水冷变压器的余热再利用

汪 筝，黄 磊，王 斌，李宾皑

（1.上海电力设计院有限公司，上海 200025；2.国网上海市电力公司，上海 200122）

变压器是变换电压和传递功率的器件，在变换电压和传递功率的过程中，自身将会产生有功功率损耗和无功功率损耗，这些损耗与变压器本身的特性有关，并随着负载的变化而产生非线性的变化，其功率损耗产生的热量通过绝缘油循环冷却，最终散发到空气中，不仅消耗了大量的能量，也造成了空气热污染。余热回收一般采用直接利用及间接利用的方法。就目前变电站的运行状况而言，直接利用变压器油进行余热利用比较困难，但间接利用还是可行的。

1 水冷变压器的冷却水系统

水冷变压器的冷却原理是变压器通过油循环冷却热损耗，而油循环通过“油－水热交换器”将热量传递给水，水通过封闭式冷却塔系统，将热量散发于大气。在变压器满负荷状况下，该水冷系统进入“油－水交换器”的水温为50℃，出水水温为60℃，即进入封闭式冷却塔的水温为60℃，出封闭式冷却塔的水温为50℃。所以，可以充分利用60℃的水温余热，作为热源或冷源，供变电站内部的监控室、继保室、休息室、办公室等空凋制冷或者采暖，倘若结合变电站的上部建筑，也可提供空凋的冷源或者采暖的热源。

水冷变压器的冷却水系统为闭式系统。该冷却水系统包括变压器的油－水交换器、封闭式冷却塔、循环水泵、膨胀水箱等。

2 利用冷却水余热的研究

据文献［1］介绍，建筑最大的耗能是空调和采暖，约占建筑总能耗的55%。例如：利用水冷变压器的余热，可供变电站内部的监控室、继保室、休息室、办公室等冬季采暖，夏季空调及日常热水供应，还可结合建造的上部建筑（办公楼或宿舍楼等），提供空调冷源及采暖热源。

2.1 水冷变压器的功率损耗

城市变电站中采用水冷变压器的一般都为地下变电站。这是因为：一是为了城市景观，地下变电站的地面部分可以是绿地，也可以是办公楼等；二是为了满足环保要求，地下变电站可以很好地解决变电站的电磁场和低频噪声污染问题。

240 MVA变压器的功率损耗约为730 k W，假如地面办公建筑总建筑面积为1万m2。以上海市气候估算，夏季空调冷负荷约为1 200 k W；冬季空调热负荷约为700 k W。如果设计采用中央空调系统，夏季系统冷冻水供水温度为7℃，回水温度为12℃；冬季热水供水温度为45℃，回水温度为40℃。日常，变电站运行变压器一般超过3台，以每台变压器功率损耗为730 k W计，3台为2 190 k W。扣除变压器负载等因素，可以满足该办公建筑的冬季空调热源问题。

2.2 余热可用于冬季空调采暖

以上海市气候估算，如设计采用中央空调系统，冬季热水供水温度为45℃，回水温度为40℃。在水冷变压器水冷却系统中，再另外配置1套“水－水板式换热器”换热，作为空调热源。变压器采用“油－水交换器”冷却，进入“油－水交换器”的水温为50℃，出水水温为60℃。而进入“水－水交换器”的水温为40℃，出水水温为45℃。水冷却系统可以直接向空调末端提供出水水温为45℃、进水水温为40℃的空调水。此种余热利用方式，完全不影响水冷变压器的正常运行，只是间接地利用余热。图1为余热利用示意图。

图1 水冷变压器余热利用的冷却系统

2.3 余热可用于夏季空调制冷

水冷变压器的余热可以用来制冷。上海世博会期间投运的110 k V蒙自地下变电站，站内变压器为SF6变压器，冷却方式为水冷，排放的热量品位较低。变压器运行负载低于50%时，冷却水温度低于60℃；变压器运行负载大于50%时，冷却水温度才超过60℃。为此，采用上海交通大学研发的吸附式制冷机组，作为站内空调冷源。

上海交通大学自主研发的吸附式制冷机的主要性能指标：制冷量为5 k W，冷冻水出水温度为10～15℃，冷冻水流量为1.5 t／h；冷却水进口温度为32℃，冷却水流量为5 t／h；热水进口温度大于60℃，热水流量为3.6 t／h。吸附式制冷机外型如图2所示。

图2 吸附式制冷机外型

吸附式制冷系统是一种以热源为直接驱动力的制冷机械，与传统空调制冷原理不一样，所利用的能源，通常为废热或低品位的太阳能，使用的制冷剂是天然的，对臭氧层无破坏。此外，吸附式制冷内部吸附、解吸过程，均为物理或化学过程，运行平稳而且无噪声。

吸附式制冷机组的优势，在于对废热以及低品位热源的再利用，对臭氧层无危害的环保制冷剂，但制冷效率和传统蒸汽压缩式制冷，包括吸收式制冷都有很大的差距。由于该产品尚未量产，所以应用范围受到很大限制。

3 平均负载率与出水水温

变压器运行时，按电网运行模式，负荷通常在50%左右，此时的出水水温低于60℃，由于热量品位较低，所以也是多年来余热利用没能开展起来的主要原因之一。通过收集上海地区具有代表性的220 k V古北变电站2010年变压器全年运行数据，按负载率划分得出：①夏季日平均负荷率，最高是6月17日至9月21日，总计97天，平均负载率为51.6%；②冬季日平均负载率，最高是1月1日至3月12日，12月6日至31日，总计96天，最低负载率为28.28%，最高负载率为52.09%，平均负载率为34.47%；③春秋季总计172天，平均负载率为30.61%。

由此得出变压器的日平均值：最低负载率为23.28%，最高负载率为70.28%；负载率小于30%天数为70天；负载率30%～40%天数为147天；负载率40～50%天数为51天；负载率50%～60%天数为34天；负载率大于60%天数为19天。

220 k V古北变电站2010年负荷曲线见如图3。

图3 220 k V古北变电站2010年负荷曲线

变压器负荷率与水温的数据没能收集到，由变压器制造厂提供的变压器负荷与油温升曲线，可以大致估算出水水温。图4为变压器制造厂提供的变压器油温升曲线。

图4 运行负荷与油顶层温升曲线

由图4可以看出，变压器满载240 MVA运行时，顶层油温约为45 K；运行负载为160 MVA时，顶层油温约为29 K；运行负载为150 MVA时，顶层油温约为25 K。按上述推算，夏季平均负载率为51.6%时，顶层油温约为25K；平均负载率为33.3%时，顶层油温约为19 K；冬季平均负载为34.47%，顶层油温约为19 K。由于缺少变压器油温曲线，所以按油温＝温升＋室内环境温度计算，估算冬季平均油温在39℃左右，冷却水的出水水温约为37℃；夏季平均油温预估在59℃，冷却水的出水水温约为57℃。

4 变压器余热采暖应用实例

4.1 东京电力公司

日本东京电力公司的275 k V东新宿地下变电站，1995年5月投入运行，地上8层建筑，为东京电力公司的西支店和新宿支社，地下4层为变电站，主变为275 k V／66 k V，300 MVA，SF6气体绝缘。主变冷却塔位于整个建筑物的屋面。

东新宿地下变电站的特点之一，是利用变电站产生的热量，供该建筑室内取暖，以节约能源。1997年投运的东内幸町变电站，也采用了同样技术的节能方式。需要指出的是，利用变电站排出的热量用于地面建筑物暖气设备方面，由于效果不太理想，现已放弃了这一方案。

4.2 天津电力公司

国内对变压器余热的利用，虽没有投运实例，但也有论文涉及。例如：1993年沈阳建筑工程学报《变压器余热利用的分析与探讨》一文，以天津某变电站为例，2台50 MVA变压器，每台空载损耗为63.9 k W，变电所内值班室及辅助房间所需采暖负荷为31.6 k W。用变压器循环油加热空气，对所需采暖的房间进行热风采暖。按进入热交换器的油温为50℃计算，需要散热面积为78 m2强油循环风冷却器1台，可将回风（混合10%的新风）加热到35℃，完全满足采暖需求。

5 挖潜增效的节能分析

按上海地区有代表性的变压器运行负荷及变压器油温曲线推算，夏季变压器的运行负载约50%，冷却水的出水水温约57℃；冬季平均运行负载为34%，冷却水的出水水温约为37℃，由于变压器的余热品质不高，如果直接应用，需要加装辅助电加热设备。例如：用于夏季空调，此时变压器冷却水的出口水温为57℃，经过水－水交换器水温约降2℃，在55℃左右，需将55℃水温加热至60℃，才能用于吸附式制冷机组的热源。

冬季采暖，此时变压器冷却水的出口水温为37℃，经过水－水交换器水温约降2℃，在35℃左右，需将35℃水温加热至45℃，才能用于采暖。如此直接应用，无疑增加以后的运行费用，但对变压器本身不需要做任何改动。

还有一个方法，需在订货时向变压器制造厂提出要求，提高变压器冷却水的出水水温。即在变压器冷却水出口设置温度控制阀，当水温小于60℃时，返回变压器的油－水换热器继续加温，当水温大于等于60℃时，送至冷却水系统，提高变压器余热的品质，用于采暖和空调制冷，同时也省去了今后的运行费用，只是对变压器水冷却系统增加了水温控制装置。

6 结论

1）变压器损耗是一种潜力很大的余热。应该充分利用，推进节能减排工作。

2）无论变压器余热是直接利用，还是变压器冷却系统稍加改造，用于民用建筑采暖空调，既节约了一次投资费用，也节约了运行费用。

3）吸附式制冷机组的优势：对废热、低品位热源的利用，采用对臭氧层无危害的环保制冷剂。吸附式制冷机组的劣势：制冷效率和传统蒸汽压缩式制冷，包括吸收式制冷还存在较大的差距，而且吸附式制冷机组的制冷量，包括能源的可循环利用量还很小，产品也尚未量产，其利用范围受到很大的限制。

［1］ 刘亚芳.集各种先进技术于一身的275 k W东京宿地下变电所［J］.华北电力技术，1998（12）：20-21.

［2］ 瑞木琳.变压器余热利用的分析与探讨［J］.沈阳建筑工程学院学报，1993（1）：62-64＋88.

［3］ 徐光启.内燃机余热利用及其热交换系统［J］.农业机械学报，1985（1）：58-68.

［4］ 郑晓娟.螺杆式冷水（热泵）机组废热回收开发应用［J］.制冷，2005，24，（1）：81-83.

［5］ 杨琦.循环冷却水系统中的余热利用探讨［J］.给水排水，2009，35（2）：80-82.