全戶內變電站主變損耗廢熱的資源化利用

陳 偉

（湖南經研電力設計有限公司，湖南 長沙 410114）

0 引 言

2020年，我國電力工業總裝機容量已經達到了2.2×109kW，其中有5‰的能量在電力變壓器中以熱的形式散失，浪費達到1×107kW。當前我國能源和電力供應都很緊張，如果能夠將這部分散失的能量利用起來，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境，而且能夠達到節能的目的。

1 概 述

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

2 散熱形式的方案比較

油浸式變壓器在運行時，因導線損耗、鐵芯損耗以及附加損耗等原因產生熱量，這些熱量需通過油以輻射和對流等方式散掉，保證變壓器的正常運行。

2.1 傳統散熱系統

傳統變壓器散熱方式主要包括自然油循環自然冷卻（油浸自冷式）、自然油循環風冷（油浸風冷式）以及強迫油循環風冷散熱3種。這3種散熱方式都是變壓器箱體通過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，最終熱量散發到空氣中[2]。傳統主變散熱形式如圖1所示。

圖1 傳統主變散熱形式

2.2 熱回收系統

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溫度較高的熱空氣經過凈化和過濾等處理之后輸送至采暖的房間，直接利用變壓器余熱來加熱房間。但是由于空氣品質較差，凈化處理復雜，余熱量隨變壓器負載變化波動，采暖房間的供熱質量無法保證，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油-水換熱器對水加熱，再利用熱水進行制冷或制熱。主要應用于夏季空調、冬季采暖以及供應生活熱水。

3 熱回收系統的設計

3.1 系統組成

制冷系統由油-水換熱器、吸收式制冷機組、風機盤管、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、供水箱以及換向閥門等組成。制熱系統由油-水換熱器、熱水輻射采暖器、供水箱以及循環泵等組成[4]。其中，油-水換熱器、供水箱以及水泵等可共用，詳見圖2。

圖2 熱回收系統示意圖

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，通過板片進行熱量交換，是一種新型高效換熱器。結構型式見圖3。

圖3 油-水換熱器示意圖

熱水型溴化鋰制冷機組用溴化鋰水溶液做為工質，其中溴化鋰為吸收劑，水為制冷劑，由發生器、換熱器、吸收器、蒸發器、冷凝器以及循環泵等組成。運行時，溴化鋰水溶液在發生器內經熱水加熱，不斷汽化，溴化鋰水溶液濃度升高后進入吸收器，水蒸氣則進入冷凝器。在冷凝器內，水蒸氣被冷卻水降溫后，凝結成高壓低溫的液態水并進入蒸發器。進入蒸發器時，高壓低溫水急速膨脹汽化，吸收蒸發器內冷媒水的熱量，從而制冷。同時，低溫水蒸氣進入吸收器，被溴化鋰水溶液吸收后使之濃度降低。最后由循環泵將稀釋后的溶液送回發生器，形成循環來連續制冷[5]。工作原理如圖4所示。

圖4 溴化鋰吸收式制冷機組工作原理示意圖

3.3 運行模式

3.3.1 制冷模式

夏季時，當房間溫度通過通風無法滿足要求時，啟動吸收式制冷機組，通過換向閥門控制使熱水進入吸收式制冷機組進行制冷，保證室內溫度。

3.3.2 制熱模式

冬季時，從油-水換熱器出來的熱水通過換向閥門，一部分流經二次設備室內的采暖器對房間進行加熱，一部分直接供用戶端使用。

3.3.3 散熱模式

過渡季節，房間既不需要制冷，又不需要制熱時。通過閥門的控制使換熱器出來的熱水全部流入冷卻塔散熱，以保證主變壓器正常運行。

4 熱回收系統的制冷制熱能力

4.1 主變散熱量

某220 kV變電站主變規模本期1×240 MVA，遠期3×240 MVA，根據《油浸式電力變壓器技術要求和參數》（GBT6451—2008）可知，變壓器空載損耗為193 kW，負載損耗為780 kW。根據《火力發電廠及變電所供暖通風空調設計手冊》，變壓器的余熱量計算為：

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為變壓器的負載功率損耗（也稱短路損耗），單位W。

4.2 變電站內冷熱量需求

變電站內夏季需制冷的房間為配電裝置室和二次設備室，室內面積共425 m2，需冷量約85 kW；冬季需制熱的房間為二次設備室，室內面積為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、冷流體的進口溫度，單位K；T2、t2為熱、冷流體的出口溫度，單位K。

根據廠家資料，變壓器導熱油進口溫度T1為95 ℃，出口溫度為T2為40 ℃；常溫冷水的進口溫度t1取20 ℃，出口溫度t2取70 ℃，熱水管徑取DN50，則單臺主變散熱器熱量可產15 t/h的熱水。

4.3.2 制熱量

二次設備室室內散熱器熱水進水溫度取70 ℃，出水溫度取50 ℃，冬季室內溫度設為20 ℃，則：

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

經計算，要保證二次設備室供熱，需熱水量M=0.18 kg/s=0.65 t/h，滿足要求。

4.3.3 制冷量

根據房間所需制冷量，計算溴化鋰吸收式制冷機組的大小。已知熱水進口溫度為70 ℃，流量為15 t/h，冷卻水進口水溫為20 ℃，房間所需制冷量為85 kW,根據沙柯夫簡化公式計算各熱交換設備的傳熱面積F為：

式中：Q為傳熱量，單位為W；K為傳熱系數,單位W/（m2.K）；Δ為冷、熱流體進換熱設備的溫差，單位為℃；a、b為常數；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℃。

根據計算結果，選擇合適的機組大小。參考廠家設備型號，可選用1臺制冷量為115 kW的機組。

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

5 效益分析

5.1 技術性分析

主變散熱器布置在屋面時，提高散熱器的高度，可增加油循環回路的浮力，提高油在繞組和散熱器中的流率，增強繞組的冷卻效果。采用水冷換熱器代替風冷換熱器，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 經濟性分析

熱回收系統包括1臺吸收式制冷機組，1臺冷卻塔，1個水箱，6臺循環水泵，1臺油水換熱器，3臺風機盤管。所有系統考慮夏季運行120天，冬季運行60天，每天按24 h計，電費按0.8元/（kW·h）計。

計算傳統散熱系統年運行費用。分體機總制冷功率為30.8 kW，總制熱功率為58.4 kW，則年運行費用約為為0.8×（31×24×120+59×24×60）=139 392元。

計算熱回收系統年運行費用。吸收式制冷機組制冷功率為5 kW，冷卻塔功率為2 kW，水泵功率共12 kW，風機盤管功率為1 kW，則年運行費用為0.8×（20×24×120+6×24×60+4×24×365）=81 024元。每年節約電能72 960 kW·h，全壽命周期造價如表1所示。

表1 全壽命造價比較

通過以上數據對比，熱回收系統具有以下經濟優勢。一是初始投資雖然比傳統散熱系統多，但是其全壽命周期造價相對較低。二是散熱器屋頂布置，減少建筑面積。三是過剩熱量遠期回收利用方便。對于過渡季節或過剩熱量較大的工程，在條件允許時可考慮余熱發電，將熱能轉換為電能，進一步提高廢熱利用率。

5.3 社會效益分析

熱回收系統產生的高溫熱水可用于生活用水，替代原有燃氣或電加熱設備，節約能源消耗。據不完全統計，國家工業領域能耗占總能耗的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品的投入使用可以大大減少能源消耗和廢熱排放，為節能減排做出積極貢獻。

6 結 論

綜上，變電站主變壓器的廢熱回收從經濟和技術角度上都具備可行性，節能效果顯著，可逐步推廣。