水冷變壓器在大型火力發電廠的應用

劉 洋，李國榮，歐貴臣，王忠華

(1.西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021；2.重慶萬州港電有限責任公司，重慶 萬州 404100)

1 概述

在大型火力發電工程設計中，主變壓器一般布置在室外，其冷卻方式通常都采用強迫(導向)油循環風冷，而在水電站設計中，主變壓器布置在廠房內，一般采用強迫油循環水冷卻方式，主要因為對于水電站來說取水相對容易，水冷卻器效率高、噪聲低，與風冷方式相比，還可改善廠房通風散熱條件，提高變壓器效率和運行可靠性。我院設計的重慶神華萬州電廠2×1050 MW機組工程為適應工程特殊的場地條件，達到全廠建筑美觀大方、打造“園林型”電廠的要求，采用室內500 kV GIS與主變、高廠變、起動/備用變等關聯設備集成布置于主廠房內創新型方案。即主變采用三相一體變，生產廠家為西安西電變壓器有限責任公司，容量為1210 MVA，布置于主廠房內0.0 m層專用變壓器室內，500 kV GIS布置于變壓器上方17.0 m層，主變高壓側通過GIL母線接入GIS，主變壓器室大門面向主廠房A列外側，正面墻上裝設可拆卸防雨百葉板，其它三面均為防火防爆墻，因此其冷卻方式的合理選擇對變壓器安全穩定運行至關重要。

2 大容量變壓器冷卻方式

常用大容量、高電壓等級的主變壓器，一般按強迫導向油循環風冷(ODAF)、強迫油循環風冷(OFAF)、強迫導向油循環水冷(ODWF)和強迫油循環水冷(OFWF)四種主要冷卻方式進行選擇。其代碼簡稱對比如下：

第1位字母：與繞組接觸的內部冷卻介質，O－Oil礦物油或燃點大于300℃絕緣液體。

第2位字母：內部冷卻介質的循環方式，FForced 冷卻設備中的油流是強迫循環，流經繞組內部的油流是熱對流循環，D－Directed冷卻設備中的油流是強迫循環，至少流經主要繞組內的油流是強迫導向循環。

第3位字母：外部冷卻介質，A－Air 空氣,W－Water水。

第4位字母：外部冷卻介質的循環方式，F－Forced強迫循環(風扇、泵等)。

強迫油循環冷卻方式(OF)：主要是在油路中加入了使油的流速加快的潛油泵。潛油泵安裝在冷卻器的下面，泵的吸入端直接裝在第一個油回路(冷卻器為多回路的)上，吐出端通過裝有流動繼電器的聯管接至第二回路。流動繼電器的作用是，當潛油泵發生故障，油流停止時，發出信號和投入備用冷卻器。OF的油流主要在線圈外部，雜質不易進入線圈。

強迫油循環導向冷卻方式(OD)：基本上也屬于強迫油循環類型，其主要區別在于變壓器器身部分的油路不同，同時在結構上采用一定的措施(如加擋油紙板、紙筒)后使油按一定的路徑流動，泵口的冷油在一定壓力下被送入線圈間、線餅間的油道和鐵芯的油道中，能冷卻線圈的各個部分，提高冷卻效能。由于全部油均直接打入線圈，任何進入油中的雜質(包括運行中因磨損等原因產生的粒子)都有可能進入線圈。

因此，從原理上說，OD和OF的差別是：OD線圈中油的流動靠油泵的壓力，與負載基本無關；而OF線圈中油的流動是線圈本身發熱引起的，與負載直接相關。但在采用OD時，如不對流速加以限制，就有可能產生靜電，國家能源局在《防止電力生產事故的二十五項重點要求》(國能安全[2014]161號)中也明確規定“對強油導向的變壓器油泵應選用轉速不大于1500 r/ min的低速油泵”。而采用OF時，油和絕緣之間的相對速度比OD小得多，不用擔心油流帶電問題。

變壓器外部冷卻介質主要是空氣或水，經調查了解，我國三峽水電站主變壓器布置在廠壩平臺82.0 m高程的11.6 m結構段內，變壓器室上方為500 kV GIS室，變壓器室大門面向上游側，其它三面均為封閉的防爆墻，其布置情況與重慶神華萬州電廠類似，采用了德國R& G雙重管密封結構自動排沙防堵型水冷卻器，投運至今運行狀況較好。同時據相關資料顯示，主變壓器布置在地下洞內、戶內或布置空間狹小、散熱不利時宜采用水冷卻方式，可以避免風冷卻器對環境方面的影響(如環境溫度和噪聲的影響)，熱交換效率較高，提高設備運行可靠性。主變壓器采用水冷方式在國內大型水電站中已得到廣泛采用，且有大量的運行業績，如三峽工程左、右岸電站全部26臺700 MW機組，溪洛渡左、右岸電站18臺770 MW機組，龍灘9臺700 MW機組，青海拉西瓦6臺700 MW機組配套的主變壓器均采用水冷卻方式等。

而在大型火力發電廠中采用水冷變壓器，主要還需解決水源問題，根據大型火力發電廠區綜合布置，循環水冷卻水管一般都需經過變壓器區域進入主廠房，而循環水是經過過濾、澄清后的原水，基本上無泥沙含量，其水質比水電站主變壓器冷卻用水好很多，因此，大型火力發電廠主變壓器冷卻水在循環水進水管引接(與主廠房熱機輔助設備開式循環冷卻水合用一根支管)，為保證冷卻水壓力，該水經升壓泵升壓后分一路提供給主變壓器冷卻用水進水管法蘭處，經冷卻后排至循環水回水管。

為便于冷卻器檢修，在進、出水總管均應裝設有手動蝶閥。

主變壓器循環冷卻水系統圖見圖1。

圖1 主變壓器循環冷卻水系統圖

綜合上述分析，重慶神華萬州電廠主變壓器選用強迫導向油循環水冷(ODWF)方式是合理的，且可以實施。考慮到萬州電廠主變壓器冷卻器的重要性，冷卻器采用國外進口產品，經了解，國外生產水冷卻器的主要有德國GEA(現已收購德國R&G)和日本多田，重慶神華萬州電廠主變冷卻器最終采用德國GEA原裝進口產品，冷卻器型號：WKDS 630 EXZ；額定壓力：0.3 MPa；單臺冷卻器功率：800 kW；每組冷卻器水流量：71 m3/h，共5組；油流量：214 m3/h；進出口水溫：33℃/43℃，進出口油溫：70℃/62℃；潛油泵型號：2AR4－186/226。

3 水冷卻系統的特殊技術要求

3.1 水冷卻器本體

水冷卻系統由帶油循環泵的水冷卻器(油－水熱交換器)、油泵、流量信號器、電動閥門、電氣控制所需的測量元件等部分組成，強油水冷卻器應最大能承受1 MPa水壓。冷卻器應為雙重管型，其清洗周期應在3年以上。

冷卻器集中布置在變壓器器身側面，并通過進、出油管與變壓器油箱相連。冷卻器應牢固固定，下部可安裝運輸滾動小車，應能保證其能方便地拆卸。

冷卻器應采用耐腐蝕和耐磨蝕材料，冷卻器的油側應清潔、干燥，不得有銹跡、鐵屑、焊渣等，并應做防銹處理；水側也應做防銹處理。

每個冷卻器底部應設有檢修放水閥，頂部應設有自動排氣閥，每個冷卻器均可通過進水口的電動閥自動切換工作狀態；出水口通過手動閥與主排水管相連。

3.2 油泵

潛油泵采用進口產品，油泵應能承受油溫85℃、0.5 MPa壓力、歷時6 h的滲漏試驗而無滲漏。油泵電動機應配置過負荷、短路和斷相保護設備。

潛油泵的軸承應采取E級或D級，潛油泵轉速不大于1500 r/ min。變壓器內部的最大油流速度應控制在0.5 m/s以下，以避免油流帶電。潛油泵兩側閥門應保證關閉嚴密，滿足變壓器抽全真空的要求，運行中油泵發生故障時應接通報警接點報警。

3.3 儀器儀表

與每臺油泵連接的冷卻器油路中均應裝設油流信號器、耐震壓力表、壓力信號器、測溫電阻等并帶有電氣觸點。

每臺冷卻器的出水口應裝水流信號器，水流信號器為熱擴散式，電壓：AC 220 V，繼電器輸出。每臺冷卻器的進出水口均應裝設耐震壓力表、測溫電阻，壓力表為Y－100型、精度為1級，測溫電阻為鉑金屬型。

3.4 水冷卻系統的性能要求

冷卻器的工作水壓力為0.2～0.4 MPa，冷卻器應進行水壓力試驗，試驗壓力應不小于1.2 MPa，持續時間30 min，應無任何變形及滲漏；

水冷卻器應與變壓器整體進行抽真空和承壓試驗，應無任何變形及泄漏。

變壓器油管路用的閥門應能承受不小于1.2 MPa的油壓試驗，試驗時間為30 min，兩側分別加壓均無滲漏；并能承受120℃變壓器油溫、168h的高溫老化試驗，在該試驗后及1000次的開啟、關閉試驗后仍滿足密封性能的要求。

4 變壓器冷卻方式經濟比較

以重慶神華萬州電廠為例，經濟比較見表1。

表1 主變壓器兩種冷卻方式的年運行費用比較

表2 主變壓器兩種冷卻方式的投資現值比較

從上述經濟比較中可以看出，雖然主變壓器采用風冷方式較水冷方式設備投資少約200萬元，但年運行費要高18.2萬元，投資現值也高28.5萬元，且在夏季時，隨著環境溫度的升高，不僅對主變壓器運行的環境不利，而且對布置在變壓器附近的其它電氣設備的運行也會產生一定的影響，如在主變壓器布置場地設置一套通風系統，其年運行費用也比較高。而采用水冷卻器，則上述不利因素均不復存在，整個布置在主變壓器周圍電氣設備的運行環境也會得到極大的改善，這樣可以提高設備的運行可靠性。

5 結論

綜上所述，鑒于布置于室內的大型主變壓器，由于散熱條件較為不利，為了提高主變壓器及其布置區域電氣設備的運行安全可靠性，為運行維護人員創造一個良好的運行環境，有效克服由于熱量排出困難而導致的環境溫度升高以及風扇使環境噪聲增大的缺陷，建議布置于室內的大型主變壓器冷卻方式按強迫導向油循環水冷卻(ODWF)或強迫油循環水冷卻(OFWF)考慮。

同時通過對國內大型水電站水冷型主變和大型變壓器廠的調研，在大型火力發電廠中采用水冷型變壓器是可以實施的，其冷卻水取至循環水進水管，經冷卻后排至循環水回水管，但在進水側應保證其水壓能適應水冷卻器的工作壓力，以保證變壓器安全運行。重慶神華萬州電廠1號機組自2015年2月9日完成168小時運行以來，主變壓器(ODWF)運行良好。

[1]GB 50660－2011，大中型火力發電廠設計規范 [S]．

[2]GB 17468－2008，電力變壓器選用導則[S]．

[3]JB/T 8316－2007，變壓器用強迫油循環水冷卻器 [S]．

[4]DL/T 5222－2005，導體和電器選擇設計技術規定[S]．

[5]劉洋．重慶神華萬州工程主變壓器選型及布置優化專題報告[R]．成都：西南電力設計院，2012．

[6]王華軍，邵國華．三峽水電站主變壓器冷卻方式選擇 [J]．人民長江，2009，(40)．