電廠1000MW機組主變壓器型式選擇的研究

李建強 李遂甫 安 偉 楊錦洪 張永前 秦建立 張 娜 楊俊生

（大唐三門峽電力有限責任公司，河南 三門峽 472143）

作為百萬千瓦級超超臨界機組的主要輔助設備，主變壓器擔負著將發(fā)電機發(fā)出的電力升壓送至電網(wǎng)的重要功能，主變壓器性能的優(yōu)劣將直接影響到機組的運行水平。主變壓器按鐵芯和繞組結構形式劃分有單相變壓器組和三相變壓器兩種型式。單相變壓器組由三臺單相變壓器組成，將三臺變壓器分別布置，油路完全分開，通過外部封閉母線實現(xiàn)變壓器的電氣連接，可排除三相短路的可能性，提高機組運行可靠性［1，2］。三相變壓器設置一個油箱，用引線、管道將三相連成一體，共用一套油保護及冷卻系統(tǒng)。近年來，隨著1000MW機組的不斷投運，大容量變壓器的選型問題表現(xiàn)的日益突出，選擇技術合理、經(jīng)濟優(yōu)越、安裝運行維護方便的主變壓器勢在必行。本文針對本公司1000MW機組擴建工程主變壓器選型的問題，從技術經(jīng)濟方面進行全面調(diào)研、論證及分析。

1 國內(nèi)外投運1000MW機組主變壓器現(xiàn)狀

目前，1000MW等級機組的主變壓器無論單相變壓器還是三相變壓器均在工程中廣泛使用。早期1000MW機組選用單相變壓器較多，如浙江華能玉環(huán)電廠、山東華電鄒縣電廠、江蘇國電泰州電廠、浙江國電北侖電廠、浙江國華寧海電廠、天津國投津能北疆電廠、安徽華電蕪湖電廠等均使用單相變壓器。隨著百萬機組的不斷增多，變壓器三相組合一體變壓器的應用也日漸成熟，如倉南電廠（保變生產(chǎn)）、海門電廠（西變生產(chǎn)）、南通電廠（沈變生產(chǎn)）、嘉興電廠（常州東芝生產(chǎn)）、漢川（常州東芝生產(chǎn)）、浙能嘉興電廠和句容電廠（常州東芝生產(chǎn)）等，變壓器容量為1140MVA或1170MVA。

常州東芝公司設計生產(chǎn)的分解運輸現(xiàn)場組裝式（Advanced Site Assembly）三相共體變壓器，簡稱ASA變壓器，更是極大的推動了三相共體變壓器在電力系統(tǒng)的廣泛應用，其最大的優(yōu)點在于解決了變壓器本體運輸難的問題?？傊斍安还苁侨嘧儔浩鬟€是單相變壓器，均已是很成熟的產(chǎn)品，工程應用不存在任何問題。

2 1000MW機組各種型式主變壓器技術指標比較

2.1 可靠性

設備的可靠性是主變壓器選型首先考慮的問題。對于1000MW等級機組，國內(nèi)幾大變壓器廠（如：保定天威保變電氣股份有限公司、西安西電變壓器有限責任公司、常州東芝變壓器有限公司和特變電工衡陽變壓器有限公司）生產(chǎn)的主變壓器，無論是單相還是三相，均有較為成熟的設計制造經(jīng)驗。表1是國家電力監(jiān)管委員會和中國電力企業(yè)聯(lián)合會2011年聯(lián)合發(fā)布的近五年火電機組運行可靠性指標。

表1 900-1000MW級火電機組近五年的主要可靠性指標

如表1所示：900-1000MW級火電機組等效可用系數(shù)為83.17-88.14%。因此，變壓器的可靠性滿足機組安全運行的要求。

另外，從變壓器本體結構來看，單相變壓器的結構較三相變壓器簡單，其故障率應低于三相變壓器，但單相變壓器組臺數(shù)是三相變壓器的三倍，因此，三臺單相變壓器的總故障率與單臺三相變壓器差別不大。

綜上所述，單相主變壓器和三相主變壓器的制造能力、運行水平和使用業(yè)績均滿足機組安全運行的要求。

2.2 運行損耗

變壓器的空載損耗和負載損耗直接反應變壓器運行的有功功率損耗。本公司主變壓器額定容量為1180MVA，可采用一臺容量為1180MVA的三相變壓器或三臺容量為390MVA的單相變壓器，以特變電工衡陽變壓器有限公司為例，對三相一體變壓器和單相變壓器運行損耗做了詳細對比。

表2 三相變壓器和單相變壓器組損耗對照表

由表2可知，三相變壓器的空載損耗和總損耗較單相變壓器組低?？蛰d損耗和負載損耗為變壓器的設計參數(shù)，生產(chǎn)廠家可以根據(jù)用戶的要求進行設計和制造。因此，單相變壓器組的總損耗在制造上完全可以做到與三相變壓器相同，但價格將有所增加。

表3 三相變壓器和單相變壓器組金屬材料消耗量對照表

2.3 金屬材料消耗

由表3可知：單相變壓器組耗用鋼材、硅鋼片和有色金屬量是三相變壓器的1.28～1.5倍，單相變壓器組耗油量是三相變壓器的約1.5倍。

2.4 布置

主變壓器型式的選擇不僅影響機組運行的可靠性和經(jīng)濟性，同時也關系到主廠房A列前的設備布置。1000MW機組每臺設置1臺高壓廠用變壓器，主變壓器、高壓廠用變壓器布置在主廠房A列前［3，4］。

與三相變壓器比較，單相變壓器存在以下問題：

（1）2臺機組共有9臺變壓器（主變不設備用相），主廠房A列前設備布置較為擁擠。

（2）由于單相主變壓器之間的距離不滿足防火要求，需設置防火墻，對變壓器通風散熱有影響。

（3）單相主變壓器低壓側采用封閉母線構成△接線，造成主變壓器附近布置擁擠，封閉母線支撐構架有所增加。

（4）單相主變壓器數(shù)量的增加，導致變壓器油池、消防設施的增加，影響循環(huán)水管等地下設施的布置。

2.5 技術比較結論

綜上所述，三相組合變壓器與單相變壓器的可靠性相當，運行損耗低，布置簡單，占地面積小，安裝工程量小，業(yè)績較單相變壓器稍微遜色，詳見表4。

3 1000MW機組各種型式主變壓器經(jīng)濟指標比較

3.1 變壓器設備投資費用

經(jīng)與廠家人員咨詢，得知2013年保變、西變、常州東芝和特變電工三相變壓器和單相變壓器報價（見表5）。

表5 三相變壓器和單相變壓器價格表

根據(jù)表5中變壓器價格，本期工程6臺單相主變壓器和2臺三相主變壓器的設備費為：

6臺單相變壓器價格：1 020×6=6 120（萬元）

2臺三相變壓器價格：2 665×2=5 330（萬元）

單相主變壓器組的設備費較三相主變壓器高6 120-5 330=790（萬元），即設備投資增加約15%。

3.2 變壓器建安費

由表6可知：三相組合一體變壓器較單相變壓器節(jié)省67萬余元。

表6 主變壓器建安費對照表

3.3 變壓器封閉母線設備費

表7 變壓器封閉母線設備費

由表7可知：三相組合一體變壓器較單相變壓器節(jié)省封閉母線設備費用69萬余元。

3.4 經(jīng)濟比較結論

綜上所述，在同等容量下，三相組合一體變壓器較單相變壓器節(jié)省投資費用1 000萬余元。

4 運行維護比較

4.1 單相變壓器

在運行維護方面，單相變壓器組存在以下問題：變壓器的數(shù)量較三相變壓器多，增加了變壓器、封閉母線和消防設施的運行維護工作量；由于變壓器的數(shù)量較多，造成布置擁擠，設備的運行維護不方便；同時一臺機組單相變壓器冷卻風機為9個，相對維護量較大。

4.2 三相變壓器

在運行維護方面，三相變壓器的優(yōu)點是變壓器數(shù)量少，運行維護簡單，工作量?。?，6］。

若采用三相組合變壓器，運輸簡單，當變壓器出現(xiàn)嚴重故障需要返廠檢修，較單相變壓器運輸費用低。一臺機組三相變壓器冷卻風機為6-7個，相對維護量較小，在同樣一臺冷卻器退出運行的情況下，三相組合一體變壓所帶的負荷較單相變壓器高出20%以上。

綜上所述，三相組合一體變壓器較單相變壓器維護簡單。

5 變壓器運輸比較

1000MW級機組主變壓器的外形和重量較大，在變壓器選型時，不僅要進行技術經(jīng)濟比較，還應考慮運輸條件和費用，運輸問題是制約大型變壓器選型的重要因素。

5.1 三相一體變壓器與單相變壓器運輸比較

根據(jù)調(diào)研，對于滿足本工程1180MVA，500kV等級的大容量三相一體式變壓器，每臺三相變壓器的運輸尺寸約為（13～14）m×（7～8.5）×7.5m（長×寬×高），運輸重量約480～550t；每臺三相變壓器的外形尺寸約為16m×10m×12m，總重量約700t。如此大的尺寸和重量，對變壓器的制造和運輸均是一個巨大的考驗，對變壓器的制造問題，或可通過制造廠商的技術改造升級來解決；而變壓器的運輸問題，由于涉及問題極廣，在目前情況下，受限較多。若采用單相變壓器組，每臺單相變壓器的容量在390MVA左右。根據(jù)對有關變壓器制造廠家的調(diào)查，每臺單相變壓器的運輸尺寸約為（7～8）m×（4～5）m×（4～5.5）m（長×寬×高），運輸重量約200～250噸；每臺單相變壓器的外形尺寸約為（8～11）m×（6～7）m，總重量約200～300t。顯而易見，三相一體變壓器運輸存在較大的困難，而單相變壓器運輸較為簡單。

5.2 三相組合變壓器（ASA）與單相變壓器運輸比較

為了解決三相共體變壓器的運輸不便和單相變壓器占地大、造價高的問題，國內(nèi)變壓器生產(chǎn)廠商研究出了組合三相變壓器（常州東芝稱ASA），此類產(chǎn)品的設計思路（以特變電工為例）是變壓器除外部組部件（如套管、冷卻器、儲油柜、控制柜外部聯(lián)管、溫度計等）以及工裝、試驗設備按正常產(chǎn)品包裝外，變壓器本體在廠內(nèi)進行分解，根據(jù)運輸重量和現(xiàn)場安裝要求，分多個專用運輸箱，主要為：

上節(jié)油箱、引線及引線支架運輸箱一個；下節(jié)油箱及上夾件運輸箱一個；線圈組運輸箱三個；鐵心框架（無上鐵軛）運輸箱四個；上鐵軛運輸箱兩個；組部件運輸箱若干個。單件部件（含包裝物）的最大運輸重不超過60t，為保證各部件的運輸和存放要求，避免受潮，在運輸箱內(nèi)充干燥空氣或氮氣，并保持正壓力。當所有部件運至施工現(xiàn)場后，由變壓器廠家在現(xiàn)場專門搭建的防塵棚（廠家負責，長×寬×高約為36m×15m×18m)內(nèi)進行組裝，現(xiàn)場性能驗收交接試驗由買方負責完成，賣方派人指導。由于現(xiàn)場組裝三相變壓器須在一定面積的空調(diào)間和凈化室內(nèi)進行，并且要求降塵量小于0.20mg/m3和室內(nèi)溫度低于20℃，因此對空調(diào)室和凈化室的要求較高。由上可知，三相組合變壓器運輸較為簡單，相比單相變壓器運輸費用低。

綜合上述比較，選用三相組合變壓器（ASA）運輸簡單、費用低。

6 關于三相組合變壓器（ASA）技術的論證

三相組合變壓器由于在現(xiàn)場組裝，變壓器的組裝質(zhì)量和工期可能受到許多不確定因素的制約。這就要求變壓器廠家人員注重細節(jié)，嚴格按照工序對變壓器進行組裝，組裝完畢后進行試驗。經(jīng)與廠家及國內(nèi)投運百萬機組技術人員調(diào)研，三相組合變壓器無論在電氣參數(shù)上還是在占地面積上均與普通三相共體變壓器等同，現(xiàn)在國內(nèi)三相組合變壓器（1000MVA以上）特變電工已生產(chǎn)投運11臺；常州東芝已投運11余臺；西變和保變各投運2臺；現(xiàn)在運行情況均穩(wěn)定良好，由此可知三相組合變壓器（ASA）技術是成熟可靠的。

7 結論

綜上所述，三相組合變壓器（ASA）與單相變壓器可靠性相當，技術成熟，運行損耗低，布置簡單，占地面積小，安裝工程量小，降低投資費用1000萬余元，且運行維護簡單，運輸簡單費用低，值得推廣。

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