，（變頻泵調節的頻率必須滿足水泵出口壓力最低要求），這樣可以滿足運行需要，同時可對出水量進行連續的調節。
5 變頻改造后的效益計算
對相關參數的實際測量結果如表2。
測試結果表明，50%負荷時節能率為60%，滿負荷時節能率也達20%。同時，電機變頻啟動時，啟動電流平穩上升，電機啟動非常平穩。
全年發電機組運行時間按7200小時計算，其中雙泵運行時間和單泵運行時間各占一半，發電機組滿負荷、80%負荷、70%負荷、50%負荷運行時間均為1800小時，電費成本為0.2/元度。
（1）1#機組滿負荷時，在雙泵運行情況下，估算年節電量為：302400kWh，年至少節省電費：60480元
（2）1#機組滿負荷時，在變頻泵單泵運行情況下，估算年節電量為：302400kWh，年至少節省電費：60480元
（3）1#機組80%負荷時，在雙泵運行情況下，估算年節電量為：625500kWh，年至少節省電費：125100元
（4）1#機組80%負荷時，在變頻泵單泵運行情況下，估算年節電量為：625500kWh，年至少節省電費：125100元
（5）1#機組70%負荷時，在雙泵運行情況下，估算年節電量為：843300kWh，年至少省電費：168660元
（6）1#機組70%負荷時，在變頻泵單泵運行情況下，估算年節電量：843300kWh，年至少省電費：168660元
（7）1#機組50%負荷時，在雙泵運行情況下，估算年節電量為：897300kWh，年至少節省電費：179460元
（8）1#機組50%負荷時，在變頻泵單泵運行情況下，估算年節電量為：897300 kWh，年至少節省電費：179460元
可見，在滿負荷全年運行至50%負荷全年運行情況下，投入1臺高壓變頻器后，我廠全年節約電費均可達107,604元左右。另外，由于CL2700系列變頻器的功率因數可達0.95以上，大于電機功率因數0.82，可減少大量無功。并且實現了電機軟啟動，可避免因大電流啟動沖擊造成對電機和機械設備的影響，減少電機維護量，節約檢修維護費用，同時大幅度延長了電機的壽命。
6 結論
高壓變頻調速裝置節能效果明顯，采用變頻調速后，還實現了電機的軟啟動，延長了電機的壽命，也減少了管道的振動與磨損；總之，深圳市科陸變頻器有限公司生產的CL2700系列高壓變頻器在內蒙古準格爾電廠1#機組循環水泵系統的調速改造中應用是相當成功的。該系列變頻器的先進性、可靠性已得到了許多工業應用的證實。在電力行業，對于許多高壓大功率的輔機設備推廣和采用高壓變頻調速技術，不僅可以取得相當顯著的節能效果，是電廠節能降耗的一個有效途徑，而且也得到國家產業政策的支持，代表了今后電力行業節能技改的方向。
