浅析城镇中小型净水厂节能变压器的选择

高杰飞

（北京市市政工程设计研究总院有限公司）

1 引言

随着市政配套项目的与日俱增，对电力的需求也迅猛增长，电气耗能已成为危及社会可持续发展的一个重大问题。节能减排是国策，降低投资和运营成本也是广大业主的心声。在众多变压器厂家鼓吹非晶合金变压器最节能的同时，建设者却往往只能看到眼前投资成本的高昂，如何平衡则需要设计师提供详尽的计算，为建设者拿出最合理的方案。“TOC”法选择变压器是节能减排和节省投资与运营成本的有效整合。关于“TOC”法，目前大量的论文基本都是一些泛泛的总结和举例，而没有演示出针对特定工程如何选取参数并进行详尽的计算。

笔者将依据工业电气节能评价方法，从合理设计配电系统入手，进一步引出如何采用“TOC 法”选择变压器，对福建省明源水厂变压器的选择进行论述。

2 工程概况

福建省明源水厂一期工程始建于1998 年，日供水规模为1.0 万m3/d。由于早期建成的1.0 万t 净水处理构筑物老旧，实际供水量也已远不能满足城市供水发展需要，因此，净水厂二期扩建势在必行。

净水厂二期建设工程：总规模5 万m3/d，与一期净水厂毗邻建设。全厂总装机容量：Pa=619kW；总有功计算负荷：Pj=330kW。

以下详述本次净水厂二期扩建工程中如何根据“TOC 法”选择节能型变压器。

3 负荷等级与配电方案

基于供水安全的重要性及国家相关规范要求，净水厂按二级负荷考虑。因此，本次工程申请两路10kV 外电源，每路电源均能承担全厂100%的负荷。

全厂设主配电室一座，主配电室包含10kV 高压配电室与0.4kV 低压配电室。低压配电室内设500kVA 变压器二台，作为全厂低压电源使用，两台变压器均能承担全厂100%用电负荷，一用一备，单台变压器负荷率69%。低压配电室0.4kV 侧主接线方式为单母线分段，二路电源一用一备，二进线开关加装联锁。

依据国网公司《供电营业规则》第八十五条：“以变压器容量计算基本电费的用户，属冷备用状态并经供电企业加封的不收基本电费；属热备用状态的或未经加封的，不论使用与否都计收基本电费”。本工程两台变压器选择一用一冷备方式，仅当主变故障与检修时向电力部门申请切换。缺点为故障与检修时供电有中断，但净水厂进出水有调蓄能力，在停电几小时内仍可满足正常供水，此时可完全满足投入冷备变压器的需要。此配电方案将工艺特点、电力规则、业主需求有效结合，每年可为业主节省变压器月基本电费15 万元。

因此，在下文“TOC 法”计算中，本工程仅选择一台变压器计算即可。

4 按“TOC 法”选择节能型变压器

4.1 干变与油变的对比

干式变压器一般适用于配电网，容量相对较小，一般大都在1600kVA 及以下，大多应用在需要“防火、防爆”的场合。与油变相比，干式变压器占地面积小，无需储油排油设施，适合用在综合建筑内（地下室、楼层中、楼顶等）和人员密集场所。鉴于净水厂配电室均有防火要求，且本工程全厂计算负荷仅为330kW，土地资源十分紧张，选干式变压器更合适。

因此，在下文“TOC 法”计算中，本工程仅从干式变压器中选择相应的节能型变压器。

4.2 节能型变压器型号选取

按“TOC 法”选择变压器之前，本工程将首先在干式变压器中选出要对比的节能变压器。然后在锁定的节能变压器中按TOC 法进行对比分析，最终整理出选择合理变压器的思路。

依据《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015，第6.2.3 条：变压器应选用低损耗型，且能效值不应低于现行国家标准《三相配电变压器能效限定值及能效等级》GB 20052 中能效标准的节能评价值[3]。

进而依据《三相配电变压器能效限定值及能效等级》GB 20052-2013 第4.4条“配电变压器节能评价值”中相关内容：干式变压器的空载损耗和负载损耗值均应不高于下表1 中2 级的规定[4]。能效等级分为3 级，1 级能耗最低，2 级次之，3级最高。通过表1 可以看出，常规SCB11（硅钢）和SCB10（硅钢）已经不能满足最新的配电变压器的节能评价值。因此，笔者将选择SCB12（硅钢）、SCB13（硅钢）、SCBH15（非晶合金）三款符合节能评价的变压器在下文中进行对比。

需要说明的是，笔者调研了国内诸多干式变压器生产厂家的损耗性能参数，干式变压器中仅有SCB12（硅钢）及以上型号的变压器才能满足变压器的节能评价值，SCB11(硅钢)、SCB10(硅钢)及以下型号已不能满足《三相配电变压器能效限定值及能效等级》GB20052-2013 中的二级节能评价要求，由于篇幅限制，调研生产厂家的损耗性能表不再一一罗列。

4.3 按“TOC 法”选择配电变压器

4.3.1 概述

在供配电系统的投资和运行费用中，变压器的运行费和购置费所占比重很大，为了提高系统的经济合理性，选择节能型变压器，提高节能指标，对电气系统节能降费，具有重要的意义。但节能型变压器通常为新型新技术变压器（如非晶合金），较传统变压器的购置费又提高了许多，如何选变压器才能使全寿命周期中的综合费用最合理，是很多设计师想考虑但又无暇思考的问题。

简单化的采用经济负荷率选择变压器的做法是不可取的，特别是按铜损等于铁损得出的所谓经济负荷率是不合理的。这种做法没有考虑售电单价的高低，负荷性质的差别，运行情况的变化，负荷计算的误差等，应予摒弃[1]。

表1 干式配电变压器-能效限定值（GB20052-2013）

“TOC 法”即总拥有费用法，是在变压器的全寿命周期内，综合考虑变压器的损耗、成本、电价、负荷特点等经济技术指标对变压器经济评价的影响，分析和比较配电变压器能效的技术经济评价，目的是为了从科技角度更加科学直观的了解、评判变压器的节能效益，进而为变压器用户提供指导。该方法，可为设计师正确选择更为经济、合理的配电变压器提供思路。

4.3.2 计算方法

净水厂电费计量采用两部制电价，即电度电价和基本电价，依据《工业与民用配电手册》第四版P1561 页，“TOC值”可简单概括为4 部分之和：[变压器的初始投资费用CI]+[变压器的空载损耗费用]+[变压器的负载损耗费用]+ [变压器的月基本费具体计算公式如下：

式中：TOC 值为配电变压器总拥有费用，元；CI为配电变压器初始费用，取变压器采购价格，元；A 为配电变压器单位空载损耗等效初始费用系数，元/kW；B 为配电变压器单位负载损耗等效初始费用系数，元/kW；cE 为两部制电价中按变压器容量收取的月基本电费，元/kVA；eE 为企业支付的单位电量电费，元/kwh；dE 为两部制电价中按最大需量收取的月基本电费，元/kVA； 为配电变压器年带电小时数，通常为8760h；pL为变压器经济使用期的年负载系数；kpv为贴现率为i 的连续n 年费用现值系数；i 为贴现率； n 为变压器经济使用期年数；τ 为最大负载损耗小时数，h，见下表5；为变压器的温度校正系数，通常取1.0；β 为变压器负载率；0P 为配电变压器空载损耗；kP 为配电变压器额定负载时有功损耗，kW；TSr为配电变压器额定容量，kVA。

4.3.3 参数确定

项目位于福建省三明市明溪县境内，根据“福建省发展和改革委员会官网”公布的最新三明市各县级电网销售电价如表2。

通过上表，可以得出以下数据：

变压器全年使用，温度校正系数1.0，经济使用期为20 年：

根据技术经济专业提供数据，贴现率i 取0.08。

依据《给水排水设计手册·第08 册·电气与自控》第24 页规定：最大负荷年利用小时城市给水排水工程取6000 ～7000h[2]。结合本工程实际情况（有连续运行负荷、断续运行负荷、间歇运行负荷），连续运行设备也并非能时刻达到满载出力，因此，取6000h 为宜。依据国网福建分公司规定，功率因数需补偿至0.9 及以上， 9.0cos =φ 。查下表3 得： 4500=τ h。

公式中还未确定的参数有变压器负载率β，变压器空载损耗 0P ，变压器负载损耗kP ，变压器额定容量rTS ，变压器的成本CI，以上五个参数与所选变压器型号、容量以及供货厂商有关，因此，在国网公布的10kV 变压器资格预审合格企业名单中，笔者随机挑选A、B 两个符合变压器二级能效及以上的厂家，选择SCB12（硅钢）、SCB13（硅钢）、SCBH15（非晶合金）3 款符合节能评价的变压器进行对比分析，为了对比数据统一可靠，变压器绝缘等级都选F 级绝缘。本工程计算负荷为330kW 固定不变，但选用不同容量的变压器，负荷率β 将发生变化，所有参数详见表4 与表5。

4.3.4 结果对比

至此，本工程“TOC 值”计算所需所有参数已全部确定，根据上述所有确定参数，可以先求得A、B 值，然后求得CI 为采购成本，然后四者相加，即为TOC 值。为了节省篇幅，及计算醒目，笔者采取列表计算，省去中间计算过程，计算结果见表6 与表7。

图表为“TOC 法”计算得出的最终数据，由此可以得出以下结论：

①对于全厂运行的固定负荷，同一厂家、同一型号、不同容量的变压器，容量越大，变压器全寿命周期的总拥有费用越高。

因此，在满足合理的负荷率以及过负荷要求的前提下，应选择容量较低的变压器。结合本工程，依据《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008-4.3.2 条：配电变压器的长期工作负荷率不宜大于85%[5]。当选择400kVA 的变压器时，变压器的负荷率高达87%，超过了规范中要求的85%；当选择630KVA 时，TOC值最高不经济，且负荷率55%偏低；当选择500kVA 时，负荷率69%，TOC 值居中。结合TOC 值与负荷率综合比选，变压器容量选500kVA 最为妥当。

表2 三明市各县级电网销售电价表

表3 年最大负荷损耗小时(引自《工业与民用配电手册》第四版P33 页)/h

表4 A 厂家样本空载损与负载损

表5 B 厂家样本空载损与负载损

表6 A 厂家变压器总拥有费用TOC 值

表7 B 厂家变压器总拥有费用TOC 值

②对于全厂运行的固定负荷，同一厂家、相同容量、不同型号的变压器，即同一厂家SCB12、SCB13、SCBH15三款变压器进行比对，SCB13（硅钢）变压器的TOC 值最低，A、B 厂家规律相同。

因此，本工程应选择SCB13（硅钢），虽然SCBH15 的节能效果最好，但从变压器的全寿命周期来看，SCB13 的TOC 值最低。针对小容量的变压器来讲，SCBH15 节省出来的费用并不比SCB13有优势。

③对于SCB13-500KVA 变压器，A厂家TOC 值为158.2018 万元。

B 厂 家TOC 值157.2417 万 元。B厂家TOC 值较低。

因此，针对本工程，应选择B 厂家的SCB13-500KVA 变压器。

4.3.5 变压器投资回收年限计算

为了进一步呈现选择节能变压器的效果，笔者针对B 厂家的变压器SCB12与SCB13，利用简化法计算其投资回收年限，即不计时间价值对资金的影响。由于节省了运行费用，变压器的初始增加成本经过几年便可收回。计算方式：2种变压器的购买成本差÷2 种变压器的年运行费用差。

当采用两部制电价时，依据《工业与民用配电手册》第四版P1545 页公式16.3-10，变压器的年运行费用公式如下：

式中：Cn为变压器年运行费用，元，见上表5；I0%为空载电流百分数，见上表5；uk%为阻抗电压百分数，见上表5；KQ为无功经济当量，通常取0.1；其余参数定义和取值与前文完全一致，计算过程如下：

可得投资回收年限a:

针对B 厂家产品，SCB13-500 与SCB12-500 相比，增加购置费可用节约运行费用来补偿，最长1.5a 期限即可全部收回。增加的设备采购费在满回收年限后，即为节省出的费用。因此选用SCB13-500 更经济合理，既节能了电力能源，也降低了运营成本，符合国家大力倡导的节能政策。

5 结语

作为设计人员，不能一味的追求最新最贵的节能产品，尤其是对于城镇中小型水厂的小容量（1000KVA 及以下）变压器；也不能仅仅选择采购成本最低的低节能型变压器，会极大增加工程后期的运行成本。节能本身的目的，不只为降低损耗，更有降低成本。前期的额外的投资是否通过产品本身的节能平衡的最好，设计师应针对特定工程，特定厂家，进行详实的计算，综合评估，才能选择出适合其工程的节能型产品。