2哈尔滨工程大学 黑龙江哈尔滨 150001）
摘要：电力变压器利用电磁感应原理进行变压，部分损耗转变为热量由变压器油带出并散发到周围环境中，从而降低变压器内部温度，确保其安全运行，这样就造成了该部分的热损失。本文利用变压器散发的热量作为热源，对冬季有采暖需求的变电站建筑供暖，这样即可以对变压器内部进行冷却，又可以替代变电站传统的电采暖方式，充分利用余热能源，达到降低能耗的目的。变压器余热利用供热系统的研究将对黑龙江地区变电站采暖方式的设计有重要参考价值。
关键词：变压器；余热利用；供热系统；热泵；节能
引言
众所周知，在电力传输系统中能量损耗是不可避免的。电力变压器是电力传输系统中主要设备之一，它是利用电磁互感原理来改变交流电压，从一个电路向另一个电路传递电能[1]。由于电阻和磁阻的存在，变压器在运行过程中会产生大量的热量，这些热量主要是通过变压器的降温冷却系统将热量散发到周围空气中去。这样的冷却方式不仅造成了部分的能源浪费，同时也造成了热污染。虽然目前大中型变压器的电能转换效率已经达到了99%以上，但其因损耗而散失掉的能量还是相当可观的。据不完全统计，城市电网中35~220KV电压等级降压变压器以热量形式散失掉的能量约占发电量的1.6%。以2013年底我国全年全口径发电量52451亿kW•h计算，通过一次变压损耗散失掉的能量超过800亿kW•h。我国是一个能源消耗大国，面对如此庞大的数字，我们应该认识到节能意识在各个领域都要增强。
1 变压器余热利用分析
通过前期的调研发现在变压器最低负荷运行时，散热器全部关闭的情况下，能提供大约变压器损耗量90%的热量，因此可以说对建筑物进行供暖将拥有充足的热源。但是，即使变压器满负荷下运行，变压器油温升仅45℃，加之冬季室外环境温度的影响，变压器油的温度实际温度会很低，一般在30℃左右。若想合理利用变压器余热，只能通过热泵机组对低温热源提升温度后使用[2]。
另外，变压器油在运行环境要求较高，不能污染。更主要的是，变压器的正常运行需要保证特定的内部电场。为了保证变压器油的纯净度和变压器内部电场特性，只能通过热交换器让变压器油与水换热后，加热后的水作为低温热源，再经热泵制取供暖所需的热量。换热器可设在主变压器旁3~5米处，不会因变压器油冷却循环回路过长而影响到变压器运行安全。
热泵机组设在变电站综合控制室的热泵机房内，与主变压器相距较远，为了防止因温度过低而冻坏管路，需要用40%溶液浓度的乙二醇防冻液来代替水与变压器油进行换热，充当变压器油与热泵系统的换热媒介。乙二醇防冻液常用于汽车发动机冷却，它的沸点高，可以有效地防止车辆发动机过热；冰点温度要低于0℃，冬季也可以防止因结冰所造成的水箱或散热器损坏。40%溶液浓度的乙二醇溶液能保证在室外温度低至-40℃时，不会发生冻结，可以有效的适应东北地区冬季室外温度过低对管路造成的影响[3]。
变压器余热利用系统工艺流程：变压器负载损耗产生的热量经变压器油带出，设定油温为25℃，变压器油（进出口温度25/20℃）经过换热器与乙二醇防冻液（进出口温15/20℃）换热后，由热泵系统提取乙二醇溶液中的热量对变电站建筑进行采暖。工程系统工况设计参数及示意图如图1所示。
图1 工程系统设计示意图
2 余热利用系统比例实验台设计
总体来讲，变压器余热利用技术还停留在理论层面，如何将理论研究转换成工程实践，还需要许多值得完善的细节部分。本章设计实验将对变压器油—乙二醇防冻液热交换设备进行测试及选择，并在适用的换热器下测试整个余热利用系统的制热性能。通过实验系统的运行情况，可以验证变压器余热回收系统理论在技术上的可行性。
2.1 实验台结构与设计
实验能够更全面了解利用变压器余热回收系统的制热性能，为变电站余热系统的设计提供重要的数据支撑。通过对全焊接板式换热器、钎焊板式换热器及管壳式换热器三种换热器在不同变压器油温度、流量下测试，选择出适合余热利用系统的高效换热器，并测试余热利用系统的制热系数COP值，可为工程设计提供参考依据。设计实验台结构简易图如图2所示：
图2 实验系统示意图
电锅炉（替代变压器负载损耗）产生的热量经变压器油带出，变压器油经过油循环泵，进入到换热器与防冻液换热，热泵系统将防冻液中的低品位热量转换为高品位热，直接加热空气，进行采暖。
2.2 实验方案
考虑到换热器的换热面积3m2已知，假定冷侧流体流量恒定，影响其换热效率的主要因素是热侧流量和温度。因此可改变变压器油侧进口温度和流量来确定板式换热器的换热系数及制热量范围。以变压器油温在25℃时，其循环流量为3.96m3/h，定为变压器油的标准工况。实验分为三个部分：
（1）标准工况实验
将变压器油温度恒定在25℃，油循环量恒定在3.96 m3/h进行实验。
（2）定流量变温度实验
在标准流量3.96 m3/h不变的前提下，通过改变变压器油温度获得油温与换热器换热系数曲线、油温与COP曲线。理论来讲，变压器油温度越高，热泵系统的制热效果会越好，所以油温不易过低。根据实际变压器运行时油温情况，实验设定变压器油温范围为15℃到50℃。其中，15℃到30℃之间，每升高3℃进行一次数据记录；30℃到50℃之间，每升高5℃进行一次数据记录。
（3）变流量变温度实验
调节油循环流量为3.5 m3/h、4.5 m3/h，在15℃到30℃之间，每升高3℃进行一次数据记录，测试油流量对系统的影响。同一温度、同一流量下工况为一组实验。每组实验重复进行三次，取三次实验数据平均值。
3 实验结果分析
3.1 换热器对系统COP影响
实验选用的为瑞典舒瑞普换热器公司提供的钎焊板式换热器，舒瑞普在各个领域广泛应用。例如，在某些特殊领域，液体泄漏问题十分关键，必须采取避免串液和及时察觉泄漏的现象，舒瑞普生产出的双层板换热器可解决此类问题。
“双板”结构板式换热器是板对组成，第一组板对与第二组板对按叠置的方式交替布置。每个板对有两块板片，板片中间的空气间隙有肋片相互支持，增加传热。双板结构是避免交叉污染的设计，一层板片的缝隙或腐蚀穿孔不会导致两种介质混合在一起。密封的板对之间留有较小的间隙，以便可能出现的泄漏物排出，见图3。
图3 双层板换防串液示意图
钎焊板式换热器换热系数随油温升变化明显，还有逐步增大的趋势。换热系数的不同是由换热器换热原理及结构因素决定，钎焊板式换热器因其内部空间小、板片紧凑，内部两种流体的紊流加剧热量的交换，钎焊板式换热器从换热性能的角度来讲更适合作为变压器余热回收的换热装置。
应用钎焊板式换热器的系统COP值高于应用其它换热器的系统，影响系统COP的原因与换热器换热效率有很大关系。低温热源的供回液温差代表该系统从低温热源提取热量，提取的热量越大，系统的制热量也就越大，而机组所消耗的电功率增长幅度不及制热量增长幅度，所以COP的值也就相对较大。
3.2 油温变化对系统COP的影响
实验设计标准油温为25℃，实际变压器在运行时油温范围大约在15℃到50℃，为了解在不同变压器油温下，系统COP及制热量变化情况，按照实验方案对余热回收系统进行了实验，以换热效果最佳的钎焊板式换热器的应用系统为例进行分析。
将余热回收系统COP值随油温升变化情况用曲线表示如图4所示。
图4 应用钎焊板式换热器余热回收系统COP随油温升变化曲线
由图4看出，随着变压器油温逐步上升，热泵的制热系数COP呈现上升趋势，这是因为低温热源温度越高，热泵的制热性能越好。
3.3 油循环流量变化对系统COP的影响
建筑采暖的热负荷与室外环境温度有关，标准变压器循环流量是根据采暖室外计算温度计算出最大建筑热负荷而确定的[4]。采暖室外计算温度是指历年平均不保证5天的平均温度。然而采暖期室外温度是不断变化的，当室外温度高于采暖室外计算温度时，可以降低变压器循环流量，减小提供的余热量，降低系统的输配能耗；当室外温度低于采暖期室外计算温度时，增大变压器循环流量，保证足够的余热量向建筑物供热。因此，有必要清楚了解改变变压器油循环流量对系统COP造成的影响。
实验设计标准变压器油循环流量为3.96m3/h，根据设计标准流量相应调整循环流量大小为3.50m3/h和4.50 m3/h进行实验测试，同样以换热系数最佳的钎焊板式换热器为例进行数据处理及分析，如图5所示。
图5 不同流量下，COP随油温变化曲线
由图5可以看出，随着变压器油循环量增大，热泵系统的制热量及制热系数COP有明显的上升趋势。这是因为油流量增大使换热器换热系数提高，换热器中防冻液出口温度提高，热泵制热系数COP相应增大。与标准流量3.69m3/h变压器循环流量相比，减小流量和增大流量0.5m3/h，其系统的制热量分别减小8.0%和增加7.6%。由此说明，在变压器油温度较低的情况下，可以采用提高变压器油循环流量的办法解决问题；若如变压器油温较高时，可以减小变压器油循环流量，降低管路的输送能耗，提高系统整体的能效比。
4 结论
本文对变压器油余热利用的可行性进行了分析，探索一种既能利用变压器油中余热，减少能源的浪费，又能保证变压器安全稳定运行的技术。论证得到变压器余热利用系统工艺流程。为了更全面了解利用变压器余热回收系统的制热性能，给变电站余热系统的设计提供重要的数据支撑，设计了余热利用系统比例实验台，按照指定的实验方案，对系统COP值影响因素进行了分析：
（1）影响系统COP值的原因与换热器换热效率有很大关系，应用钎焊板式换热器的系统COP值高于应用其它换热器的系统。
（2）低温热源温度越高，热泵的制热性能越好。随着变压器油温逐步上升，热泵的制热系数COP呈现上升趋势。
（3）变压器油循环量增大，热泵系统的制热量及制热系数COP有明显的上升趋势。
参考文献：
[1] 连红奎，李艳，束光阳子，顾春伟．我国工业余热回收利用技术综述[J]．节能技术，2011，02：123-128，
[2] 李大建．油浸式变压器温度场分析与油流对内部温升影响因素研究[D]．西南交通大学，2013：7-9．
[3] 端木琳．变压器余热利用的分析与探讨[J]．沈阳建筑工程学院学报1993，01：62-64．
[4] 曲友立，强芸．电力变压器余热回收可行性研究[J]．电气应用，2010，05：82-85．
论文作者:张健1,徐超1,沈根2
论文发表刊物:《河南电力》2018年11期
论文发表时间:2018/11/28
标签：变压器论文; 余热论文; 系统论文; 换热器论文; 温度论文; 流量论文; 热量论文; 《河南电力》2018年11期论文;