全戶內(nèi)變電站主變損耗廢熱的資源化利用

陳 偉

（湖南經(jīng)研電力設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

0 引 言

2020年，我國(guó)電力工業(yè)總裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了2.2×109kW，其中有5‰的能量在電力變壓器中以熱的形式散失，浪費(fèi)達(dá)到1×107kW。當(dāng)前我國(guó)能源和電力供應(yīng)都很緊張，如果能夠?qū)⑦@部分散失的能量利用起來(lái)，用以解決變電站本身的制冷與供熱，不僅能改善變電站本身的工作環(huán)境，而且能夠達(dá)到節(jié)能的目的。

1 概 述

變電站采用全戶內(nèi)布置，其中配電裝置室要求室內(nèi)溫度低于35 ℃，二次設(shè)備室要求室內(nèi)溫度在20～26 ℃，故配電裝置室需夏季制冷，二次設(shè)備室需夏季制冷冬季制熱以保證運(yùn)行環(huán)境要求。因此，考慮將主變散熱量回收利用，用來(lái)制冷制熱[1]。

2 散熱形式的方案比較

油浸式變壓器在運(yùn)行時(shí)，因?qū)Ь€損耗、鐵芯損耗以及附加損耗等原因產(chǎn)生熱量，這些熱量需通過(guò)油以輻射和對(duì)流等方式散掉，保證變壓器的正常運(yùn)行。

2.1 傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)

傳統(tǒng)變壓器散熱方式主要包括自然油循環(huán)自然冷卻（油浸自冷式）、自然油循環(huán)風(fēng)冷（油浸風(fēng)冷式）以及強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷散熱3種。這3種散熱方式都是變壓器箱體通過(guò)油將熱量傳遞給翅片式換熱器后，由翅片表面的空氣流將熱量帶走，以降低油溫，最終熱量散發(fā)到空氣中[2]。傳統(tǒng)主變散熱形式如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)主變散熱形式

2.2 熱回收系統(tǒng)

熱回收方法可以分為直接利用和間接利用。

2.2.1 直接利用

變壓器余熱的直接利用是將散熱器室內(nèi)溫度較高的熱空氣經(jīng)過(guò)凈化和過(guò)濾等處理之后輸送至采暖的房間，直接利用變壓器余熱來(lái)加熱房間。但是由于空氣品質(zhì)較差，凈化處理復(fù)雜，余熱量隨變壓器負(fù)載變化波動(dòng)，采暖房間的供熱質(zhì)量無(wú)法保證，因此只能用于采暖，使用受限[3]。

2.2.2 間接利用

變壓器油與外部的水通過(guò)油-水換熱器對(duì)水加熱，再利用熱水進(jìn)行制冷或制熱。主要應(yīng)用于夏季空調(diào)、冬季采暖以及供應(yīng)生活熱水。

3 熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

制冷系統(tǒng)由油-水換熱器、吸收式制冷機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤(pán)管、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、供水箱以及換向閥門(mén)等組成。制熱系統(tǒng)由油-水換熱器、熱水輻射采暖器、供水箱以及循環(huán)泵等組成[4]。其中，油-水換熱器、供水箱以及水泵等可共用，詳見(jiàn)圖2。

圖2 熱回收系統(tǒng)示意圖

3.2 工作原理

油-水換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過(guò)板片進(jìn)行熱量交換，是一種新型高效換熱器。結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖3。

圖3 油-水換熱器示意圖

熱水型溴化鋰制冷機(jī)組用溴化鋰水溶液做為工質(zhì)，其中溴化鋰為吸收劑，水為制冷劑，由發(fā)生器、換熱器、吸收器、蒸發(fā)器、冷凝器以及循環(huán)泵等組成。運(yùn)行時(shí)，溴化鋰水溶液在發(fā)生器內(nèi)經(jīng)熱水加熱，不斷汽化，溴化鋰水溶液濃度升高后進(jìn)入吸收器，水蒸氣則進(jìn)入冷凝器。在冷凝器內(nèi)，水蒸氣被冷卻水降溫后，凝結(jié)成高壓低溫的液態(tài)水并進(jìn)入蒸發(fā)器。進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)，高壓低溫水急速膨脹汽化，吸收蒸發(fā)器內(nèi)冷媒水的熱量，從而制冷。同時(shí)，低溫水蒸氣進(jìn)入吸收器，被溴化鋰水溶液吸收后使之濃度降低。最后由循環(huán)泵將稀釋后的溶液送回發(fā)生器，形成循環(huán)來(lái)連續(xù)制冷[5]。工作原理如圖4所示。

圖4 溴化鋰吸收式制冷機(jī)組工作原理示意圖

3.3 運(yùn)行模式

3.3.1 制冷模式

夏季時(shí)，當(dāng)房間溫度通過(guò)通風(fēng)無(wú)法滿足要求時(shí)，啟動(dòng)吸收式制冷機(jī)組，通過(guò)換向閥門(mén)控制使熱水進(jìn)入吸收式制冷機(jī)組進(jìn)行制冷，保證室內(nèi)溫度。

3.3.2 制熱模式

冬季時(shí)，從油-水換熱器出來(lái)的熱水通過(guò)換向閥門(mén)，一部分流經(jīng)二次設(shè)備室內(nèi)的采暖器對(duì)房間進(jìn)行加熱，一部分直接供用戶端使用。

3.3.3 散熱模式

過(guò)渡季節(jié)，房間既不需要制冷，又不需要制熱時(shí)。通過(guò)閥門(mén)的控制使換熱器出來(lái)的熱水全部流入冷卻塔散熱，以保證主變壓器正常運(yùn)行。

4 熱回收系統(tǒng)的制冷制熱能力

4.1 主變散熱量

某220 kV變電站主變規(guī)模本期1×240 MVA，遠(yuǎn)期3×240 MVA，根據(jù)《油浸式電力變壓器技術(shù)要求和參數(shù)》（GBT6451—2008）可知，變壓器空載損耗為193 kW，負(fù)載損耗為780 kW。根據(jù)《火力發(fā)電廠及變電所供暖通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，變壓器的余熱量計(jì)算為：

式中：Q為變壓器的余熱量，單位W；Pbk為變壓器的空載功率損耗，單位W；Pbd為變壓器的負(fù)載功率損耗（也稱短路損耗），單位W。

4.2 變電站內(nèi)冷熱量需求

變電站內(nèi)夏季需制冷的房間為配電裝置室和二次設(shè)備室，室內(nèi)面積共425 m2，需冷量約85 kW；冬季需制熱的房間為二次設(shè)備室，室內(nèi)面積為75 m2，需制熱量約15 kW。

4.3 有效冷熱量

4.3.1 油-水換熱器加熱水量

油-水換熱器加熱水量的計(jì)算為：

式中：Q為冷流體吸收或熱流體放出的熱流量，單位W；Mh、Mc為熱、冷流體的質(zhì)量流量，單位kg/s；Cph、Cpc為熱、冷流體的定壓比熱容，單位kJ/(kg.K)；T1、t1為熱、冷流體的進(jìn)口溫度，單位K；T2、t2為熱、冷流體的出口溫度，單位K。

根據(jù)廠家資料，變壓器導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度T1為95 ℃，出口溫度為T(mén)2為40 ℃；常溫冷水的進(jìn)口溫度t1取20 ℃，出口溫度t2取70 ℃，熱水管徑取DN50，則單臺(tái)主變散熱器熱量可產(chǎn)15 t/h的熱水。

4.3.2 制熱量

二次設(shè)備室室內(nèi)散熱器熱水進(jìn)水溫度取70 ℃，出水溫度取50 ℃，冬季室內(nèi)溫度設(shè)為20 ℃，則：

式中：ΔT為進(jìn)出水溫差，單位為℃；C為水的定壓比熱容，取4.2 kJ/(kg.K)；M為水的質(zhì)量流量，單位為kg/s。

經(jīng)計(jì)算，要保證二次設(shè)備室供熱，需熱水量M=0.18 kg/s=0.65 t/h，滿足要求。

4.3.3 制冷量

根據(jù)房間所需制冷量，計(jì)算溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的大小。已知熱水進(jìn)口溫度為70 ℃，流量為15 t/h，冷卻水進(jìn)口水溫為20 ℃，房間所需制冷量為85 kW,根據(jù)沙柯夫簡(jiǎn)化公式計(jì)算各熱交換設(shè)備的傳熱面積F為：

式中：Q為傳熱量，單位為W；K為傳熱系數(shù),單位W/（m2.K）；Δ為冷、熱流體進(jìn)換熱設(shè)備的溫差，單位為℃；a、b為常數(shù)；Δta為變化較小的流體溫差，單位為℃；Δtb為變化較大的流體溫差，單位為℃。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇合適的機(jī)組大小。參考廠家設(shè)備型號(hào)，可選用1臺(tái)制冷量為115 kW的機(jī)組。

綜上所述，從主變壓器回收的熱量經(jīng)回收利用完全滿足站內(nèi)制冷制熱需求，且有較大富裕。

5 效益分析

5.1 技術(shù)性分析

主變散熱器布置在屋面時(shí)，提高散熱器的高度，可增加油循環(huán)回路的浮力，提高油在繞組和散熱器中的流率，增強(qiáng)繞組的冷卻效果。采用水冷換熱器代替風(fēng)冷換熱器，由于水的比熱僅為空氣的1/4，換熱效果更好，因此可以大幅度提升冷卻效率。

5.2 經(jīng)濟(jì)性分析

熱回收系統(tǒng)包括1臺(tái)吸收式制冷機(jī)組，1臺(tái)冷卻塔，1個(gè)水箱，6臺(tái)循環(huán)水泵，1臺(tái)油水換熱器，3臺(tái)風(fēng)機(jī)盤(pán)管。所有系統(tǒng)考慮夏季運(yùn)行120天，冬季運(yùn)行60天，每天按24 h計(jì)，電費(fèi)按0.8元/（kW·h）計(jì)。

計(jì)算傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用。分體機(jī)總制冷功率為30.8 kW，總制熱功率為58.4 kW，則年運(yùn)行費(fèi)用約為為0.8×（31×24×120+59×24×60）=139 392元。

計(jì)算熱回收系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用。吸收式制冷機(jī)組制冷功率為5 kW，冷卻塔功率為2 kW，水泵功率共12 kW，風(fēng)機(jī)盤(pán)管功率為1 kW，則年運(yùn)行費(fèi)用為0.8×（20×24×120+6×24×60+4×24×365）=81 024元。每年節(jié)約電能72 960 kW·h，全壽命周期造價(jià)如表1所示。

表1 全壽命造價(jià)比較

通過(guò)以上數(shù)據(jù)對(duì)比，熱回收系統(tǒng)具有以下經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。一是初始投資雖然比傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)多，但是其全壽命周期造價(jià)相對(duì)較低。二是散熱器屋頂布置，減少建筑面積。三是過(guò)剩熱量遠(yuǎn)期回收利用方便。對(duì)于過(guò)渡季節(jié)或過(guò)剩熱量較大的工程，在條件允許時(shí)可考慮余熱發(fā)電，將熱能轉(zhuǎn)換為電能，進(jìn)一步提高廢熱利用率。

5.3 社會(huì)效益分析

熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫?zé)崴捎糜谏钣盟?，替代原有燃?xì)饣螂娂訜嵩O(shè)備，節(jié)約能源消耗。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)家工業(yè)領(lǐng)域能耗占總能耗的70%，余熱資源占其燃料消耗量的17%～67%，可回收利用余熱量大。變電站主變壓器廢熱回收產(chǎn)品的投入使用可以大大減少能源消耗和廢熱排放，為節(jié)能減排做出積極貢獻(xiàn)。

6 結(jié) 論

綜上，變電站主變壓器的廢熱回收從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)角度上都具備可行性，節(jié)能效果顯著，可逐步推廣。