近年来，我国空冷机组的装机容量迅速增加， 尤其北方地区新建机组中绝大多数为直接空冷机 组。由于直接空冷机组较湿冷机组背压高且变化 幅度大，受机组负荷、季风、环境温度等因素的影响 较大，故早期机组给水泵配置主要以电动泵为主。 随着机组容量和参数的提高，给水泵功耗增加很 快，尤其是直接空冷机组，给水泵的耗电率占厂用 电率的比例越来越高，对机组上网电量的影响也越 来越大^[1]。为了响应国家倡导实施的节能减排发展 规划，降低厂用电率、提高机组经济性，山西同煤集 团同华发电有限公司开展了国内首例660 MW直接 空冷机组给水泵变频改造工作。

山西同煤集团同华发电有限公司1期工程2× 660 MW直接空冷机组采用DG2100/25.4-II6型超临 界直流锅炉，汽轮机采用CLNZK660-24.2/566/566 型直接空冷凝汽式机组，配置3×35%Ne（Ne为机组额 定容量）的液力耦合器调速电动给水泵，给水泵组 设备连接情况如图 1所示。电动机同轴驱动给水泵 和前置泵，给水泵的流量调节由液力耦合器调速实 现。正常运行时3台给水泵全部投运，无备用；低负 荷时可以2台泵运行、1台泵备用，也可以3台泵同 时降速运行。

图 1(Figure 1)

图 1 原给水泵组设备连接示意图

此次改造将2号机组给水泵配置方式由原3× 35%Ne方式变更为2×50%Ne+1×35%Ne方式。此方 式保留了1台35%Ne的给水泵作为备用，将另外2台 改造为50%Ne，同时主给水泵采用先进可靠的高压 变频调速方式。

变频改造后的给水泵组设备连接情况如图 2所 示。前置泵由单独的定速电动机驱动。给水泵通 过增速齿轮箱与电动机连接，电动机与高压变频器 连接，利用变频器改变电动机定子供电电源的频率 从而改变电动机的转速，实现给水泵调速的目的。 改造前、后主要设备对比见表 1所示。

图 2(Figure 2)

图 2 变频改造后给水泵组设备连接示意图

表 1(Table 1)

表 1 改造前、后给水泵组设备对比

表 1 改造前、后给水泵组设备对比

表 2 为改造前、后给水泵基本参数的对比情 况。由表 2中数据可以看出，新给水泵较原给水泵 的额定扬程有所降低，这是因为原给水泵选型时扬 程偏高，造成给水泵的实际工作转速偏离最高工作 效率区较远，故新泵设计扬程有所降低，并且新泵 效率曲线的高效区较原给水泵平坦宽阔，可以实现 在较大调速范围给内给水泵的高效运行^{[1, 2]}。

表 2(Table 2)

表 2 变频改造前、后给水泵基本参数对比

表 2 变频改造前、后给水泵基本参数对比

表 3、表 4分别给出了给水泵变频改造前、后给 水泵液力耦合器调速和变频调速下，给水系统参数 随负荷的变化情况。分析表 3、表 4数据可得知：

表 3(Table 3)

表 3 改造前给水系统参数随负荷的变化情况

表 3 改造前给水系统参数随负荷的变化情况

表 4(Table 4)

表 4 改造后给水系统参数随负荷的变化情况

表 4 改造后给水系统参数随负荷的变化情况

（1） 在相同负荷下，新给水泵工作转速明显低 于原泵。由泵的相似定律可知，轴功率与转速的3 次方成正比，当水泵的转速降低时，单位给水量的 电耗将迅速减小，这也是变频调速水泵节能的基本 原理^{[1, 2]}。

（2） 由于原给水泵扬程偏高，机组满负荷工况 下，转速仅为额定转速的90.8%，液力耦合器按照给 水泵的最高转速配置，其勺管开度也仅约为71.7%， 造成液力耦合器传动效率偏低。而新给水泵在满 负荷工况下，转速可达到额定转速的95%，且增速齿 轮箱传动效率基本不受影响（在调速范围内可保持 在98.5%左右）。可见，给水设备的选型配置对给水 系统效率影响很大，在新建机组设备选型时，应重视设备的优化配置。

（3） 由水泵并联运行性能曲线可知，水泵并联 的台数越多，总效率下降越快。所以通过增大单台 泵的给水容量，减少并联运行泵的数量，可以提高 给水系统的总效率^[3]。

本次改造针对12 500 kW大功率高压变频器， 依据计算机模糊控制理论，开发出具有专利技术的 优化控制软件，使变频器、电动机、负载在最佳状态 下运行，并对其进行优化控制，确保在满足系统需 求的前提下大幅度提高系统效率，最大限度地降低 能耗。

由液力耦合器的工作原理知，液力耦合器属于 损耗传动功率的机械调速设备，转速差造成的功率 损耗以热能的形式消耗在油液中，其调速效率（传 动效率）近似等于转速比，所以转速比越小，调速效 率越低^{[4, 5]}。转速比与液力耦合器勺管开度成正比， 所以从勺管开度即可得出液力耦合器的调速效率。

变频器调速利用变频装置作为变频电源，通过 改变异步电动机定子供电电源的频率，使同步转速 发生变化，从而达到改变异步电动机转速、实现调 速的目的^{[4, 5]}。变频调速节电效率与转速的3次方成 正比，而变频器的功率损耗仅约为1%。同时，由于 电动机工作转速与给水泵工作转速不同，两者之间 通过增速齿轮箱达到转速匹配的目的，而增速齿轮 箱的传动效率很高、损耗很小。

对比分析表 3、表 4可知：

（1） 即使在满负荷工况下，液力耦合器勺管开 度也大约仅为71.7%，并且随着负荷的降低，勺管开 度逐渐减小，液力耦合器功率损耗越来越大。根据 液力耦合器功率损失特性，当转速比为2∶3时，功率 损失达到最大。当转速比<2∶3时，虽然传动效率随 着转速比的降低而下降，但由于泵的转速下降，功 率呈3次方下降，所以传功功率损失反而小于速比 为2∶3时的功率损失。

（2） 在满负荷工况下，变频器工作频率约为 46.25 Hz，随着负荷的降低，变频器可以逐渐降低供 电频率（调节精度可控制在0.01%），频率越低节能 效果越显著。

（3） 原电动机额定电压为10 kV，而新电动机 额定电压为6.6 kV（变频器采用10 kV输入，6 kV输 出），且工作电机的数量由3台减为2台，从新、旧电 动机的电流值也可以直观反映出变频节能改造的 明显效果，并且随着负荷的降低，变频节能的效果 愈突出。

表 5为给水泵变频改造前、后的耗电量数据。 当日发电量以1.25 GWh计，根据表中数据估算的给 水泵节电率约为35.51%。

表 5(Table 5)

表 5 给水泵变频改造前、后耗电数据

表 5 给水泵变频改造前、后耗电数据

按照机组全年发电量3.5×10⁹ kWh，原给水泵耗 电率3.85%，变频改造节电率30%估算，则全年节电 量为4.04×10⁷ kWh。若按照电价0.37元/kWh计算， 改造后每年可节省电费约1495.7万元。此次给水 泵变频改造总投资约为4500万元，3年左右即可收回成本。可以看出， 改造工作收益非常可观，改造方案值得大力推广。

国内首例660 MW超临界直接空冷机组给水泵 液力耦合器调速改造为变频调速方式的成功实施， 为高压变频器的使用提供了参考经验，表明大功率 高压变频器调速技术可以在大容量给水泵调速方 案中推广应用。与大型给水泵液力耦合器调速方 式相比，变频调速方式的节能优势明显。

随着大功率高压变频器技术的逐步成熟，建议 新建大型直接空冷机组优先考虑采用给水泵变频 调速方式，并对设备配置进行优化计算，以达到最大限度节能的目的。