長慶油田華慶油區變壓器節能優化改造

張彩婷 孫赟 邵剛濤（西安長慶科技工程有限責任公司）

長慶油田華慶油區位于甘肅省東部，東北與陜西省的志丹、吳起、定邊接壤，西南與慶陽市環縣、慶城、華慶為鄰，地處甘肅省慶陽市華池縣境內，于2008 年大規模開發，目前建有聯合站3 座、輸油站3座、熱泵站2座。

華慶油區現有10 kV線路35條（共計957 km）、柱上變電站977臺、低壓配電室65座，主要承擔著喬河、五蛟、元城、華慶、試采5個采油作業區所轄站庫、油井的運行，以及生活基地供配電任務。

1 油田現有變壓器類型及特點

1）S7 型配電變壓器。S7 型變壓器屬于油田中比較老式的變壓器，也是長慶油田井場及站場于上世紀70—90 年代使用較為廣泛的機電產品。該變壓器原材料消耗量大，空載損耗高，負載損耗高，運行可靠性較低，屬強制淘汰設備，目前已停產。這種老式變壓器的運行不僅增加了油田配電網的電能損耗，而且給供電安全帶來了隱患[1]。

2）S9型配電變壓器。與S7型變壓器同屬于油田中比較老式的變壓器，但其空載損耗、負載損耗、總損耗較高，已經達不到GB 20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及節能評價值》中能效限定值要求。1997 年（含）前生產投運的該系列產品，最遲應于2017 年底前停止使用。對于1997 年后生產投運的該系列產品，鼓勵企業自主逐步更新淘汰[2]。

3）S11型配電變壓器。S11 型變壓器是一種低損耗、新型節能環保變壓器，也是目前油田產能建設中應用最為廣泛的產品[3]。

4）S13 型配電變壓器。S13 系列的超低損耗變壓器使用優質的硅鋼片（新日鐵）和優化的電磁材料，是相對于S11 型更為環保節能的變壓器系列。根據《長慶油田地面建設工程標準化、數字化設計技術規定》的要求，變壓器選用S13系列新型節能變壓器[4]。

5）SH15型配電變壓器。SH15型非晶合金變壓器是一種低損耗變壓器，這種低損耗變壓器采用非晶合金帶材作為貼心材料，具有噪聲小、損耗低、全密封、免維護及運行費用較低等特點[5]。但SH15系列變壓器在目前為推廣階段，價格分別較S11、S13系列變壓器高42%和32%[6]。

根據高耗能落后機電設備（產品）淘汰目錄，目前油區有188臺S7型、S9型高耗能變壓器，其中10 臺S7 型變壓器用于1997 年前，屬工信部《高耗能落后機電設備（產品）淘汰目錄（第一批）》強制淘汰設備，應強制更換；178臺S9型變壓器用于1997—2007 年，屬工信部《高耗能落后機電設備（產品）淘汰目錄（第四批）》淘汰設備。在已使用的S9 型變壓器中有18 臺為1997 年前生產投運，屬強制淘汰產品，應強制更換。剩余160臺為1997年后生產投運的，屬鼓勵淘汰產品，需進行論證，確定其是否應該更換。其余S11 型變壓器投運于2007—2016 年，S13 型變壓器投運于2016 年后，均不屬于淘汰設備，可繼續使用。

2 S7、S9及S13系列變壓器損耗比較

1）空載損耗。是指變壓器空載時的鐵心損耗，包括變壓器磁路中磁滯損耗和渦流損耗之和。空載損耗是固定損耗，不隨負載變化。

2）負載損耗。是指變壓器帶上負載后的電流與繞組電阻所產生的損耗，也稱為銅損，其值與負載電流的二次方成正比。

3）介質損耗和雜散損耗相對較小，可忽略不計。以油田常用變壓器100 kVA 容量為例，S7 型、S9型及S13型變壓器損耗與GB 20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》規定的能效等級進行比較，達到能效等級2級。變壓器損耗對比見表1。

表1 變壓器損耗對比

3 節能改造方案

3.1 費用計算

目前國際上所有評價變壓器能效的方法，都要求比較變壓器的初始投資和其在使用期內的損耗費用之和，即綜合能效費用TOC。

對于1997 年后使用的160 臺S9 型變壓器，運用國際推薦的配電變壓器能效經濟技術評價法（TOC計算法）與S13型變壓器進行綜合能效費用對比[7]，計算其綜合能效費用，以確定是否應該更換。相關計算公式及參數參考《工業與民用配電設計手冊（第四版）》及Q/CSG 11111001—2013《配電變壓器能效標準及技術經濟評價導則》。

TOC算法是一種用于分析和比較配電變壓器能效的技術經濟評價方法。該方法綜合考慮了變壓器初始費用、剩余壽命、損耗、負載率、電價等指標，目的是從經濟角度更加科學地評判變壓器的節能效益。TOC值越低，技術經濟指標更佳[8]。

式中：TOC——配電變壓器綜合能效費用，元；

CI——配電變壓器初始費用，元；

Ees——供電企業平均售電單價，元/kWh；

P0——配電變壓器額定空載損耗，kW；

Pk——配電變壓器額定負載損耗，kW；

I0——配電變壓器額定空載電流，%；

Uk——配電變壓器額定短路阻抗，%；

Se——配電變壓器額定容量，kVA；

HPY——配電變壓器年帶電小時數，宜取8 760 h；

β——負載率；

τ——年最大負載損耗小時數，石油行業取5 825 h。

現有運行變壓器的初始費用計算如下：

式中：VN——擬更換新配電變壓器的購置費用，元；

VNT——擬更換新配電變壓器到第T 年末的殘值，元。

擬更換新配電變壓器到第T 年末的殘值VN可按照平均年限折舊法進行估算。

3.2 費用比較

根據S9 型變壓器剩余壽命值，剩余壽命10 年及以上的有93 臺，剩余壽命5～10 年的有6 臺，剩余壽命5 年以下的有61 臺。分別計算剩余壽命10 年以上、5～10 年及5 年以下的S9 型變壓器的TOC 值，并與擬更換的S13 型變壓器的TOC 值進行比較。

1）余壽命10 年以上的S9 型變壓器與S13 型變壓器的TOC 值。以剩余壽命11 年為例，將S9 型變壓器更換為S13 型變壓器，考慮變壓器的初始費

式中：VO0——現有運行配電變壓器在擬更換年的可售價格，可取該配電變壓器當前價值，元；

VOT——現有運行配電變壓器到第T 年末的凈殘值，相當于報廢回收價格，元；

T——現有運行配電變壓器可繼續運行年限。

擬更換新變壓器的初始費用計算如下：用、殘值等，1 臺200 kVA 的S9 型變壓器更換為S13 變壓器后，11 年的總綜合能效費用將減少13 448元。TOC值對比見表2。

表2 TOC值對比

2）剩余壽命5～10 年的S9 型變壓器與S13 型變壓器的TOC值。以剩余壽命8年為例，將S9型變壓器更換為S13 型變壓器，考慮變壓器的初始費用、殘值等，1 臺200 kVA 的S9 型變壓器更換為S13 變壓器后，8 年的總綜合能效費用將減少10 999元。TOC值對比見表3。

表3 TOC值對比

3）剩余壽命5 年以下的S9 型變壓器與S13 型變壓器的TOC值。以剩余壽命3年為例，將S9型變壓器更換為S13 型變壓器，考慮變壓器的初始費用、殘值等，1 臺200 kVA 的S9 型變壓器更換為S13 變壓器后，3 年的總綜合能效費用將減少5 080 元。TOC值對比見表4。

表4 TOC值對比

從計算結果可以看出，不同容量、不同剩余壽命值的S9型變壓器，更換為S13型變壓器后綜合能效費用總體是降低的，即S13型變壓器的技術經濟指標更佳；故建議將160臺S9型變壓器逐步更換為S13型變壓器，以達到節能效果。

綜上所述，將10 臺S7 型變壓器全部強制更換為S13 型變壓器；將18 臺1997 年前生產投運的S9 型變壓器全部強制更換為S13型變壓器；將1997年后生產投運的160 臺S9 型變壓器逐步更換為S13型變壓器，其中剩余壽命5 年以下的61 臺S9 型配電變壓器，從壽命周期、剩余價值及節能綜合考慮，推薦先更換。

4 結論

1）改造前的188 臺變壓器年損耗為328.963×104kWh，年損耗電費為207.247 萬元。將188 臺S7型/S9型變壓器全部更換為S13型變壓器，更換后的188臺S13型變壓器年損耗為314.263×104kWh，年損耗電費為197.985萬元，年損耗降低14.7×104kWh，年節約電費約9.26萬元。

2）從節能及經濟運行角度考慮，更換變壓器時建議按負載率70%選擇配電變壓器。