變電站主變壓器余熱利用型式分析

張 焱 鄔振武 徐 林

上海電力設(shè)計(jì)院有限公司

0 引言

近年來(lái)建設(shè)綠色低碳現(xiàn)代能源系統(tǒng)的推進(jìn)，對(duì)變電站節(jié)能降耗提出了更高的要求。主變壓器是變電站中損耗最集中的設(shè)備，對(duì)于油浸式變壓器而言，運(yùn)行時(shí)內(nèi)部由于鐵損和銅損產(chǎn)生的熱量通過(guò)變壓器的散熱器，常規(guī)是以自冷、風(fēng)冷和水冷的形式散發(fā)到空氣中。這部分熱量的散失，本身是一種能量的損失，同時(shí)也造成了空氣的熱污染[1]。因此，主變壓器的余熱可以考慮再利用，以推進(jìn)節(jié)能減排工作。

本文對(duì)可能適于主變余熱利用需求的幾種主變冷卻方式進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種主變余熱制熱系統(tǒng)，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。對(duì)主變余熱利用的型式進(jìn)行展望，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析，提出后續(xù)適于采用主變余熱利用的工程類型。

1 主變冷卻方式分析

220 kV 地上戶內(nèi)變電站的主變壓器按常規(guī)變電站型式設(shè)計(jì)，則一般會(huì)采用水平分體油浸自冷式變壓器，即布置于室內(nèi)的主變本體通過(guò)油管與布置于戶外的散熱器直接連接，主變本體熱量通過(guò)油路進(jìn)入散熱器后直接散發(fā)至空氣中，此類冷卻方式不利于主變余熱的收集。

根據(jù)主變余熱利用的需求，選擇主變冷卻方式有以下兩點(diǎn)前提：

1）因余熱利用的場(chǎng)景存在季節(jié)不確定性及建設(shè)時(shí)序等因素，變電站的主變系統(tǒng)仍考慮配置一套散熱器，該系統(tǒng)按主變100%散熱需求設(shè)置，主變散熱器與余熱利用系統(tǒng)通過(guò)三通閥門(mén)并聯(lián)設(shè)置。即使余熱利用系統(tǒng)不投入運(yùn)行，主變本體的熱量仍可以通過(guò)散熱器帶走[2]。

2）為防止主變散熱器與余熱利用系統(tǒng)的三通閥門(mén)在自動(dòng)切換時(shí)對(duì)主變本體的油流速度造成影響，需要在主變本體與散熱器之間配置熱交換器，將三通閥門(mén)安裝在熱交換器的二次側(cè)，即熱交換器的二次側(cè)管道通過(guò)三通閥門(mén)分別連接主變散熱器和余熱利用系統(tǒng)。

基于以上前提，對(duì)采用熱交換器的主變冷卻型式進(jìn)行分析，以選擇滿足余熱利用需求的主變冷卻型式。

1.1 強(qiáng)油水冷閉式冷卻塔方式

閉式冷卻塔水冷方式是指在主變壓器本體和閉式冷卻塔間設(shè)置油-水熱交換器，變壓器本體采用油循環(huán)，閉式冷卻塔側(cè)采用水循環(huán)。系統(tǒng)中油側(cè)主變壓器的熱量經(jīng)油-水熱交換器傳遞至水側(cè)，通過(guò)閉式冷卻塔將熱量帶走。此方式為目前采用以水為冷卻介質(zhì)的主流技術(shù)。水冷變壓器系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 水冷變壓器系統(tǒng)

冷卻容量基本相同的兩種冷卻器，水冷卻器要比風(fēng)冷卻器的體積小、重量輕、噪聲低。同時(shí)，水冷卻器對(duì)周圍環(huán)境要求低。目前國(guó)內(nèi)水冷卻器單臺(tái)最大容量已達(dá)到315 kW 以上，國(guó)外已達(dá)到500 kW 以上。按目前220 kV 變電站內(nèi)變壓器的容量，一般配置三臺(tái)水冷卻器（兩用一備）即可滿足要求[3]。

1.2 強(qiáng)油水冷風(fēng)機(jī)冷卻方式

強(qiáng)油水冷風(fēng)機(jī)冷卻方式除了采用閉式冷卻塔冷卻以外，還有風(fēng)機(jī)冷卻方式，該方式需要把冷卻設(shè)備布置在戶外，以達(dá)到散熱效果。主變室與戶外的冷卻器，其水路是閉式循環(huán)，通過(guò)管道連接，熱交換器里的水帶走油的熱量，溫度上升，通過(guò)水泵，水進(jìn)入到散熱器管程之后，溫度下降后再流回主變室的水冷卻器以循環(huán)工作。

戶內(nèi)部分與閉式冷卻塔方式基本一致，主要需配置油-水交換器。交換器結(jié)構(gòu)采用雙重管形式，管內(nèi)介質(zhì)為水，管外介質(zhì)為變壓器油，通過(guò)水來(lái)冷卻油，此類結(jié)構(gòu)可以對(duì)滲漏進(jìn)行有效報(bào)警。

戶外部分采用風(fēng)冷卻器（散熱器），管程走水，芯組外部安裝風(fēng)機(jī)，通過(guò)風(fēng)機(jī)吹風(fēng)來(lái)冷卻水。戶外部分的散熱器及主水管道見(jiàn)圖2。

圖2 戶外部分的散熱器及主水管道

此類冷卻方式由于水路是閉式循環(huán)，運(yùn)行中補(bǔ)水量較少，相比于閉式冷卻塔方式耗水量相對(duì)較少。不過(guò)此方式散熱器占地面積較大，且由于地上戶外散熱器需配置風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻，風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)周圍環(huán)境的影響較難控制。

1.3 強(qiáng)油油冷卻方式

強(qiáng)油油（OF/OF/AN）冷卻系統(tǒng)將傳統(tǒng)的冷卻方式拆分為OFOF 冷卻器以及OFAN 散熱器兩步進(jìn)行，是分步散熱的具體應(yīng)用。其工作原理見(jiàn)圖3。其中變壓器、循環(huán)泵、油-油熱交換器安裝在主變室內(nèi)，散熱器則安裝在戶外。

圖3 OF/OF/AN冷卻方式原理圖

運(yùn)行過(guò)程中，被加熱的絕緣油從變壓器箱體內(nèi)通過(guò)連接管道強(qiáng)迫導(dǎo)入油-油熱交換器中，變壓器側(cè)的熱油被冷卻并且回流至變壓器箱體中，而散熱器側(cè)的冷卻油被加熱。被加熱后的冷卻油通過(guò)在散熱器側(cè)循環(huán)油泵輸送到散熱器中，被冷卻后再回流到熱交換器中，從而完成一次循環(huán)。變壓器側(cè)和散熱器側(cè)兩個(gè)獨(dú)立循環(huán)的冷卻介質(zhì)均為變壓器絕緣油，品質(zhì)與管理方式相同。

相比于其他冷卻系統(tǒng)，OF/OF/AN 冷卻系統(tǒng)由于采用了分步冷卻的方式，有效降低了城市變電站的地表占地面積。通過(guò)更改冷卻介質(zhì)，解決了傳統(tǒng)水冷變壓器冷卻水泄漏造成的絕緣問(wèn)題。然而，油-油熱交換器由于生產(chǎn)廠家較少，目前成本較高，以180 MVA容量的220 kV主變?yōu)槔瑑H一套油-油熱交換器需要超過(guò)500萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)性較低。

1.4 冷卻方式分析結(jié)論

由上述分析可見(jiàn)，強(qiáng)油水冷閉式冷卻塔、強(qiáng)油水冷風(fēng)機(jī)冷卻方式及強(qiáng)油油冷卻方式均有成熟產(chǎn)品投入實(shí)際運(yùn)行中。強(qiáng)油水冷閉式冷卻塔為目前采用以水為冷卻介質(zhì)的主流技術(shù)，體積小、重量輕，噪聲相對(duì)易控制；強(qiáng)油水冷風(fēng)機(jī)冷卻方式布置于戶外的散熱器占地面積較大，由于需要采用風(fēng)機(jī)對(duì)散熱器進(jìn)行冷卻，噪音較高，對(duì)周圍環(huán)境的影響較難控制；強(qiáng)油油冷卻方式戶外散熱器占地面積適中，且自冷散熱方式噪音較小，但目前油-油熱交換器由于生產(chǎn)廠家極少，費(fèi)用較高，經(jīng)濟(jì)性較低。綜合考慮實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，在主變余熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選取強(qiáng)油水冷閉式冷卻塔方式作為主變的常規(guī)冷卻方式。

2 主變余熱利用系統(tǒng)型式

對(duì)于主變余熱利用，不同的主變負(fù)載，不同的室外環(huán)境溫度，決定了主變換熱器側(cè)水（油）的出口溫度，這也決定了不同的余熱利用型式。

目前常規(guī)的主變余熱利用型式主要有：夏季制冷、冬季采暖及為周邊提供生活用熱等型式[4]。本文主要對(duì)冬季采暖類應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

2.1 系統(tǒng)型式分析

利用主變壓器余熱進(jìn)行冬季采暖首先在保證變壓器安全運(yùn)行的前提條件下，既要穩(wěn)定運(yùn)行又能利用主變壓器余熱，本設(shè)計(jì)的主變余熱制熱系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 主變余熱制熱系統(tǒng)流程圖

通過(guò)油-水熱交換器，將主變?cè)O(shè)備內(nèi)部的絕緣油中熱量交換至水側(cè)，利用常規(guī)的水-水熱交換器制成滿足末端用熱設(shè)備需求的熱水。考慮到系統(tǒng)安全性，同時(shí)設(shè)置備用的水冷閉式冷卻塔。

冬季采暖所需的熱水供應(yīng)，一般為45 ℃進(jìn)水，40 ℃回水，因此對(duì)于主變余熱利用，可以考慮為周邊房間提供制熱用熱水[5]。若需提供45 ℃的熱水，不考慮采取水溫二次提升措施，則要求主變油溫至少達(dá)到47 ℃。而油溫又與負(fù)載率及室外溫度有關(guān)[6]，本文選取北方某地，查詢相關(guān)規(guī)范可知，冬季通風(fēng)室外計(jì)算溫度約-3.2 ℃，在此情況下考慮主變30%負(fù)載和50%負(fù)載工況，油溫溫升分別約35 K和45 K，即正常運(yùn)行時(shí)主變循環(huán)油溫度約32 ℃和42 ℃[7]。因此需要主動(dòng)提升主變循環(huán)油的溫度，控制出口油溫不低于47 ℃。根據(jù)與油-水熱交換器廠家溝通，目前常規(guī)水冷設(shè)備出口油溫可以控制在62 ℃，回油溫度約53 ℃，在此工況下主變可以正常運(yùn)行，因此主變余熱制熱時(shí)，適當(dāng)提升主變循環(huán)油溫度是可行的，不會(huì)對(duì)主變正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，且主變油溫越高，系統(tǒng)熱交換的效率也越高。按照主變出口油溫62 ℃計(jì)算，制成45 ℃的熱水直接給周邊提供制熱用熱水，系統(tǒng)效率可達(dá)85%~90%。

2.2 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

由于冬季供暖存在市政集中供熱管網(wǎng)，因此在計(jì)算制熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性時(shí)，也主要考慮與從市政供熱管網(wǎng)取熱的費(fèi)用進(jìn)行比較。

根據(jù)收集到的相關(guān)資料，目前北方某地的居民冬季供暖用熱收費(fèi)約28元/㎡，公共建筑則為38元/㎡。假定公共建筑建筑面積1 000 ㎡，則冬季總供暖費(fèi)用約38 000 元。根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ34-2010）中提出的采暖熱指標(biāo)推薦值，假定該公共建筑的熱負(fù)荷指標(biāo)可以按照70 W/㎡折算，一個(gè)供暖季該公共建筑總熱負(fù)荷約20.16 萬(wàn)kW。按此計(jì)算得到，公共建筑供暖時(shí)，熱量的價(jià)格約為0.19元/kW。

本文選取配置兩臺(tái)180 MVA主變的220 kV變電站進(jìn)行分析，每臺(tái)主變空載損耗為90 kW，100%負(fù)載時(shí)的負(fù)載損耗為555 kW，50%負(fù)載時(shí)的負(fù)載損耗為139 kW，30%負(fù)載時(shí)的負(fù)載損耗為50 kW，因此50%、30%負(fù)載時(shí)的總損耗分別是229 kW 和140 kW。按照主變余熱制熱系統(tǒng)效率85%考慮，兩臺(tái)主變?cè)?0%負(fù)載條件下，制熱量約390 kW，系統(tǒng)年收益約21.34 萬(wàn)元；在30%負(fù)載條件下，制熱量約238 kW，系統(tǒng)年收益約13.02 萬(wàn)元。

系統(tǒng)初投資分為兩部分，每臺(tái)主變的油-水熱交換器、定壓補(bǔ)水、循環(huán)泵及閥門(mén)、管道、冷卻塔等設(shè)備費(fèi)用為170 萬(wàn)元/套，水-水熱交換器加末端管道、控制系統(tǒng)約60 萬(wàn)元，總投資估算約390 萬(wàn)元。主變負(fù)載在50%時(shí)，靜態(tài)投資回收期約18.3 年，主變負(fù)載在30%時(shí)，靜態(tài)投資回收期將達(dá)30 年。可見(jiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性并不高。

3 主變余熱利用型式展望

針對(duì)220 kV地上戶內(nèi)變電站的布置型式，如采用主變余熱利用系統(tǒng)，需將原自冷型的片式油散熱器換成油-水熱交換器及水冷閉式冷卻塔等設(shè)備，主變余熱利用存在系統(tǒng)初投資過(guò)高，總體收益較低，投資回收期過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，因此不建議在此類工程中采用上述系統(tǒng)。

目前北京、上海地區(qū)的500 kV 及220 kV 地下變電站，均為主變與散熱器分體布置，且散熱器采用水冷閉式冷卻塔，冷卻塔均結(jié)合地面建筑綜合布置。即：不考慮主變余熱利用的條件下，上述工程建設(shè)的實(shí)際需求，要求主變散熱器采用水冷布置，并已考慮設(shè)置油-水交換器與冷卻塔設(shè)備。在上述基礎(chǔ)上，考慮對(duì)主變余熱進(jìn)行回收利用，將存在較高的可行性。

上述類型的變電站如采用本文第2章節(jié)的主變余熱利用系統(tǒng)，僅需考慮將系統(tǒng)水側(cè)管路增加一路旁路，在有余熱利用需求時(shí)，將原送至水冷冷卻塔的水路，旁路至余熱利用系統(tǒng)。上述增加的旁路管道與控制系統(tǒng)，總體造價(jià)約60 萬(wàn)元。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)2.2節(jié)計(jì)算的系統(tǒng)年收益，主變?cè)?0%、30%負(fù)載時(shí)的靜態(tài)投資回收期分別為2.8 年和4.6 年。上述系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，建議在類似的工程設(shè)計(jì)中采用。

4 總結(jié)

通過(guò)主變冷卻方式選擇及主變余熱利用的系統(tǒng)型式開(kāi)展分析，得出以下結(jié)論：

1）針對(duì)目前常規(guī)220 kV 地上戶內(nèi)變電站的實(shí)際布置，主變余熱利用存在系統(tǒng)初投資過(guò)高，總體收益較低，投資回收期過(guò)長(zhǎng)，因此不建議在此類工程中采用上述系統(tǒng)。

2）當(dāng)220 kV 及以上的地下變電站考慮與地面建筑結(jié)合設(shè)計(jì)，主變需要采用水冷閉式冷卻塔方式散熱時(shí)，建議考慮引入主變余熱利用系統(tǒng)，將具有較高的經(jīng)濟(jì)性。