水冷變壓器的余熱再利用

汪 箏，黃 磊，王 斌，李賓皚

（1.上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025；2.國網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122）

變壓器是變換電壓和傳遞功率的器件，在變換電壓和傳遞功率的過程中，自身將會(huì)產(chǎn)生有功功率損耗和無功功率損耗，這些損耗與變壓器本身的特性有關(guān)，并隨著負(fù)載的變化而產(chǎn)生非線性的變化，其功率損耗產(chǎn)生的熱量通過絕緣油循環(huán)冷卻，最終散發(fā)到空氣中，不僅消耗了大量的能量，也造成了空氣熱污染。余熱回收一般采用直接利用及間接利用的方法。就目前變電站的運(yùn)行狀況而言，直接利用變壓器油進(jìn)行余熱利用比較困難，但間接利用還是可行的。

1 水冷變壓器的冷卻水系統(tǒng)

水冷變壓器的冷卻原理是變壓器通過油循環(huán)冷卻熱損耗，而油循環(huán)通過“油－水熱交換器”將熱量傳遞給水，水通過封閉式冷卻塔系統(tǒng)，將熱量散發(fā)于大氣。在變壓器滿負(fù)荷狀況下，該水冷系統(tǒng)進(jìn)入“油－水交換器”的水溫為50℃，出水水溫為60℃，即進(jìn)入封閉式冷卻塔的水溫為60℃，出封閉式冷卻塔的水溫為50℃。所以，可以充分利用60℃的水溫余熱，作為熱源或冷源，供變電站內(nèi)部的監(jiān)控室、繼保室、休息室、辦公室等空凋制冷或者采暖，倘若結(jié)合變電站的上部建筑，也可提供空凋的冷源或者采暖的熱源。

水冷變壓器的冷卻水系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)。該冷卻水系統(tǒng)包括變壓器的油－水交換器、封閉式冷卻塔、循環(huán)水泵、膨脹水箱等。

2 利用冷卻水余熱的研究

據(jù)文獻(xiàn)［1］介紹，建筑最大的耗能是空調(diào)和采暖，約占建筑總能耗的55%。例如：利用水冷變壓器的余熱，可供變電站內(nèi)部的監(jiān)控室、繼保室、休息室、辦公室等冬季采暖，夏季空調(diào)及日常熱水供應(yīng)，還可結(jié)合建造的上部建筑（辦公樓或宿舍樓等），提供空調(diào)冷源及采暖熱源。

2.1 水冷變壓器的功率損耗

城市變電站中采用水冷變壓器的一般都為地下變電站。這是因?yàn)椋阂皇菫榱顺鞘芯坝^，地下變電站的地面部分可以是綠地，也可以是辦公樓等；二是為了滿足環(huán)保要求，地下變電站可以很好地解決變電站的電磁場和低頻噪聲污染問題。

240 MVA變壓器的功率損耗約為730 k W，假如地面辦公建筑總建筑面積為1萬m2。以上海市氣候估算，夏季空調(diào)冷負(fù)荷約為1 200 k W；冬季空調(diào)熱負(fù)荷約為700 k W。如果設(shè)計(jì)采用中央空調(diào)系統(tǒng)，夏季系統(tǒng)冷凍水供水溫度為7℃，回水溫度為12℃；冬季熱水供水溫度為45℃，回水溫度為40℃。日常，變電站運(yùn)行變壓器一般超過3臺(tái)，以每臺(tái)變壓器功率損耗為730 k W計(jì)，3臺(tái)為2 190 k W?？鄢儔浩髫?fù)載等因素，可以滿足該辦公建筑的冬季空調(diào)熱源問題。

2.2 余熱可用于冬季空調(diào)采暖

以上海市氣候估算，如設(shè)計(jì)采用中央空調(diào)系統(tǒng)，冬季熱水供水溫度為45℃，回水溫度為40℃。在水冷變壓器水冷卻系統(tǒng)中，再另外配置1套“水－水板式換熱器”換熱，作為空調(diào)熱源。變壓器采用“油－水交換器”冷卻，進(jìn)入“油－水交換器”的水溫為50℃，出水水溫為60℃。而進(jìn)入“水－水交換器”的水溫為40℃，出水水溫為45℃。水冷卻系統(tǒng)可以直接向空調(diào)末端提供出水水溫為45℃、進(jìn)水水溫為40℃的空調(diào)水。此種余熱利用方式，完全不影響水冷變壓器的正常運(yùn)行，只是間接地利用余熱。圖1為余熱利用示意圖。

圖1 水冷變壓器余熱利用的冷卻系統(tǒng)

2.3 余熱可用于夏季空調(diào)制冷

水冷變壓器的余熱可以用來制冷。上海世博會(huì)期間投運(yùn)的110 k V蒙自地下變電站，站內(nèi)變壓器為SF6變壓器，冷卻方式為水冷，排放的熱量品位較低。變壓器運(yùn)行負(fù)載低于50%時(shí)，冷卻水溫度低于60℃；變壓器運(yùn)行負(fù)載大于50%時(shí)，冷卻水溫度才超過60℃。為此，采用上海交通大學(xué)研發(fā)的吸附式制冷機(jī)組，作為站內(nèi)空調(diào)冷源。

上海交通大學(xué)自主研發(fā)的吸附式制冷機(jī)的主要性能指標(biāo)：制冷量為5 k W，冷凍水出水溫度為10～15℃，冷凍水流量為1.5 t／h；冷卻水進(jìn)口溫度為32℃，冷卻水流量為5 t／h；熱水進(jìn)口溫度大于60℃，熱水流量為3.6 t／h。吸附式制冷機(jī)外型如圖2所示。

圖2 吸附式制冷機(jī)外型

吸附式制冷系統(tǒng)是一種以熱源為直接驅(qū)動(dòng)力的制冷機(jī)械，與傳統(tǒng)空調(diào)制冷原理不一樣，所利用的能源，通常為廢熱或低品位的太陽能，使用的制冷劑是天然的，對(duì)臭氧層無破壞。此外，吸附式制冷內(nèi)部吸附、解吸過程，均為物理或化學(xué)過程，運(yùn)行平穩(wěn)而且無噪聲。

吸附式制冷機(jī)組的優(yōu)勢(shì)，在于對(duì)廢熱以及低品位熱源的再利用，對(duì)臭氧層無危害的環(huán)保制冷劑，但制冷效率和傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷，包括吸收式制冷都有很大的差距。由于該產(chǎn)品尚未量產(chǎn)，所以應(yīng)用范圍受到很大限制。

3 平均負(fù)載率與出水水溫

變壓器運(yùn)行時(shí)，按電網(wǎng)運(yùn)行模式，負(fù)荷通常在50%左右，此時(shí)的出水水溫低于60℃，由于熱量品位較低，所以也是多年來余熱利用沒能開展起來的主要原因之一。通過收集上海地區(qū)具有代表性的220 k V古北變電站2010年變壓器全年運(yùn)行數(shù)據(jù)，按負(fù)載率劃分得出：①夏季日平均負(fù)荷率，最高是6月17日至9月21日，總計(jì)97天，平均負(fù)載率為51.6%；②冬季日平均負(fù)載率，最高是1月1日至3月12日，12月6日至31日，總計(jì)96天，最低負(fù)載率為28.28%，最高負(fù)載率為52.09%，平均負(fù)載率為34.47%；③春秋季總計(jì)172天，平均負(fù)載率為30.61%。

由此得出變壓器的日平均值：最低負(fù)載率為23.28%，最高負(fù)載率為70.28%；負(fù)載率小于30%天數(shù)為70天；負(fù)載率30%～40%天數(shù)為147天；負(fù)載率40～50%天數(shù)為51天；負(fù)載率50%～60%天數(shù)為34天；負(fù)載率大于60%天數(shù)為19天。

220 k V古北變電站2010年負(fù)荷曲線見如圖3。

圖3 220 k V古北變電站2010年負(fù)荷曲線

變壓器負(fù)荷率與水溫的數(shù)據(jù)沒能收集到，由變壓器制造廠提供的變壓器負(fù)荷與油溫升曲線，可以大致估算出水水溫。圖4為變壓器制造廠提供的變壓器油溫升曲線。

圖4 運(yùn)行負(fù)荷與油頂層溫升曲線

由圖4可以看出，變壓器滿載240 MVA運(yùn)行時(shí)，頂層油溫約為45 K；運(yùn)行負(fù)載為160 MVA時(shí)，頂層油溫約為29 K；運(yùn)行負(fù)載為150 MVA時(shí)，頂層油溫約為25 K。按上述推算，夏季平均負(fù)載率為51.6%時(shí)，頂層油溫約為25K；平均負(fù)載率為33.3%時(shí)，頂層油溫約為19 K；冬季平均負(fù)載為34.47%，頂層油溫約為19 K。由于缺少變壓器油溫曲線，所以按油溫＝溫升＋室內(nèi)環(huán)境溫度計(jì)算，估算冬季平均油溫在39℃左右，冷卻水的出水水溫約為37℃；夏季平均油溫預(yù)估在59℃，冷卻水的出水水溫約為57℃。

4 變壓器余熱采暖應(yīng)用實(shí)例

4.1 東京電力公司

日本東京電力公司的275 k V東新宿地下變電站，1995年5月投入運(yùn)行，地上8層建筑，為東京電力公司的西支店和新宿支社，地下4層為變電站，主變?yōu)?75 k V／66 k V，300 MVA，SF6氣體絕緣。主變冷卻塔位于整個(gè)建筑物的屋面。

東新宿地下變電站的特點(diǎn)之一，是利用變電站產(chǎn)生的熱量，供該建筑室內(nèi)取暖，以節(jié)約能源。1997年投運(yùn)的東內(nèi)幸町變電站，也采用了同樣技術(shù)的節(jié)能方式。需要指出的是，利用變電站排出的熱量用于地面建筑物暖氣設(shè)備方面，由于效果不太理想，現(xiàn)已放棄了這一方案。

4.2 天津電力公司

國內(nèi)對(duì)變壓器余熱的利用，雖沒有投運(yùn)實(shí)例，但也有論文涉及。例如：1993年沈陽建筑工程學(xué)報(bào)《變壓器余熱利用的分析與探討》一文，以天津某變電站為例，2臺(tái)50 MVA變壓器，每臺(tái)空載損耗為63.9 k W，變電所內(nèi)值班室及輔助房間所需采暖負(fù)荷為31.6 k W。用變壓器循環(huán)油加熱空氣，對(duì)所需采暖的房間進(jìn)行熱風(fēng)采暖。按進(jìn)入熱交換器的油溫為50℃計(jì)算，需要散熱面積為78 m2強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷卻器1臺(tái)，可將回風(fēng)（混合10%的新風(fēng)）加熱到35℃，完全滿足采暖需求。

5 挖潛增效的節(jié)能分析

按上海地區(qū)有代表性的變壓器運(yùn)行負(fù)荷及變壓器油溫曲線推算，夏季變壓器的運(yùn)行負(fù)載約50%，冷卻水的出水水溫約57℃；冬季平均運(yùn)行負(fù)載為34%，冷卻水的出水水溫約為37℃，由于變壓器的余熱品質(zhì)不高，如果直接應(yīng)用，需要加裝輔助電加熱設(shè)備。例如：用于夏季空調(diào)，此時(shí)變壓器冷卻水的出口水溫為57℃，經(jīng)過水－水交換器水溫約降2℃，在55℃左右，需將55℃水溫加熱至60℃，才能用于吸附式制冷機(jī)組的熱源。

冬季采暖，此時(shí)變壓器冷卻水的出口水溫為37℃，經(jīng)過水－水交換器水溫約降2℃，在35℃左右，需將35℃水溫加熱至45℃，才能用于采暖。如此直接應(yīng)用，無疑增加以后的運(yùn)行費(fèi)用，但對(duì)變壓器本身不需要做任何改動(dòng)。

還有一個(gè)方法，需在訂貨時(shí)向變壓器制造廠提出要求，提高變壓器冷卻水的出水水溫。即在變壓器冷卻水出口設(shè)置溫度控制閥，當(dāng)水溫小于60℃時(shí)，返回變壓器的油－水換熱器繼續(xù)加溫，當(dāng)水溫大于等于60℃時(shí)，送至冷卻水系統(tǒng)，提高變壓器余熱的品質(zhì)，用于采暖和空調(diào)制冷，同時(shí)也省去了今后的運(yùn)行費(fèi)用，只是對(duì)變壓器水冷卻系統(tǒng)增加了水溫控制裝置。

6 結(jié)論

1）變壓器損耗是一種潛力很大的余熱。應(yīng)該充分利用，推進(jìn)節(jié)能減排工作。

2）無論變壓器余熱是直接利用，還是變壓器冷卻系統(tǒng)稍加改造，用于民用建筑采暖空調(diào)，既節(jié)約了一次投資費(fèi)用，也節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用。

3）吸附式制冷機(jī)組的優(yōu)勢(shì)：對(duì)廢熱、低品位熱源的利用，采用對(duì)臭氧層無危害的環(huán)保制冷劑。吸附式制冷機(jī)組的劣勢(shì)：制冷效率和傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷，包括吸收式制冷還存在較大的差距，而且吸附式制冷機(jī)組的制冷量，包括能源的可循環(huán)利用量還很小，產(chǎn)品也尚未量產(chǎn)，其利用范圍受到很大的限制。

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