張 焱 鄔振武 徐 林

上海電力設計院有限公司

0 引言

近年來建設綠色低碳現(xiàn)代能源系統(tǒng)的推進，對變電站節(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備，對于油浸式變壓器而言，運行時內部由于鐵損和銅損產生的熱量通過變壓器的散熱器，常規(guī)是以自冷、風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，以推進節(jié)能減排工作。

本文對可能適于主變余熱利用需求的幾種主變冷卻方式進行分析，設計了一種主變余熱制熱系統(tǒng)，并對其經濟性進行分析。對主變余熱利用的型式進行展望，結合經濟性分析，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 地上戶內變電站的主變壓器按常規(guī)變電站型式設計，則一般會采用水平分體油浸自冷式變壓器，即布置于室內的主變本體通過油管與布置于戶外的散熱器直接連接，主變本體熱量通過油路進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前提：

1）因余熱利用的場景存在季節(jié)不確定性及建設時序等因素，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%散熱需求設置，主變散熱器與余熱利用系統(tǒng)通過三通閥門并聯(lián)設置。即使余熱利用系統(tǒng)不投入運行，主變本體的熱量仍可以通過散熱器帶走[2]。

2）為防止主變散熱器與余熱利用系統(tǒng)的三通閥門在自動切換時對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，將三通閥門安裝在熱交換器的二次側，即熱交換器的二次側管道通過三通閥門分別連接主變散熱器和余熱利用系統(tǒng)。

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

1.1 強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置油-水熱交換器，變壓器本體采用油循環(huán)，閉式冷卻塔側采用水循環(huán)。系統(tǒng)中油側主變壓器的熱量經油-水熱交換器傳遞至水側，通過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的主流技術。水冷變壓器系統(tǒng)見圖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，水冷卻器要比風冷卻器的體積小、重量輕、噪聲低。同時，水冷卻器對周圍環(huán)境要求低。目前國內水冷卻器單臺最大容量已達到315 kW 以上，國外已達到500 kW 以上。按目前220 kV 變電站內變壓器的容量，一般配置三臺水冷卻器（兩用一備）即可滿足要求[3]。

1.2 強油水冷風機冷卻方式

強油水冷風機冷卻方式除了采用閉式冷卻塔冷卻以外，還有風機冷卻方式，該方式需要把冷卻設備布置在戶外，以達到散熱效果。主變室與戶外的冷卻器，其水路是閉式循環(huán)，通過管道連接，熱交換器里的水帶走油的熱量，溫度上升，通過水泵，水進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。交換器結構采用雙重管形式，管內介質為水，管外介質為變壓器油，通過水來冷卻油，此類結構可以對滲漏進行有效報警。

戶外部分采用風冷卻器（散熱器），管程走水，芯組外部安裝風機，通過風機吹風來冷卻水。戶外部分的散熱器及主水管道見圖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)，運行中補水量較少，相比于閉式冷卻塔方式耗水量相對較少。不過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機進行冷卻，風機噪聲對周圍環(huán)境的影響較難控制。

1.3 強油油冷卻方式

強油油（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 散熱器兩步進行，是分步散熱的具體應用。其工作原理見圖3。其中變壓器、循環(huán)泵、油-油熱交換器安裝在主變室內，散熱器則安裝在戶外。

圖3 OF/OF/AN冷卻方式原理圖

運行過程中，被加熱的絕緣油從變壓器箱體內通過連接管道強迫導入油-油熱交換器中，變壓器側的熱油被冷卻并且回流至變壓器箱體中，而散熱器側的冷卻油被加熱。被加熱后的冷卻油通過在散熱器側循環(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)。變壓器側和散熱器側兩個獨立循環(huán)的冷卻介質均為變壓器絕緣油，品質與管理方式相同。

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。通過更改冷卻介質，解決了傳統(tǒng)水冷變壓器冷卻水泄漏造成的絕緣問題。然而，油-油熱交換器由于生產廠家較少，目前成本較高，以180 MVA容量的220 kV主變?yōu)槔?，僅一套油-油熱交換器需要超過500萬元，經濟性較低。

1.4 冷卻方式分析結論

由上述分析可見，強油水冷閉式冷卻塔、強油水冷風機冷卻方式及強油油冷卻方式均有成熟產品投入實際運行中。強油水冷閉式冷卻塔為目前采用以水為冷卻介質的主流技術，體積小、重量輕，噪聲相對易控制；強油水冷風機冷卻方式布置于戶外的散熱器占地面積較大，由于需要采用風機對散熱器進行冷卻，噪音較高，對周圍環(huán)境的影響較難控制；強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廠家極少，費用較高，經濟性較低。綜合考慮實用性和經濟性，在主變余熱利用系統(tǒng)設計時，選取強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

對于主變余熱利用，不同的主變負載，不同的室外環(huán)境溫度，決定了主變換熱器側水（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]。本文主要對冬季采暖類應用場景進行技術經濟分析。

2.1 系統(tǒng)型式分析

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

圖4 主變余熱制熱系統(tǒng)流程圖

通過油-水熱交換器，將主變設備內部的絕緣油中熱量交換至水側，利用常規(guī)的水-水熱交換器制成滿足末端用熱設備需求的熱水?？紤]到系統(tǒng)安全性，同時設置備用的水冷閉式冷卻塔。

冬季采暖所需的熱水供應，一般為45 ℃進水，40 ℃回水，因此對于主變余熱利用，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到47 ℃。而油溫又與負載率及室外溫度有關[6]，本文選取北方某地，查詢相關規(guī)范可知，冬季通風室外計算溫度約-3.2 ℃，在此情況下考慮主變30%負載和50%負載工況，油溫溫升分別約35 K和45 K，即正常運行時主變循環(huán)油溫度約32 ℃和42 ℃[7]。因此需要主動提升主變循環(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行，因此主變余熱制熱時，適當提升主變循環(huán)油溫度是可行的，不會對主變正常運行產生影響，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85%~90%。

2.2 系統(tǒng)經濟性分析

由于冬季供暖存在市政集中供熱管網，因此在計算制熱系統(tǒng)經濟性時，也主要考慮與從市政供熱管網取熱的費用進行比較。

根據(jù)收集到的相關資料，目前北方某地的居民冬季供暖用熱收費約28元/㎡，公共建筑則為38元/㎡。假定公共建筑建筑面積1 000 ㎡，則冬季總供暖費用約38 000 元。根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網設計規(guī)范》（CJJ34-2010）中提出的采暖熱指標推薦值，假定該公共建筑的熱負荷指標可以按照70 W/㎡折算，一個供暖季該公共建筑總熱負荷約20.16 萬kW。按此計算得到，公共建筑供暖時，熱量的價格約為0.19元/kW。

本文選取配置兩臺180 MVA主變的220 kV變電站進行分析，每臺主變空載損耗為90 kW，100%負載時的負載損耗為555 kW，50%負載時的負載損耗為139 kW，30%負載時的負載損耗為50 kW，因此50%、30%負載時的總損耗分別是229 kW 和140 kW。按照主變余熱制熱系統(tǒng)效率85%考慮，兩臺主變在50%負載條件下，制熱量約390 kW，系統(tǒng)年收益約21.34 萬元；在30%負載條件下，制熱量約238 kW，系統(tǒng)年收益約13.02 萬元。

系統(tǒng)初投資分為兩部分，每臺主變的油-水熱交換器、定壓補水、循環(huán)泵及閥門、管道、冷卻塔等設備費用為170 萬元/套，水-水熱交換器加末端管道、控制系統(tǒng)約60 萬元，總投資估算約390 萬元。主變負載在50%時，靜態(tài)投資回收期約18.3 年，主變負載在30%時，靜態(tài)投資回收期將達30 年?？梢娤到y(tǒng)經濟性并不高。

3 主變余熱利用型式展望

針對220 kV地上戶內變電站的布置型式，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備，主變余熱利用存在系統(tǒng)初投資過高，總體收益較低，投資回收期過長的問題，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，上述工程建設的實際需求，要求主變散熱器采用水冷布置，并已考慮設置油-水交換器與冷卻塔設備。在上述基礎上，考慮對主變余熱進行回收利用，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)水側管路增加一路旁路，在有余熱利用需求時，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)，總體造價約60 萬元。在此基礎上，根據(jù)2.2節(jié)計算的系統(tǒng)年收益，主變在50%、30%負載時的靜態(tài)投資回收期分別為2.8 年和4.6 年。上述系統(tǒng)具有較高的經濟價值，建議在類似的工程設計中采用。

4 總結

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

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

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