全户内变电站主变损耗废热的资源化利用

陈 伟

（湖南经研电力设计有限公司，湖南 长沙 410114）

0 引 言

2020年，我国电力工业总装机容量已经达到了2.2×109kW，其中有5‰的能量在电力变压器中以热的形式散失，浪费达到1×107kW。当前我国能源和电力供应都很紧张，如果能够将这部分散失的能量利用起来，用以解决变电站本身的制冷与供热，不仅能改善变电站本身的工作环境，而且能够达到节能的目的。

1 概 述

变电站采用全户内布置，其中配电装置室要求室内温度低于35 ℃，二次设备室要求室内温度在20～26 ℃，故配电装置室需夏季制冷，二次设备室需夏季制冷冬季制热以保证运行环境要求。因此，考虑将主变散热量回收利用，用来制冷制热[1]。

2 散热形式的方案比较

油浸式变压器在运行时，因导线损耗、铁芯损耗以及附加损耗等原因产生热量，这些热量需通过油以辐射和对流等方式散掉，保证变压器的正常运行。

2.1 传统散热系统

传统变压器散热方式主要包括自然油循环自然冷却（油浸自冷式）、自然油循环风冷（油浸风冷式）以及强迫油循环风冷散热3种。这3种散热方式都是变压器箱体通过油将热量传递给翅片式换热器后，由翅片表面的空气流将热量带走，以降低油温，最终热量散发到空气中[2]。传统主变散热形式如图1所示。

图1 传统主变散热形式

2.2 热回收系统

热回收方法可以分为直接利用和间接利用。

2.2.1 直接利用

变压器余热的直接利用是将散热器室内温度较高的热空气经过净化和过滤等处理之后输送至采暖的房间，直接利用变压器余热来加热房间。但是由于空气品质较差，净化处理复杂，余热量随变压器负载变化波动，采暖房间的供热质量无法保证，因此只能用于采暖，使用受限[3]。

2.2.2 间接利用

变压器油与外部的水通过油-水换热器对水加热，再利用热水进行制冷或制热。主要应用于夏季空调、冬季采暖以及供应生活热水。

3 热回收系统的设计

3.1 系统组成

制冷系统由油-水换热器、吸收式制冷机组、风机盘管、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、供水箱以及换向阀门等组成。制热系统由油-水换热器、热水辐射采暖器、供水箱以及循环泵等组成[4]。其中，油-水换热器、供水箱以及水泵等可共用，详见图2。

图2 热回收系统示意图

3.2 工作原理

油-水换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换，是一种新型高效换热器。结构型式见图3。

图3 油-水换热器示意图

热水型溴化锂制冷机组用溴化锂水溶液做为工质，其中溴化锂为吸收剂，水为制冷剂，由发生器、换热器、吸收器、蒸发器、冷凝器以及循环泵等组成。运行时，溴化锂水溶液在发生器内经热水加热，不断汽化，溴化锂水溶液浓度升高后进入吸收器，水蒸气则进入冷凝器。在冷凝器内，水蒸气被冷却水降温后，凝结成高压低温的液态水并进入蒸发器。进入蒸发器时，高压低温水急速膨胀汽化，吸收蒸发器内冷媒水的热量，从而制冷。同时，低温水蒸气进入吸收器，被溴化锂水溶液吸收后使之浓度降低。最后由循环泵将稀释后的溶液送回发生器，形成循环来连续制冷[5]。工作原理如图4所示。

图4 溴化锂吸收式制冷机组工作原理示意图

3.3 运行模式

3.3.1 制冷模式

夏季时，当房间温度通过通风无法满足要求时，启动吸收式制冷机组，通过换向阀门控制使热水进入吸收式制冷机组进行制冷，保证室内温度。

3.3.2 制热模式

冬季时，从油-水换热器出来的热水通过换向阀门，一部分流经二次设备室内的采暖器对房间进行加热，一部分直接供用户端使用。

3.3.3 散热模式

过渡季节，房间既不需要制冷，又不需要制热时。通过阀门的控制使换热器出来的热水全部流入冷却塔散热，以保证主变压器正常运行。

4 热回收系统的制冷制热能力

4.1 主变散热量

某220 kV变电站主变规模本期1×240 MVA，远期3×240 MVA，根据《油浸式电力变压器技术要求和参数》（GBT6451—2008）可知，变压器空载损耗为193 kW，负载损耗为780 kW。根据《火力发电厂及变电所供暖通风空调设计手册》，变压器的余热量计算为：

式中：Q为变压器的余热量，单位W；Pbk为变压器的空载功率损耗，单位W；Pbd为变压器的负载功率损耗（也称短路损耗），单位W。

4.2 变电站内冷热量需求

变电站内夏季需制冷的房间为配电装置室和二次设备室，室内面积共425 m2，需冷量约85 kW；冬季需制热的房间为二次设备室，室内面积为75 m2，需制热量约15 kW。

4.3 有效冷热量

4.3.1 油-水换热器加热水量

油-水换热器加热水量的计算为：

式中：Q为冷流体吸收或热流体放出的热流量，单位W；Mh、Mc为热、冷流体的质量流量，单位kg/s；Cph、Cpc为热、冷流体的定压比热容，单位kJ/(kg.K)；T1、t1为热、冷流体的进口温度，单位K；T2、t2为热、冷流体的出口温度，单位K。

根据厂家资料，变压器导热油进口温度T1为95 ℃，出口温度为T2为40 ℃；常温冷水的进口温度t1取20 ℃，出口温度t2取70 ℃，热水管径取DN50，则单台主变散热器热量可产15 t/h的热水。

4.3.2 制热量

二次设备室室内散热器热水进水温度取70 ℃，出水温度取50 ℃，冬季室内温度设为20 ℃，则：

式中：ΔT为进出水温差，单位为℃；C为水的定压比热容，取4.2 kJ/(kg.K)；M为水的质量流量，单位为kg/s。

经计算，要保证二次设备室供热，需热水量M=0.18 kg/s=0.65 t/h，满足要求。

4.3.3 制冷量

根据房间所需制冷量，计算溴化锂吸收式制冷机组的大小。已知热水进口温度为70 ℃，流量为15 t/h，冷却水进口水温为20 ℃，房间所需制冷量为85 kW,根据沙柯夫简化公式计算各热交换设备的传热面积F为：

式中：Q为传热量，单位为W；K为传热系数,单位W/（m2.K）；Δ为冷、热流体进换热设备的温差，单位为℃；a、b为常数；Δta为变化较小的流体温差，单位为℃；Δtb为变化较大的流体温差，单位为℃。

根据计算结果，选择合适的机组大小。参考厂家设备型号，可选用1台制冷量为115 kW的机组。

综上所述，从主变压器回收的热量经回收利用完全满足站内制冷制热需求，且有较大富裕。

5 效益分析

5.1 技术性分析

主变散热器布置在屋面时，提高散热器的高度，可增加油循环回路的浮力，提高油在绕组和散热器中的流率，增强绕组的冷却效果。采用水冷换热器代替风冷换热器，由于水的比热仅为空气的1/4，换热效果更好，因此可以大幅度提升冷却效率。

5.2 经济性分析

热回收系统包括1台吸收式制冷机组，1台冷却塔，1个水箱，6台循环水泵，1台油水换热器，3台风机盘管。所有系统考虑夏季运行120天，冬季运行60天，每天按24 h计，电费按0.8元/（kW·h）计。

计算传统散热系统年运行费用。分体机总制冷功率为30.8 kW，总制热功率为58.4 kW，则年运行费用约为为0.8×（31×24×120+59×24×60）=139 392元。

计算热回收系统年运行费用。吸收式制冷机组制冷功率为5 kW，冷却塔功率为2 kW，水泵功率共12 kW，风机盘管功率为1 kW，则年运行费用为0.8×（20×24×120+6×24×60+4×24×365）=81 024元。每年节约电能72 960 kW·h，全寿命周期造价如表1所示。

表1 全寿命造价比较

通过以上数据对比，热回收系统具有以下经济优势。一是初始投资虽然比传统散热系统多，但是其全寿命周期造价相对较低。二是散热器屋顶布置，减少建筑面积。三是过剩热量远期回收利用方便。对于过渡季节或过剩热量较大的工程，在条件允许时可考虑余热发电，将热能转换为电能，进一步提高废热利用率。

5.3 社会效益分析

热回收系统产生的高温热水可用于生活用水，替代原有燃气或电加热设备，节约能源消耗。据不完全统计，国家工业领域能耗占总能耗的70%，余热资源占其燃料消耗量的17%～67%，可回收利用余热量大。变电站主变压器废热回收产品的投入使用可以大大减少能源消耗和废热排放，为节能减排做出积极贡献。

6 结 论

综上，变电站主变压器的废热回收从经济和技术角度上都具备可行性，节能效果显著，可逐步推广。