油田變壓器節(jié)能技術(shù)研究及應(yīng)用

陳玉萍 王衛(wèi)煌 張雙民（新疆鄯善吐哈油田供水供電處）

油田變壓器節(jié)能技術(shù)研究及應(yīng)用

陳玉萍 王衛(wèi)煌 張雙民（新疆鄯善吐哈油田供水供電處）

變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與否是由所帶負(fù)荷大小、本身能耗功率以及變壓器磁化過程中引起的空載無功損耗等因素決定的。根據(jù)近幾年國內(nèi)外對高耗能變壓器節(jié)能技術(shù)理論的研究，依據(jù)吐哈油田實(shí)際，利用變壓器綜合損耗技術(shù)、等效損耗與波動(dòng)系數(shù)相配合技術(shù)方案對各類不同負(fù)荷性質(zhì)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到節(jié)能減排效果最大化。單井、注水等生產(chǎn)類變壓器節(jié)能測算采用負(fù)載率進(jìn)行綜合功率損耗測算，生活負(fù)荷類按照系數(shù)波動(dòng)法進(jìn)行測算，預(yù)計(jì)油田總體上可實(shí)現(xiàn)年節(jié)約供電量約300×104kWh。截至目前，在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中完成 259臺變壓器節(jié)能改造，實(shí)現(xiàn)節(jié)約供電量約130×104kWh。

配電變壓器 損耗 負(fù)荷 淘汰 容量 節(jié)能分析

引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)電壓變換的主要設(shè)備，其容量的選擇直接影響到電網(wǎng)的運(yùn)行和投資；同時(shí)變壓器也是輸變電行業(yè)中的耗能大戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國變壓器的總電能損耗約占系統(tǒng)總發(fā)電量的 3%～5%，如損耗每降低1%，每年可節(jié)約幾十億度電。

就油田電力傳輸實(shí)際情況而言，電能通過托克遜發(fā)電廠經(jīng)過一次升壓為220kV輸送至樓蘭變降壓為 110kV，經(jīng)油田 110kV 變電站二次降壓為 35kV及 10kV，部分 35kV 變電站經(jīng)過三次降壓為 10 kV，最后經(jīng)過 10kV配電變壓器四次降壓后供低壓用電設(shè)備使用，變壓器工作過程中自耗不可忽視。

目前，油田電網(wǎng)共有各類變壓器 885臺，總?cè)萘?43.65× 104kVA，其中配電變壓器 852 臺， 容 量為 16.15×104kVA，占 37%。在 852 臺的配電變壓器中 1600kVA以下強(qiáng)制淘汰 S7型和 SL7型高耗能變壓器共有 377臺，且部分變壓器未處于經(jīng)濟(jì)工況運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)能降耗、降本增效的潛力巨大。根據(jù)油田高耗能型配電變壓器構(gòu)成及分布情況，從變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度對節(jié)能變壓器最佳利用效果進(jìn)行界定及優(yōu)化，使變壓器處于經(jīng)濟(jì)工況運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能效果最大化。

利用綜合損耗法對各型號、容量變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載進(jìn)行測算，采用單井自動(dòng)化相關(guān)曲線、變壓器效能監(jiān)察結(jié)果及單井計(jì)量記錄等技術(shù)措施，從而確定負(fù)荷值，為變壓器合理配置提供有力依據(jù)。利用等效負(fù)荷法與波動(dòng)系數(shù)相結(jié)合的新方式，對生活類變壓器的負(fù)荷進(jìn)行測算，為變壓器調(diào)容提供有力 的 參考[1]。

1 高耗能變壓器節(jié)能技術(shù)研究

1.1變壓器調(diào)度運(yùn)行節(jié)能技術(shù)

當(dāng)2臺或2臺以上變壓器并列運(yùn)行相當(dāng)于1臺組合式變壓器運(yùn)行，其組合后的空載損耗 PO和勵(lì)磁功率 QO分別等于各臺變壓器空載損耗和勵(lì)磁功率之和。

當(dāng)1臺變壓器單列運(yùn)行時(shí)，其綜合功率損耗為

式 中 ： ΔPZA表 示 單 列 運(yùn) 行 綜 合 功 率 損 耗 ，kW； POZA表 示單 列運(yùn) 行空載損耗，kW； PKZA表示單列運(yùn)行額定負(fù)載損耗，kW。 S表示系統(tǒng)負(fù)載容量，kVA； SN表示變壓器額定容量，kVA。

當(dāng)2臺變壓器并列運(yùn)行時(shí)，其綜合功率損耗為

式中:POZAB=POZA+POZB;PKZAB=PKZA+PKZB；ΔPZAB表 示 2 臺 并 列 運(yùn) 行 綜 合 功 率 損 耗 ， kW；POZAB表 示 2 臺 并 列 運(yùn) 行 空 載 損 耗 ，kW； PKZAB表示 2臺并列運(yùn)行額定負(fù)載損耗，kW。

令 ΔPZA= ΔPZAB，求 出單列或并列運(yùn)行變壓器臨界負(fù)載容量 SLZ為

因此，可以根據(jù)公式 （3）畫出單列及并列特性曲線 （圖1、圖2）。

圖1

圖2

由表1可知，除哈密及生產(chǎn)點(diǎn)在夏季最高負(fù)荷時(shí)單臺變壓器無法滿足供電需要外，在其他時(shí)間段內(nèi)各個(gè)變電站單臺就能滿足供電需要，變電站運(yùn)行方式比較靈活，因此，選擇何種運(yùn)行方式尤為重要。通過研究計(jì)算及論證結(jié)果，得出在不同負(fù)荷情況下，實(shí)行有效的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

1.2節(jié)能變壓器選擇

變壓器的主要損耗分為空載損耗和負(fù)載損耗。我國目前在降低空載損耗的技術(shù)方面主要是通過調(diào)整鐵芯結(jié)構(gòu)及制造工藝來達(dá)到節(jié)能效果。疊片式變壓器鐵芯采用全斜無孔不疊上鐵軛工藝 （S9型），卷鐵芯結(jié)構(gòu)采用硅鋼片連續(xù)卷制，鐵芯無接縫，減少磁阻，降低空載電流 （S11型），采用立體卷鐵芯結(jié)構(gòu)的為 S13型；非晶合金為一種新的磁性材料，其鐵芯做成圓截面可能比較困難，可以采用長方形截面、上軛可打開的結(jié)構(gòu)。節(jié)能主要是節(jié)約變壓器空載損耗，通過漏磁走向的控制降低變壓器負(fù)載損耗[3]， 因 此 ， 可 采 用 新 型 繞 組 結(jié) 構(gòu) 、 新 型 導(dǎo) 線 減 少空載損耗實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

表1 油田各主變負(fù)荷及變壓器參數(shù)計(jì)算出經(jīng)濟(jì)運(yùn)行臨界值

目前國內(nèi)外對高耗能型配電變壓器的處置主要有兩種方法，一是直接購置節(jié)能型變壓器更換淘汰變壓器，二是利用舊變壓器對其硅鋼片等工藝結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，達(dá)到節(jié)能的目的。但不論采取何種方式，都涉及節(jié)能變壓器選取的問題。非晶合金相使S11 型空載損耗下降 40%，但受材料、制造工藝等制約，價(jià)格普遍比同容量 S11型高60%～80%，尚不具備大規(guī)模更換。此次更換的節(jié)能變壓器主要對S9型及 S11型進(jìn)行篩選。同容量變壓器 S11型比 S9型空載損耗下降 30%，價(jià)格相對高 15%左右。通過綜合測算，選用 S11型變壓器而多投資部分可在 3～5年收回。對容量同為 800kVA 的 S9、S11 型變壓器進(jìn)行空載損耗 ［見公式 （4）］和負(fù)載損耗 ［見公式（5）］比較：

式中： PNL表示變壓器空載損耗，kW； PO表示變壓器額定空載有功損耗即鐵損，kW； QO表示變壓器額定勵(lì)磁功率，kvar； IO% 表示變壓器空載電 流 百 分 比 ， 一 般 是 0.1% ～3% ； K 表 示 無 功 當(dāng)量，按三次變，一般取 K=0.1kW/kvar。

式中： PLL表示變壓器負(fù)載損耗，kW； Pf表示變壓器額定負(fù)載有功損耗即銅損，kW； Qf表示變壓器額定負(fù)載漏磁功率，kvar； UK% 表示變壓器阻抗電壓百分比，一般是 4%～24%。

S9-M-800/10變壓器空載損耗由式 （4）計(jì)算得：

PNL=1.40+0.1 × 0.008 × 800=2.04kW ； 同 理 ，S11-M-800/10 變壓器空載損耗 PNL為 1.14kW。

S9-M-800/10變壓器負(fù)載損耗由式 （5）計(jì)算得：

PLL=7.5+0.1 × 0.045 × 800=11.1kW； 同 理 ，S11-M-800/10 變壓器負(fù)載損耗 PLL為 11.09kW。

從上述計(jì)算可以看出，S11型與 S9型相比，每小 時(shí) 至 少 節(jié) 能 0.9kW， 按 單 位 購 電 平 均 為 0.5 元 計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi) 3942元；S9-M-800型變壓器單價(jià)為 119500 元，S11-M-800 型變壓器單價(jià)為 137425元，變壓器多投資部分回收期為（137425-119500）/ 3942=4.5 年。同理可證明其他容量變壓器,采用 S11型變壓器與采用 S9型變壓器相比，多投資部分的回收期在 3 至 5 年之間，所以采用 S11型全封閉免維護(hù)型變壓器。

1.3高耗能變壓器處置方案

目前，國內(nèi)外高耗能變壓器節(jié)能改造大體分為直接新購更換及等容量技術(shù)改造兩種方式。通過調(diào)查研究，采用容量置換方案，并從投資額、投資回收期及工期等方面進(jìn)行客觀的論證。

1.3.1 淘汰新購更換方案

對在用高耗能變壓器全部購置新的變壓器進(jìn)行更換，并將更換下來的變壓器直接淘汰。該方案的新購置設(shè)備投資費(fèi)用約為 1754 萬元，具體按照戰(zhàn)略協(xié)議價(jià)測算，變壓器可回收總價(jià)值 318萬元；變壓器淘汰更換投資回收期為 11.6 年 （1754/150）。

1.3.2 等容技術(shù)升級改造

綜合考慮變壓器的改造收益情況，對 200kVA及以下變壓器直接淘汰，對 200kVA 以上變壓器進(jìn)行改造。該方案的新購置設(shè)備投資費(fèi)用約為570萬元，改造變壓器費(fèi)用 970萬元，報(bào)廢變壓器價(jià)值約96 萬 元 ， 實(shí)際投資 回 收 期 為 10.2 年 （1540/150）。

1.3.3 容量置換方案

按照容量進(jìn)行置換，依據(jù)1kVA容量新變壓器置 換 SL7 型 變 壓 器 5.4kVA， 置 換 S7 型 變 壓 器 3.8 kVA。目前油田 S7 型變壓器總?cè)萘繛?92104kVA，SL7 變壓器總?cè)萘繛?22765kVA，能置換 S11 型變壓器 28054kVA。在用高耗能型變壓器共有 328臺，容量為 109060kVA，按照新變壓器平均 150元/kVA 測 算 ， 新 購 變 壓 器 需 投 資 為 1215 萬 元［（109060-28054）×150］，投資回收期為 8.1 年（1215/150）。

1.3.4 方案對比

淘汰新購更換方案投資較大，未對現(xiàn)有變壓器進(jìn)行充分利用，同時(shí)投資資金審批和招標(biāo)等相對較慢；等容量技術(shù)改造方案節(jié)約一定投資，但改造工藝較為復(fù)雜，方案實(shí)施相對較慢，利用原有硅鋼片切割制作，解決制作工藝問題，但不能解決材質(zhì)問題，節(jié)能效果不是特別明顯，經(jīng)過近 20年使用，其使用壽命有待進(jìn)一步驗(yàn)證；容量置換方案節(jié)約成本較高，在控制總量的情況下靈活掌握置換變壓器的容量和臺數(shù)，滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要及效益最大化。綜上所述采用容量置換方案，能實(shí)現(xiàn)變壓器利用效率的最大化。

1.4變壓器工況運(yùn)行界定研究

隨著油田 20余年的發(fā)展，負(fù)荷情況不斷變化，但變壓器并未進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，致使部分變壓器存在“大馬拉小車”、“小馬拉大車”的情況，同時(shí)由于缺乏變壓器工況運(yùn)行界定的技術(shù)手段，致使部分變壓器長期以來處于非工況運(yùn)行狀態(tài)，增加了不必要的損耗；因此，通過對變壓器科學(xué)分類，根據(jù)不同變壓器負(fù)荷性質(zhì)采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)方法進(jìn)行計(jì)算、界定就顯得非常重要。

根據(jù)目前油田負(fù)荷的特點(diǎn)可分為四大類：一是單井及計(jì)配站類、二是水源井及泵房類、三是廠站及注水變類、四是生活負(fù)荷類。

當(dāng)在系統(tǒng)負(fù)荷一定時(shí)（即有功功率不變），無功功率下降將減少系統(tǒng)的綜合電能損耗；通過減少變壓器容量，降低變壓器固有損耗的方式減少電能損耗。

其中單井及計(jì)配站類、水源井及泵房類、廠站及注水類變壓器其典型的負(fù)荷曲線見圖3。

圖3 單井等負(fù)荷類典型曲線圖

因此，該類負(fù)荷可以利用綜合損耗法，對變壓器的工況運(yùn)行進(jìn)行界定，利用有關(guān)公式及各變壓器參數(shù)，計(jì)算出每臺變壓器的最佳運(yùn)行負(fù)載率。再根據(jù)每臺變壓器所帶負(fù)荷值，調(diào)整確定合適容量的變壓 器 ，從而達(dá) 到 最 有 利 工況運(yùn)行[4]。

利用上述原理求出各國標(biāo)變壓器最佳負(fù)載率（表3）。

表3 典型變壓器最佳負(fù)載率

生活負(fù)荷類生活負(fù)荷用電變化較大，峰谷出現(xiàn)具有同一性 （圖4），因此，無法利用綜合損耗法對變壓器的經(jīng)濟(jì)工況運(yùn)行進(jìn)行界定。這里采用等效負(fù)荷法及波動(dòng)系數(shù)相配合的方式測算最高負(fù)荷，進(jìn)而進(jìn)行調(diào)容。

圖4 生活負(fù)荷類典型曲線圖

2 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

2.1主變經(jīng)濟(jì)調(diào)度運(yùn)行節(jié)能量

由于變電站負(fù)荷情況無法實(shí)時(shí)計(jì)算，這里通過等效功率法對上述論證結(jié)果實(shí)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度后的節(jié)能情況進(jìn)行測算。

根據(jù)綜合損耗測算得：

通過論證，依照論證結(jié)果實(shí)施經(jīng)濟(jì)調(diào)度，上述9 個(gè)變電站年可節(jié)約電量 116×104kWh，節(jié)約費(fèi)用58萬元。

2.2單井年節(jié)能量

1）溫 五 線 ： S7 型變 壓 器 8 臺 （有 功 負(fù) 荷 率23%， 線 路 功 率 因 數(shù) 0.7，負(fù)載率 34.8%）， 節(jié) 能 改造為 S11 型變壓器，節(jié)能量 ΔP 為 4.37kW。

2）溫西三Ⅰ線、Ⅱ線，米登Ⅰ線、Ⅱ線： S7型變壓器 7 臺，SL7 型變壓器 4 臺 （有功負(fù)荷率15.23%，功 率 因數(shù) 0.78， 負(fù)載 率 19.53%）， 節(jié) 能改造為 S11型變壓器，節(jié)能量 ΔP 為 5.642kW。

3）單 井 Ⅰ 線 ： S7 型 7 臺 （功 率 因 數(shù) 0.84， 負(fù)載率 28%），節(jié)能改造為 S11型變壓器，節(jié)能量 ΔP為 2.91kW。

4）單井Ⅱ、Ⅲ線及計(jì)配Ⅰ線、航氣線、航油線：S7 型 57 臺，SL7 型 7 臺 （功率因數(shù) 0.95，負(fù)載率21%），節(jié)能改造為 S11型變壓器，節(jié)能量 ΔP 為33.79kW。

5）計(jì)配Ⅱ線、溫八Ⅰ線、溫西一線：S7 型 15臺，SL7 型 2 臺 （功率因數(shù) 0.77，負(fù)載率 20%），節(jié)能改造為 S11型變壓器，節(jié)能量 ΔP 為 7.9kW。

6）油 田 1#～4#線 ： S7 型 10 臺 （功 率因數(shù) 0.93，負(fù)載率 20%），節(jié)能改造為 S11 型變壓器，節(jié)能量ΔP 為 6.57kW。

7）鄯勒、巴東巴西線：S7 型 13 臺 （功率因數(shù)0.79，負(fù)載率 24%），節(jié)能改造為 S11 型變壓器，節(jié)能量 ΔP 為 2.06kW。

8）西部區(qū)塊玉東Ⅱ、Ⅲ線及紅南線：S7 型 11臺，SL7 型 1 臺 （功率因數(shù) 0.56，負(fù)載率 28%），節(jié)能改造為 S11型變壓器，節(jié)能量 ΔP 為 11.48kW。

單井及計(jì)量配站變壓器節(jié)能改造，節(jié)能量為70.37×104kWh

2.3生活負(fù)荷類采用負(fù)荷波動(dòng)損耗系數(shù)法測算年節(jié)能量

生活基地有S7型 71臺、SL7型 7臺，基地負(fù)荷率 （平 均 負(fù) 荷/最 大 負(fù) 荷）冬 季 為 71% ， 夏 季 為66% ， 按 68%計(jì) 算 ， 節(jié) 能 量 ΔP 為 123.65kW； 物資、修保線等生活負(fù)荷（按哈密生活負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測算）：S7型 18 臺，SL7 型 16臺，節(jié)能量 ΔP 為48 kW，年節(jié)能 150.38×104kWh。

2.4廠站用變壓器采用平均負(fù)荷法測算

S7 型 19 臺 ， SL7 型 4 臺 ， 節(jié) 能 量 ΔP 為 54.09 kW ， 年 節(jié)能 47.4× 104kWh （54.09× 24× 365）。

2.5水源井用變壓器

丘東水源 （S7型 2臺，SL7 型 4 臺，共計(jì) 6 臺，水井負(fù)荷率為 23%，泵房負(fù)荷率為 55%），節(jié)能量ΔP 為 7.39kW；南湖水源 （S7 型 10 臺，水井負(fù)荷率為 10%），節(jié)能量 ΔP 為 4.45kW；第一水源 （S7型 2 臺，SL7 型 8 臺，共計(jì) 10 臺，水井負(fù)荷率為13%），節(jié)能量 ΔP 為 13.05kW；哈密水源井房及加壓站 （S7型 10臺，水井負(fù)荷率按 13%計(jì)算），節(jié)能量 ΔP 為 7.79kW。全年 節(jié) 能 量 為 28.62× 104kWh。

單井及計(jì)配站類、廠站及水源井、泵房按負(fù)載率情況進(jìn)行綜合功率損耗測算，生活類負(fù)荷按系數(shù)波動(dòng)法進(jìn)行測算。項(xiàng)目總節(jié)能情況為：單井及計(jì)量配站更換改造后年節(jié)能為 70.37×104kWh；水源井及泵房 更 換 改 造 后年節(jié) 能 為 28.62×104kWh；廠站及注水變更換改造后年節(jié)能為 47.4×104kWh；生活負(fù)荷類更換改造后年節(jié)能為 150.38×104kWh。四類合計(jì)約為 300×104kWh，年節(jié)約費(fèi)用為 150 萬元。

2.6總體效果分析

主變調(diào)整運(yùn)行方式，年可節(jié)約費(fèi)用 58萬元；單井及計(jì)配站類、廠站及水源井、泵房按負(fù)載率情況進(jìn)行綜合功率損耗測算，生活類負(fù)荷按系數(shù)波動(dòng)法進(jìn)行測算年節(jié)約電量 300×104kWh，節(jié)約費(fèi)用約150 萬元； 置換節(jié)能型變壓器，節(jié)約成本投資 193萬元； 總體經(jīng)濟(jì)效益顯著，年節(jié)約近 400萬元。

3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

1）利用綜合損耗法對各型號變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載進(jìn)行測算，采用單井自動(dòng)化相關(guān)曲線、變壓器效能監(jiān)察結(jié)果及單井計(jì)量記錄等技術(shù)措施，從而確定負(fù)荷值，為變壓器合理配置提供有力依據(jù)。

2）利用等效負(fù)荷法與波動(dòng)系數(shù)相結(jié)合的新方式，對生活類變壓器的負(fù)荷進(jìn)行測算，為變壓器更新改造調(diào)容提供參考。

3）首次與新疆特變廠家聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)出符合油田抽油機(jī)工作特性的節(jié)能型油田專用變壓器，具有內(nèi)部繞組排列結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行能耗低等技術(shù)特點(diǎn)，具備很強(qiáng)的過載能力，空載損耗減低50%，該技術(shù)為新疆內(nèi)首創(chuàng)。

4）首次實(shí)現(xiàn)與國內(nèi)知名變壓器制造廠家合作，利舊換新，大幅降低換代成本，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化。

[1]丁毓山,高松.變壓器最佳容量確定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[M].北京:中國水利水電出版社，1996:38-49.

[2]姚志松,姚磊.變壓器節(jié)能方法與技術(shù)改造應(yīng)用實(shí)例[M]北京:中國電力出版社,2008:125-129.

[3]胡景生.配電變壓器能效標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:119-122.

[4]胡景生.變壓器能效與節(jié)電技術(shù)[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:136-140.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.002.013

2012-09-05）

陳玉萍，工程師，1998 年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院 （給排水專業(yè)），從事油田電力設(shè)備管理工作，E-mail：chenyp07@gmail.com，地址：新疆鄯善火車站吐哈油田公司供水供電處，838202。