水冷變壓器在大型火力發(fā)電廠的應(yīng)用

劉 洋，李國榮，歐貴臣，王忠華

(1.西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2.重慶萬州港電有限責(zé)任公司，重慶 萬州 404100)

1 概述

在大型火力發(fā)電工程設(shè)計(jì)中，主變壓器一般布置在室外，其冷卻方式通常都采用強(qiáng)迫(導(dǎo)向)油循環(huán)風(fēng)冷，而在水電站設(shè)計(jì)中，主變壓器布置在廠房內(nèi)，一般采用強(qiáng)迫油循環(huán)水冷卻方式，主要因?yàn)閷τ谒娬緛碚f取水相對容易，水冷卻器效率高、噪聲低，與風(fēng)冷方式相比，還可改善廠房通風(fēng)散熱條件，提高變壓器效率和運(yùn)行可靠性。我院設(shè)計(jì)的重慶神華萬州電廠2×1050 MW機(jī)組工程為適應(yīng)工程特殊的場地條件，達(dá)到全廠建筑美觀大方、打造“園林型”電廠的要求，采用室內(nèi)500 kV GIS與主變、高廠變、起動(dòng)/備用變等關(guān)聯(lián)設(shè)備集成布置于主廠房內(nèi)創(chuàng)新型方案。即主變采用三相一體變，生產(chǎn)廠家為西安西電變壓器有限責(zé)任公司，容量為1210 MVA，布置于主廠房內(nèi)0.0 m層專用變壓器室內(nèi)，500 kV GIS布置于變壓器上方17.0 m層，主變高壓側(cè)通過GIL母線接入GIS，主變壓器室大門面向主廠房A列外側(cè)，正面墻上裝設(shè)可拆卸防雨百葉板，其它三面均為防火防爆墻，因此其冷卻方式的合理選擇對變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

2 大容量變壓器冷卻方式

常用大容量、高電壓等級的主變壓器，一般按強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷(ODAF)、強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷(OFAF)、強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)水冷(ODWF)和強(qiáng)迫油循環(huán)水冷(OFWF)四種主要冷卻方式進(jìn)行選擇。其代碼簡稱對比如下：

第1位字母：與繞組接觸的內(nèi)部冷卻介質(zhì)，O－Oil礦物油或燃點(diǎn)大于300℃絕緣液體。

第2位字母：內(nèi)部冷卻介質(zhì)的循環(huán)方式，F(xiàn)Forced 冷卻設(shè)備中的油流是強(qiáng)迫循環(huán)，流經(jīng)繞組內(nèi)部的油流是熱對流循環(huán)，D－Directed冷卻設(shè)備中的油流是強(qiáng)迫循環(huán)，至少流經(jīng)主要繞組內(nèi)的油流是強(qiáng)迫導(dǎo)向循環(huán)。

第3位字母：外部冷卻介質(zhì)，A－Air 空氣,W－Water水。

第4位字母：外部冷卻介質(zhì)的循環(huán)方式，F(xiàn)－Forced強(qiáng)迫循環(huán)(風(fēng)扇、泵等)。

強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻方式(OF)：主要是在油路中加入了使油的流速加快的潛油泵。潛油泵安裝在冷卻器的下面，泵的吸入端直接裝在第一個(gè)油回路(冷卻器為多回路的)上，吐出端通過裝有流動(dòng)繼電器的聯(lián)管接至第二回路。流動(dòng)繼電器的作用是，當(dāng)潛油泵發(fā)生故障，油流停止時(shí)，發(fā)出信號和投入備用冷卻器。OF的油流主要在線圈外部，雜質(zhì)不易進(jìn)入線圈。

強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向冷卻方式(OD)：基本上也屬于強(qiáng)迫油循環(huán)類型，其主要區(qū)別在于變壓器器身部分的油路不同，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上采用一定的措施(如加擋油紙板、紙筒)后使油按一定的路徑流動(dòng)，泵口的冷油在一定壓力下被送入線圈間、線餅間的油道和鐵芯的油道中，能冷卻線圈的各個(gè)部分，提高冷卻效能。由于全部油均直接打入線圈，任何進(jìn)入油中的雜質(zhì)(包括運(yùn)行中因磨損等原因產(chǎn)生的粒子)都有可能進(jìn)入線圈。

因此，從原理上說，OD和OF的差別是：OD線圈中油的流動(dòng)靠油泵的壓力，與負(fù)載基本無關(guān)；而OF線圈中油的流動(dòng)是線圈本身發(fā)熱引起的，與負(fù)載直接相關(guān)。但在采用OD時(shí)，如不對流速加以限制，就有可能產(chǎn)生靜電，國家能源局在《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》(國能安全[2014]161號)中也明確規(guī)定“對強(qiáng)油導(dǎo)向的變壓器油泵應(yīng)選用轉(zhuǎn)速不大于1500 r/ min的低速油泵”。而采用OF時(shí)，油和絕緣之間的相對速度比OD小得多，不用擔(dān)心油流帶電問題。

變壓器外部冷卻介質(zhì)主要是空氣或水，經(jīng)調(diào)查了解，我國三峽水電站主變壓器布置在廠壩平臺(tái)82.0 m高程的11.6 m結(jié)構(gòu)段內(nèi)，變壓器室上方為500 kV GIS室，變壓器室大門面向上游側(cè)，其它三面均為封閉的防爆墻，其布置情況與重慶神華萬州電廠類似，采用了德國R& G雙重管密封結(jié)構(gòu)自動(dòng)排沙防堵型水冷卻器，投運(yùn)至今運(yùn)行狀況較好。同時(shí)據(jù)相關(guān)資料顯示，主變壓器布置在地下洞內(nèi)、戶內(nèi)或布置空間狹小、散熱不利時(shí)宜采用水冷卻方式，可以避免風(fēng)冷卻器對環(huán)境方面的影響(如環(huán)境溫度和噪聲的影響)，熱交換效率較高，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。主變壓器采用水冷方式在國內(nèi)大型水電站中已得到廣泛采用，且有大量的運(yùn)行業(yè)績，如三峽工程左、右岸電站全部26臺(tái)700 MW機(jī)組，溪洛渡左、右岸電站18臺(tái)770 MW機(jī)組，龍灘9臺(tái)700 MW機(jī)組，青海拉西瓦6臺(tái)700 MW機(jī)組配套的主變壓器均采用水冷卻方式等。

而在大型火力發(fā)電廠中采用水冷變壓器，主要還需解決水源問題，根據(jù)大型火力發(fā)電廠區(qū)綜合布置，循環(huán)水冷卻水管一般都需經(jīng)過變壓器區(qū)域進(jìn)入主廠房，而循環(huán)水是經(jīng)過過濾、澄清后的原水，基本上無泥沙含量，其水質(zhì)比水電站主變壓器冷卻用水好很多，因此，大型火力發(fā)電廠主變壓器冷卻水在循環(huán)水進(jìn)水管引接(與主廠房熱機(jī)輔助設(shè)備開式循環(huán)冷卻水合用一根支管)，為保證冷卻水壓力，該水經(jīng)升壓泵升壓后分一路提供給主變壓器冷卻用水進(jìn)水管法蘭處，經(jīng)冷卻后排至循環(huán)水回水管。

為便于冷卻器檢修，在進(jìn)、出水總管均應(yīng)裝設(shè)有手動(dòng)蝶閥。

主變壓器循環(huán)冷卻水系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 主變壓器循環(huán)冷卻水系統(tǒng)圖

綜合上述分析，重慶神華萬州電廠主變壓器選用強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)水冷(ODWF)方式是合理的，且可以實(shí)施?？紤]到萬州電廠主變壓器冷卻器的重要性，冷卻器采用國外進(jìn)口產(chǎn)品，經(jīng)了解，國外生產(chǎn)水冷卻器的主要有德國GEA(現(xiàn)已收購德國R&G)和日本多田，重慶神華萬州電廠主變冷卻器最終采用德國GEA原裝進(jìn)口產(chǎn)品，冷卻器型號：WKDS 630 EXZ；額定壓力：0.3 MPa；單臺(tái)冷卻器功率：800 kW；每組冷卻器水流量：71 m3/h，共5組；油流量：214 m3/h；進(jìn)出口水溫：33℃/43℃，進(jìn)出口油溫：70℃/62℃；潛油泵型號：2AR4－186/226。

3 水冷卻系統(tǒng)的特殊技術(shù)要求

3.1 水冷卻器本體

水冷卻系統(tǒng)由帶油循環(huán)泵的水冷卻器(油－水熱交換器)、油泵、流量信號器、電動(dòng)閥門、電氣控制所需的測量元件等部分組成，強(qiáng)油水冷卻器應(yīng)最大能承受1 MPa水壓。冷卻器應(yīng)為雙重管型，其清洗周期應(yīng)在3年以上。

冷卻器集中布置在變壓器器身側(cè)面，并通過進(jìn)、出油管與變壓器油箱相連。冷卻器應(yīng)牢固固定，下部可安裝運(yùn)輸滾動(dòng)小車，應(yīng)能保證其能方便地拆卸。

冷卻器應(yīng)采用耐腐蝕和耐磨蝕材料，冷卻器的油側(cè)應(yīng)清潔、干燥，不得有銹跡、鐵屑、焊渣等，并應(yīng)做防銹處理；水側(cè)也應(yīng)做防銹處理。

每個(gè)冷卻器底部應(yīng)設(shè)有檢修放水閥，頂部應(yīng)設(shè)有自動(dòng)排氣閥，每個(gè)冷卻器均可通過進(jìn)水口的電動(dòng)閥自動(dòng)切換工作狀態(tài)；出水口通過手動(dòng)閥與主排水管相連。

3.2 油泵

潛油泵采用進(jìn)口產(chǎn)品，油泵應(yīng)能承受油溫85℃、0.5 MPa壓力、歷時(shí)6 h的滲漏試驗(yàn)而無滲漏。油泵電動(dòng)機(jī)應(yīng)配置過負(fù)荷、短路和斷相保護(hù)設(shè)備。

潛油泵的軸承應(yīng)采取E級或D級，潛油泵轉(zhuǎn)速不大于1500 r/ min。變壓器內(nèi)部的最大油流速度應(yīng)控制在0.5 m/s以下，以避免油流帶電。潛油泵兩側(cè)閥門應(yīng)保證關(guān)閉嚴(yán)密，滿足變壓器抽全真空的要求，運(yùn)行中油泵發(fā)生故障時(shí)應(yīng)接通報(bào)警接點(diǎn)報(bào)警。

3.3 儀器儀表

與每臺(tái)油泵連接的冷卻器油路中均應(yīng)裝設(shè)油流信號器、耐震壓力表、壓力信號器、測溫電阻等并帶有電氣觸點(diǎn)。

每臺(tái)冷卻器的出水口應(yīng)裝水流信號器，水流信號器為熱擴(kuò)散式，電壓：AC 220 V，繼電器輸出。每臺(tái)冷卻器的進(jìn)出水口均應(yīng)裝設(shè)耐震壓力表、測溫電阻，壓力表為Y－100型、精度為1級，測溫電阻為鉑金屬型。

3.4 水冷卻系統(tǒng)的性能要求

冷卻器的工作水壓力為0.2～0.4 MPa，冷卻器應(yīng)進(jìn)行水壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力應(yīng)不小于1.2 MPa，持續(xù)時(shí)間30 min，應(yīng)無任何變形及滲漏；

水冷卻器應(yīng)與變壓器整體進(jìn)行抽真空和承壓試驗(yàn)，應(yīng)無任何變形及泄漏。

變壓器油管路用的閥門應(yīng)能承受不小于1.2 MPa的油壓試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為30 min，兩側(cè)分別加壓均無滲漏；并能承受120℃變壓器油溫、168h的高溫老化試驗(yàn)，在該試驗(yàn)后及1000次的開啟、關(guān)閉試驗(yàn)后仍滿足密封性能的要求。

4 變壓器冷卻方式經(jīng)濟(jì)比較

以重慶神華萬州電廠為例，經(jīng)濟(jì)比較見表1。

表1 主變壓器兩種冷卻方式的年運(yùn)行費(fèi)用比較

表2 主變壓器兩種冷卻方式的投資現(xiàn)值比較

從上述經(jīng)濟(jì)比較中可以看出，雖然主變壓器采用風(fēng)冷方式較水冷方式設(shè)備投資少約200萬元，但年運(yùn)行費(fèi)要高18.2萬元，投資現(xiàn)值也高28.5萬元，且在夏季時(shí)，隨著環(huán)境溫度的升高，不僅對主變壓器運(yùn)行的環(huán)境不利，而且對布置在變壓器附近的其它電氣設(shè)備的運(yùn)行也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，如在主變壓器布置場地設(shè)置一套通風(fēng)系統(tǒng)，其年運(yùn)行費(fèi)用也比較高。而采用水冷卻器，則上述不利因素均不復(fù)存在，整個(gè)布置在主變壓器周圍電氣設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境也會(huì)得到極大的改善，這樣可以提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性。

5 結(jié)論

綜上所述，鑒于布置于室內(nèi)的大型主變壓器，由于散熱條件較為不利，為了提高主變壓器及其布置區(qū)域電氣設(shè)備的運(yùn)行安全可靠性，為運(yùn)行維護(hù)人員創(chuàng)造一個(gè)良好的運(yùn)行環(huán)境，有效克服由于熱量排出困難而導(dǎo)致的環(huán)境溫度升高以及風(fēng)扇使環(huán)境噪聲增大的缺陷，建議布置于室內(nèi)的大型主變壓器冷卻方式按強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)水冷卻(ODWF)或強(qiáng)迫油循環(huán)水冷卻(OFWF)考慮。

同時(shí)通過對國內(nèi)大型水電站水冷型主變和大型變壓器廠的調(diào)研，在大型火力發(fā)電廠中采用水冷型變壓器是可以實(shí)施的，其冷卻水取至循環(huán)水進(jìn)水管，經(jīng)冷卻后排至循環(huán)水回水管，但在進(jìn)水側(cè)應(yīng)保證其水壓能適應(yīng)水冷卻器的工作壓力，以保證變壓器安全運(yùn)行。重慶神華萬州電廠1號機(jī)組自2015年2月9日完成168小時(shí)運(yùn)行以來，主變壓器(ODWF)運(yùn)行良好。

[1]GB 50660－2011，大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范 [S]．

[2]GB 17468－2008，電力變壓器選用導(dǎo)則[S]．

[3]JB/T 8316－2007，變壓器用強(qiáng)迫油循環(huán)水冷卻器 [S]．

[4]DL/T 5222－2005，導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]．

[5]劉洋．重慶神華萬州工程主變壓器選型及布置優(yōu)化專題報(bào)告[R]．成都：西南電力設(shè)計(jì)院，2012．

[6]王華軍，邵國華．三峽水電站主變壓器冷卻方式選擇 [J]．人民長江，2009，(40)．