问题的提出
山西阳光发电有限责任公司总装机容量为4×300MW机组，每台机组配置两台循环水泵，其出口节门采用蝶阀，只有全开全关两个位置，冷却水流量调节采用开泵台数进行控制，由于季节及昼夜的温度差异，时常出现开一台流量不够，开两台流量过大的情况，由于这种原始的调节方法，汽轮机的真空度不稳定，不能保证汽轮机在经济运行方式下运行，同时浪费了大量电能和水资源，致使厂用电率高，供电标煤耗高，发电成本不易降低。选择合适的调速方式对循环水泵进行节能改造成为当务之急。为了进一步适应厂网分开、竞价上网的电力体制，节约能源，降低厂用电率，保护环境，简化运行方式，减少转动设备的磨损等，我公司决定在1#发电机组循环水泵上采用了一套北京利德华福电气技术有限公司生产的6 kV/1800 kW高压变频器调速装置。
1、循环水泵工况特点
山西阳光发电公司发电机组采用闭式循环水系统。电厂补给水源为娘子关泉水，经化学弱酸阳离子交换器处理后的软化水，循环水泵采用单元制供水系统，即每台机配一座冷却塔，一条压力循环水管，一条双孔自流水沟和两台循环水泵，在正常运行工况，每台机运行两台循环水泵。冷却水塔采用风筒式逆流自然通风冷却塔，通风筒为双曲线施转壳。在循环供水系统中，是由循环水泵实现水资源的循环利用的，经热交换后的热水进入冷却设施进行冷却，使其水温降至允许值，然后又重复将冷却水输入凝汽器而循环使用，由于系统水位基本上是稳定的，故循环水泵的扬程也基本稳定，而其容量按计算水量确定。
循环水泵随机组长期连续运行，由于机组负荷经常变化，需要及时调整循环水流量，以保证机组的安全经济运行。即使在同一负荷的情况下，不同的外部环境也使得循环水流量的需求不同，就目前电厂情况，一台水少、两台水多的情况长期存在，而出囗阀门又不可调，机组冬季全天、春季的后夜及低负荷工况时，开一台循环水泵就可满足运行需要，循环水泵运行时间按平均200 天计算，双台循环水泵运行时间：150天。循环水泵工作在满负荷时，其电机工作电流为195A。
采用变频调节装置根据工况调节流量是有其必要性的。利用高压变频器根据实际需要对循环水泵拖动电机进行调速，由于水泵固有的特性，调速即可以调节水泵的出水量，又可以降低电动机的功耗，并达到最有利真空的控制目的，从而达到了既保证和改善工艺，又可达到节能降耗的目的和效果。
2、汽轮机的经济运行方式与循环水泵流量的控制
目前汽轮机的真空度主要依靠调节冷却水流量来控制的，由汽轮机的运行原理可知，运行中的凝汽器压力主要取决于蒸汽负荷、冷却水入口温度和冷却水量，冷却水温一般取决于自然条件，在蒸汽负荷一定情况下就只有靠增加冷却水的流量来提高凝汽器的真空度。为提高机组运行的经济性，由于真空度提高汽轮机功率的增量ΔΝ1应大于为增加循环水量所多消耗的功率ΔΝ2，显然，汽轮机的最有利真空Peco（经济真空）应位于净增功率ΔΝ=ΔΝ2 -ΔΝ1的最大值处，此时汽轮机工作在经济运行方式，如图1所示：
图中Dw为冷却水量，P为汽轮机的凝汽器真空，ΔΝ为功率差值，ΔΝ在冷却水量比较小的时候随冷却水量的增大而增加，到a点达到最大，如果再进一步增大冷却水流量，ΔΝ反而开始减小，直至为零。但到达c点时，汽轮机的膨胀能力已达到极限，汽轮机功率不会再增加，c点所对应的真空成为极限真空。从图中可以看出，由a点引等水量线与凝汽器压力线相交的b点所对应的真空度Peco就是最有利真空，a点所对应的冷却水量Deco就是最佳冷却水量。通过确定汽轮机的最有利真空，并以此为依据来控制冷却水流量，使汽轮机的排气压力尽量维持最有利真空位置，以保证机组在经济运行方式下工作。
由上述分析可以看出，改变循环水流量可以提高机组运行的经济性。
3、汽轮机最有利真空度循环泵控制原理
最有利真空的实现是靠调节循环冷却水的流量，由机组DCS控制循环水泵的运行状态，调节循环水泵的运行台数和运行转速，控制循环水流量使汽轮机的真空度维持在最有利真空位置，保证机组经济运行。水泵的速度调节控制是汽轮机最有利真空控制系统的核心内容，利用变频器对循环水泵进行速度控制，控制方式为“一变一定”。
4、HARSVERT-A06/220型高压变频装置原理
变频装置采用多电平串联技术，6KV系统结构见图2，由移相变压器、功率单元和控制器组成。6KV系列有15个功率单元，每5个功率单元串联构成一相。
每个功率单元结构以及电气性能完全一致，可以互换，其电路结构见图3，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图4所示的波形。
每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构见图3，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图4所示的波形。
输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，构成30脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。
另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，每个功率单元等效为一台单相低压变频器。
输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接成星型接法直接给高压电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图5所示的阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。
当某一个单元出现故障时，通过使图3中的软开关节点K导通，可将此单元旁路出系统而不影响其他单元的运行，变频器可持续降额运行，可减少很多场合下停机造成的损失。
5、变频改造方案简介
#1发电机组配置两台循环水泵，对其中一台循环水泵加装高压变频调速系统进行调速控制，循环水泵有关参数如下：
型号：1600HB立式斜流泵
流量：Q=18500 m 3/h
扬程：H=18.2 m
额定转速：370r/min
配套电机：YL1800-16
匹配功率：1800kw
额定电流：223A
额定转速：375r/min
为了充分保证系统的可靠性，为变频器同时加装工频旁路装置，变频器异常时，变频器停止运行，电机可以直接手动切换到工频下运行。工频旁路由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成（见图，其中QF为原有高压开关）。QS2不能与QS3同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。
为了实现变频器故障的保护，变频器对6KV开关QF进行联锁，一旦变频器故障，变频器跳开QF，工频旁路时，变频器允许QF合闸，撤消对QF的跳闸信号，使电机能正常通过QF合闸工频启动。
为了保证发电机组安全运行，在单台变频循环水泵运行工作模式下，变频器发生故障跳开QF时，需要将备用的循环水泵自动投入运行；为适应变频改造后循环水泵系统自动化水平的提高，对出水阀门也进行联锁自动控制，其阀门联锁功能的作用是：在启动水泵升速过程中，水泵出口水压逐渐增高，当大于设定的“最小开阀出口水压”时，阀门开始打开，直至开全；在停泵时，阀门同步关闭；如果开泵时，阀门因各种原因未能开全，将提示“阀门没有开全”，停泵时，如阀门未关严，将提示“阀门没有关严”。这样在开泵和停泵过程中，值班人员无需再对阀门执行任何操作，不仅减少了操作的失误，而且在开阀、关阀过程中对管网的冲击也很小。
变频调速系统进入发电机组现有的DCS系统。DCS根据机组的负荷情况，按设定程序实现对锅炉循环水泵电机转速的自动控制。变频器需要提供给DCS的开关量输出包括故障报警（变压器超温、单元柜风机故障、控制电源掉电、控制器故障、单元故障、模拟信号断线等）、待命指示、运行指示、高压合闸允许、高压紧急分断、开阀门（变频器控制阀门联动时使用，即打开出口碟阀）、关阀门（变频器控制阀门联动时使用，即关闭出口碟阀）；DCS需要提供给变频器的开关量包括：启动变频（干节点，闭合时有效，使变频器开始运行）、停运变频器（干节点，闭合时有效，使变频器正常停机）、阀门关严（干节点，开点有效，表示变频器所控制的水泵出口碟阀的阀门已关严）、阀门开全（干节点，开点有效表示变频器所控制的水泵出口碟阀的阀门已全开）；DCS需要提供给变频器的模拟量有：1路4～20mA的电流源输出，作为变频器的转速给定值，即变频器需要运行的转速；变频器需要提供给DCS的模拟量有：2路4～20mA的电流源输出，模拟输出对应的物理量为输出频率和输出电流；现场提供给变频器的模拟量有：1路4～20mA的电流源输出，表示变频泵的出口压力，阀门联动时备用；高压开关柜提供给变频器的开关量有：1个，工频高压开关已分闸。节点闭合时表示高压在分闸位置，高压开关合闸，该节点断开。
循环水泵调速由操作人员通过DCS系统的CRT上的模拟操作器，参照凝汽器的真空度和外界气温，对DCS的输出值进行调节，此输出值为反馈给变频器的4-20mA标准信号，对应不同的频率（速度）给定值，变频器通过比较转速输出量与DCS速度给定之间的大小，自动调节电动机的转速，实现的循环水泵转速控制，从而达到调节水量的目的。
在此基础上，经过一段时间的积累，可将不同负荷和温度下的给定值绘制成曲线，定出安全的上下限，制成循环水泵调速专用算法，同时利用热工一次测量元件，将采集的负荷和温度参数的变化值送到机组DCS系统中，在机组DCS系统中，进行控制运算，将计算结果形成4-20mA的速度给定指令信号，反馈给变频器，变频器通过比较转速输出量与DCS速度给定之间的大小，自动调节电动机的转速，实现循环水泵的转速自动控制。
由于这次改造只针对两台并联水泵中的一台，正常运行工况为一台工频、一台变频，由于季节及昼夜温度的差别使得变频系统的运行有着特殊性，管网总出口的压力取决于两台并联水泵各自的出口压力，从而决定了变频泵不可能在太低的频率下运行，否则会引起倒流或不出水的情况，另一方面，太低的频率会导致整体压力下降，达不到循环系统总体的扬程要求，处于工频定速运行的水泵也易导致过流发生，根据以往的运行实践经验，在工频泵与变频泵同时运行的情况下，使变频泵最低的频率保持在38Hz以上，在变频泵单独运行时，变频泵可以根据需要在5-45Hz范围调节，（变频泵调节的频率必须满足水泵出口压力最低要求），这样可以满足运行需要，同时可对出水量进行连续的调节。
6、变频装置调试数据对比
对相关参数的实际测量结果如下
测试结果表明,50%负荷时节能率为60%，满负荷时节能率也达20%。同时，电机变频启动时，启动电流平稳上升,电机启动非常平稳。
7、变频改造后的效益计算
我们从水泵调速节能原理得知，当水泵拖动电机工频运行时，出力为额定值，转速及功耗为额定值，当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变水泵的性能曲线，使水泵的额定参数满足工艺要求，根据水泵的相似定律，变速前后流量、扬程、功率与转速之间关系为：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/P2=（n1/n2）3
Q1 、H1、P1—水泵在n1转速时的流量、扬程、功率；
Q2、H2、P2—水泵在n2转速时相似工况条件下的流量、扬程、功率。
假如转速降低一半，即：n2/n1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。从上图中可以看出：当转速由n1降为n2时，水泵的额定工作参数Q、H、P都降低了。但从效率曲线η-Q看，Q2点的效率值与Q1点的效率值基本是一样的。也就是说当转速降低时，额定工作参数相应降低，但效率不会降低，有时甚至会提高。因此在满足操作要求的前提下，水泵仍能在同样甚至更高的效率下工作。
节能效益计算如下；
全年发电机组运行时间按7200小时计算，其中双泵运行时间和单泵运行时间各占一半，发电机组满负荷、80%负荷、70%负荷、50%负荷运行时间均为1800小时，电费成本为0.2/元度。
1) 1#机组满负荷时，在双泵运行情况下，估算年节电量为：302400KWh，年至少节省电费：60480元
2) 1#机组满负荷时，在变频泵单泵运行情况下，估算年节电量为：302400KWh，年至少节省电费：60480元
3) 1#机组80%负荷时，在双泵运行情况下，估算年节电量为：625500KWh，年至少节省电费：125100元
4) 1#机组80%负荷时，在变频泵单泵运行情况下，估算年节电量为：625500KWh，年至少节省电费：125100元
5) 1#机组70%负荷时，在双泵运行情况下，估算年节电量为：843300KWh，年至少节省电费：168660元
6) 1#机组70%负荷时，在变频泵单泵运行情况下，估算年节电量为：843300KWh，年至少节省电费：168660元
7) 1#机组50%负荷时，在双泵运行情况下，估算年节电量为：897300KWh，年至少节省电费：179460元
8) 1#机组50%负荷时，在变频泵单泵运行情况下，估算年节电量为：897300KWh，年至少节省电费：179460元
可见，在满负荷全年运行至50%负荷全年运行情况下，投入一台北京利德华福公司生产的国产高压变频器后，我公司全年节约电费均可达107.604万元左右。另外，由于北京利德华福公司系列变频器功率因数可达0.95以上，大于电机功率因数0.82，减少大量无功。并且实现电机软启动，可避免因大电流启动冲击造成对电机绝缘的影响，减少电机维护量，节约检修维护费用，同时电机寿命大幅度延长。
8、结束语
高压变频装置节能效果明显，采用变频调速后，实现了电机的软启动，延长电机的寿命，也减少了管道的振动与磨损；总之，HARSVERT-A06/220型高压变频器在山西阳光发电有限责任公司1#机组循环水泵系统的调速改造中应用是相当成功的。该系列变频器的先进性、可靠性已得到许多工业应用的证实。在电力行业，对于许多高压大功率的辅机设备推广和采用高压变频调速技术，不仅可以取得相当显著的节能效果，是电厂节能降耗的一个有效的途径，而且也得到国家产业政策的支持，代表了今后电力行业节能技改的方向，目前电力行业越来越多的人员对此都已形成广泛共识。
