水冷變壓器的余熱再利用

汪 箏，黃 磊，王 斌，李賓皚

（1.上海電力設計院有限公司，上海 200025；2.國網上海市電力公司，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，自身將會產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，并隨著負載的變化而產生非線性的變化，其功率損耗產生的熱量通過絕緣油循環冷卻，最終散發到空氣中，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。就目前變電站的運行狀況而言，直接利用變壓器油進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

水冷變壓器的冷卻原理是變壓器通過油循環冷卻熱損耗，而油循環通過“油－水熱交換器”將熱量傳遞給水，水通過封閉式冷卻塔系統，將熱量散發于大氣。在變壓器滿負荷狀況下，該水冷系統進入“油－水交換器”的水溫為50℃，出水水溫為60℃，即進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，供變電站內部的監控室、繼保室、休息室、辦公室等空凋制冷或者采暖，倘若結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為閉式系統。該冷卻水系統包括變壓器的油－水交換器、封閉式冷卻塔、循環水泵、膨脹水箱等。

2 利用冷卻水余熱的研究

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

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。這是因為：一是為了城市景觀，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，夏季空調冷負荷約為1 200 k W；冬季空調熱負荷約為700 k W。如果設計采用中央空調系統，夏季系統冷凍水供水溫度為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，變電站運行變壓器一般超過3臺，以每臺變壓器功率損耗為730 k W計，3臺為2 190 k W。扣除變壓器負載等因素，可以滿足該辦公建筑的冬季空調熱源問題。

2.2 余熱可用于冬季空調采暖

以上海市氣候估算，如設計采用中央空調系統，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中，再另外配置1套“水－水板式換熱器”換熱，作為空調熱源。變壓器采用“油－水交換器”冷卻，進入“油－水交換器”的水溫為50℃，出水水溫為60℃。而進入“水－水交換器”的水溫為40℃，出水水溫為45℃。水冷卻系統可以直接向空調末端提供出水水溫為45℃、進水水溫為40℃的空調水。此種余熱利用方式，完全不影響水冷變壓器的正常運行，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

2.3 余熱可用于夏季空調制冷

水冷變壓器的余熱可以用來制冷。上海世博會期間投運的110 k V蒙自地下變電站，站內變壓器為SF6變壓器，冷卻方式為水冷，排放的熱量品位較低。變壓器運行負載低于50%時，冷卻水溫度低于60℃；變壓器運行負載大于50%時，冷卻水溫度才超過60℃。為此，采用上海交通大學研發的吸附式制冷機組，作為站內空調冷源。

上海交通大學自主研發的吸附式制冷機的主要性能指標：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；冷卻水進口溫度為32℃，冷卻水流量為5 t／h；熱水進口溫度大于60℃，熱水流量為3.6 t／h。吸附式制冷機外型如圖2所示。

圖2 吸附式制冷機外型

吸附式制冷系統是一種以熱源為直接驅動力的制冷機械，與傳統空調制冷原理不一樣，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，對臭氧層無破壞。此外，吸附式制冷內部吸附、解吸過程，均為物理或化學過程，運行平穩而且無噪聲。

吸附式制冷機組的優勢，在于對廢熱以及低品位熱源的再利用，對臭氧層無危害的環保制冷劑，但制冷效率和傳統蒸汽壓縮式制冷，包括吸收式制冷都有很大的差距。由于該產品尚未量產，所以應用范圍受到很大限制。

3 平均負載率與出水水溫

變壓器運行時，按電網運行模式，負荷通常在50%左右，此時的出水水溫低于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。通過收集上海地區具有代表性的220 k V古北變電站2010年變壓器全年運行數據，按負載率劃分得出：①夏季日平均負荷率，最高是6月17日至9月21日，總計97天，平均負載率為51.6%；②冬季日平均負載率，最高是1月1日至3月12日，12月6日至31日，總計96天，最低負載率為28.28%，最高負載率為52.09%，平均負載率為34.47%；③春秋季總計172天，平均負載率為30.61%。

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

220 k V古北變電站2010年負荷曲線見如圖3。

圖3 220 k V古北變電站2010年負荷曲線

變壓器負荷率與水溫的數據沒能收集到，由變壓器制造廠提供的變壓器負荷與油溫升曲線，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 運行負荷與油頂層溫升曲線

由圖4可以看出，變壓器滿載240 MVA運行時，頂層油溫約為45 K；運行負載為160 MVA時，頂層油溫約為29 K；運行負載為150 MVA時，頂層油溫約為25 K。按上述推算，夏季平均負載率為51.6%時，頂層油溫約為25K；平均負載率為33.3%時，頂層油溫約為19 K；冬季平均負載為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＋室內環境溫度計算，估算冬季平均油溫在39℃左右，冷卻水的出水水溫約為37℃；夏季平均油溫預估在59℃，冷卻水的出水水溫約為57℃。

4 變壓器余熱采暖應用實例

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，主變為275 k V／66 k V，300 MVA，SF6氣體絕緣。主變冷卻塔位于整個建筑物的屋面。

東新宿地下變電站的特點之一，是利用變電站產生的熱量，供該建筑室內取暖，以節約能源。1997年投運的東內幸町變電站，也采用了同樣技術的節能方式。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備方面，由于效果不太理想，現已放棄了這一方案。

4.2 天津電力公司

國內對變壓器余熱的利用，雖沒有投運實例，但也有論文涉及。例如：1993年沈陽建筑工程學報《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50 MVA變壓器，每臺空載損耗為63.9 k W，變電所內值班室及輔助房間所需采暖負荷為31.6 k W。用變壓器循環油加熱空氣，對所需采暖的房間進行熱風采暖。按進入熱交換器的油溫為50℃計算，需要散熱面積為78 m2強油循環風冷卻器1臺，可將回風（混合10%的新風）加熱到35℃，完全滿足采暖需求。

5 挖潛增效的節能分析

按上海地區有代表性的變壓器運行負荷及變壓器油溫曲線推算，夏季變壓器的運行負載約50%，冷卻水的出水水溫約57℃；冬季平均運行負載為34%，冷卻水的出水水溫約為37℃，由于變壓器的余熱品質不高，如果直接應用，需要加裝輔助電加熱設備。例如：用于夏季空調，此時變壓器冷卻水的出口水溫為57℃，經過水－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組的熱源。

冬季采暖，此時變壓器冷卻水的出口水溫為37℃，經過水－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。如此直接應用，無疑增加以后的運行費用，但對變壓器本身不需要做任何改動。

還有一個方法，需在訂貨時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置溫度控制閥，當水溫小于60℃時，返回變壓器的油－水換熱器繼續加溫，當水溫大于等于60℃時，送至冷卻水系統，提高變壓器余熱的品質，用于采暖和空調制冷，同時也省去了今后的運行費用，只是對變壓器水冷卻系統增加了水溫控制裝置。

6 結論

1）變壓器損耗是一種潛力很大的余熱。應該充分利用，推進節能減排工作。

2）無論變壓器余熱是直接利用，還是變壓器冷卻系統稍加改造，用于民用建筑采暖空調，既節約了一次投資費用，也節約了運行費用。

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

［1］ 劉亞芳.集各種先進技術于一身的275 k W東京宿地下變電所［J］.華北電力技術，1998（12）：20-21.

［2］ 瑞木琳.變壓器余熱利用的分析與探討［J］.沈陽建筑工程學院學報，1993（1）：62-64＋88.

［3］ 徐光啟.內燃機余熱利用及其熱交換系統［J］.農業機械學報，1985（1）：58-68.

［4］ 鄭曉娟.螺桿式冷水（熱泵）機組廢熱回收開發應用［J］.制冷，2005，24，（1）：81-83.

［5］ 楊琦.循環冷卻水系統中的余熱利用探討［J］.給水排水，2009，35（2）：80-82.