1号主变压器冷却装置改造的可行性研究

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  摘要:发电厂的主变压器是电力生产的主要设备之一,能否安全稳定运行直接关系到企业的经济效益。目前,通辽热电厂1号主变压器冷却系统存在容量不足的问题,每年夏季来临之际,主变本体超温;解决的办法只能靠人工冲洗冷却器。这必定不是长久之际。另外根据国电公司发布的《防止电力生产重大事故的二十五重大要求》第15.4款的规定:油泵应选用转速不大于1000r/min的低速油泵。而在装油泵仍然采用转数2950r/min的高速油泵,不符合反措要求。为此,要对冷却系统各部件的配置进行更新改善,以保证主变压器的使用寿命和电网安全、经济、可靠运行。
  关键词:主变压器;冷却装置;改造
  
  本文将介绍通辽热电厂1号主变压器冷却系统目前的状况,分析存在的问题。以及对安全运行带来的影响,提出对其改造的必要性。
  
  一、存在的问题
  
  1、冷却器进出口阀门均采用板式蝶阀,不仅不能承受真空还存在渗漏油现象。增加油与大气接触受潮的可能性。
  2、现主变配套使用的冷却器电源控制部分为沈变厂生产的主控制箱1台、分控制箱11台;不仅维护工作量大而且经常出现主接触器触点过热现象。
  3、原配套使用潜油泵为长春第二电机厂生产的4B40-16/3V型油泵,转数为2950r/min,不符合25项反措的要求。
  4、变压器本体上层油温在夏季升高,降低油纸劣化和变压器的使用寿命。
  5、冷却器配备组数较多、电源功率较大,不仅增加检修及维护的成本而且对电能的消耗很大。
  6、冷却器进出口与油管路的连接均为硬性连接,检修安装不方便。而且经常因安装别劲引起渗油现象的发生。
  
  二、变压器冷却系统改造前后的经济技术分析
  
  变压器的容量不同、损耗不同、安装地区不同,采用的冷却装置也不同,随着时代的科技进步冷却器设备在不断的更新改善,为了保证变压器的使用寿命及安全运行。下面就1号主变压器的冷却系统及变压器存在的缺陷进行综合分析比较。
  1、将原变压器的板式碟阀、闸阀全部更换为真空式碟阀、真空闸阀。更换不合理的法兰为锻造带密封槽法兰,在每台冷却器与支架间、支架与变压器间加装波纹管,用于消除应力减少噪音、减少漏油点,提高变压器的密封性能,避免油与大气接触受潮。造成主绝缘电阻降低,降低油的老化速度,可有效地提高变压器的安全运行质量,延长变压器的大修周期。
  2、更换老式YF-120冷却器为新型YF4-250冷却器。新、老冷却器的经济技术指标对比如下:
  2.1、YF4-250冷却器的实际冷却容量为(温升40K)250kW,扬程为4.6m,油流量135m3/h,风流量530m3/min,油泵采用6极电机、转数930r/min的盘式泵的单回路、风机采用8级、转数720r/min,直排风式冷却器。而YF-120冷却器的实际冷却容量为(温升40K)110kW。扬程16m,油流量40 m3/h,风流量370m3/min,油泵采用4极电机、转数2950r/min铸铁泵多回路冷却器。因此更换后的冷却器由于结构改变循环油流量大,冷却容量大,而油流速低于原变压器油流速,所以冷却效果要好于原来的冷却效果。
  2.2、YF4-250冷却器是采用异型双金属复合整体翅片管,基管为内肋18齿异型钢管并加装绕流丝,增加油流路的散热面积,基管外部复合的铝管经挤压形成水平整体翅片管,具有很高的强度和优良的防腐性能。翅片管整齐美观、风阻小、导热性能好,管内设置强化传热装置,传热效率高,辅机损耗低。散热管与冷却器上、下集油室臂采用单回路冷却,不仅扬程低、循环油流量大,且冷却效果好,无渗漏。而YF-120冷却器是采用钢翅管,散热管与冷却器上、下集油室臂采用胀压成型,且在集油室内焊有隔板,以形成多回路的油循环路径。潜油泵的吸人端直接装在第一个油回路上,吐出端通过装有流动继电器的联管接至第二个回路,不仅油泵的扬程高、循环油流量小,且冷却效果差,时间久冷却管胀压处有渗漏现象。
  2.3、YF4-250冷却器的运行噪音为68分贝,而YF-120冷却器运行噪音83.3分贝,因此更换冷却器后可有效地降低变压器运行时的噪音。
  2.4、原11台YF-120冷却器同时运行时,冷却器的总损耗为50.6KW。改造后5台YF4-250冷却器同时运行时,冷却器的总损耗为30KW。如按年平均运行7200小时,则每年可节电(50.6-30)X7200=118320kWh。
  2.5、由于YF-120冷却器的实际冷却容景小,需要选用11台,冷却器支架主导油管为φ150mm,在冷却系统共有36个900弯。所有法兰连接处全为硬连接。而YF4-250冷却器的实际冷却容量大,只需6台,冷却器支架主导油管为φ200mm,在冷却系统共有12个900弯,所有冷却器法兰连接处全为不锈钢波纹管连接,为了消除变压器运行中的震动和金属膨缩的应力。这样减少了占地面积,减少了主导油管路的900直角弯,减少了油在管路中的阻力,增加了油循环总量。减少了死油区,不仅仅是降低变压器的温升且改造后的总体外观效果好,安全运行可靠性增强。
  2.6、一台YF-120冷却器使用4台风机、一个净油罐,由冷却器至主导油管共有12个密封面,11台冷却器共有132个密封面,44台风机。一台YF4-250冷却器使用2台风机,由冷却器至主导油管共有8个密封面,6台冷却器共有48个密封面,12台风机。因此,改造后减少了5台潜油泵、5台油流继电器、32台风机、84个密封面。减少了渗油点,减少了检修工人的劳动强度,降低了附件的故障率。
  2.7、YF-120冷却器采用的是一般铸铁泵,在运行时会产生金属粉末,轴承、电机的转子与定子产生的金属粉末在油泵的自循环油路中,油泵叶轮与泵壳摩擦产生的金属粉末则变压器的主油路中。要减少金属粉末的产生,最好是降低油泵的转数。采用六级(或四级)低扬程的电机与优质轴承,电机部分不易磨损,而老式YF-120冷却器设计结构为双回路,必须采用高转数泵,应该讲对变压器的安全运行是一大隐患。而YF4-250冷却器采用六级盘式油泵转速930r/min,符合国电公司2000.9.28颁布25项反事故重大要求。
  2.8、YF-120冷却器的散热管采用钢翅片结构,且散热管排布很密,风机的风压又小,时间长钢翅片间会生锈结垢。外边的散热管可以冲洗,里边冲洗不到风压又小散热量小,冷却器结构为多回路本身冷热油在内部热辐射,散热不好造成冷却容量不够,而YF4-250冷却器散热管采用450分布,透气性良好,散热管采用钢铝复合管不易生锈结垢。风机风压又大,冷却器结构为单回路,因此散热的效果好。
  3、在冷却器系统的连接管路中取消900直角弯,减少油流的阻力。根据现在变压器设计规则加大主导油管的管径,加装不锈钢波纹管消除各种应力,以便控制油流速,保证器身中的油循环量,更好地控制绕 组温升。降低噪音,延长变压器的使用寿命。
  4、在冷却系统的电气控制回路中。原冷却系统的电气拉制回路中,配置的都是国产元件,故障率高,若主控制箱出问题,对变压器的温升影响很大,且很多元器件的生产厂已停产,是安全生产的一大隐患;采用11台风冷却器,控制回路多,分控箱也多。故障率就高,也是一大安全隐患。因夏季环境温度高,建议不采用PLC控制,PLC受环境温度影响大,性能不稳定,而仍采用传统的进口件组成的控制柜。经以上的综合经济、技术分析。对变压器冷却器的改造及缺陷处理,从能使变压器的顶层油温有明显的降低且事故率低,增加了密封性能,减少了渗漏点,延长变压器的使用寿命、减少变压器的突发事故率、延长大修周期、降低噪音、保护环境、文明生产等方面都有重要的意义。
  
  三、冷却器的选用方案
  
  选用冷却器要根据变压器的空载损耗、负载损耗、冷却器的安装位置、地区的气候情况、管路油阻力、平均油温升及铜油温差。
  空载损耗(P0):变压器在额定频率的额定电压下空载时。从电源汲取的有功功率称为额定空载损耗。公式为P0=KO Pt Gt
  负载损耗(Pf):在一对绕组中,当额定电流(分接电流)流经一个绕组的线路端子,且另一绕组短路时,在额定频率及参考温度下,所汲取的有功功率。此时其他绕组开路。
  公式为Pf=Kr S2 G+Pfj
  负载损耗(Pf)包括一对绕组的电阻损耗和附加损耗。而附加损耗中包括绕组涡流损耗,并联导线的环流损耗、结构损耗和引线损耗。电阻损耗与温度成正比,附加损耗与温度成反比。
  温升:(△θu)对于空气冷却变压器是指测量部分的温度与冷却空气温度之差。
  油浸变压器绕组的平均温升、顶层油温升、铁心、绕组外部的电气连接线或油箱中的结构件的温升不得超过下表。
  油浸式电力变压器绕组和顶层油温升限值是这样计算得的:
  设A级绝缘在98℃时绝缘老化为正常老化,保证变压器正常寿命的年平均气温为20℃,绕组的最热点温度与其平均温度之差为13K。如此得绕组的平均温升为:△θu=98-20-13=65K变压器正常运行的最高温度为95℃,最高气温为40℃,所以顶层油温升为:95-40=55K高海拔和高温地区温升限值的校正安装场所海拔高于1000m,而试验场地低于1000m,风冷式变压器(AF)应按海拔每增加250m降低IK来计算。反之作相应的增加值进行校正。
  安装场所的气温。最热月的平均温度超过+30℃或年平均温度超过+20℃时,变压器的温升应按超过部分的值减少。
  经计算1#主变在各种运行方式下相应的损耗值及相应冷却器台数如下表:
  按最大的一对绕组总损耗计算选用冷却器公式:N≥1.15 x(PO+Pf)/Q+1,根据上列公式最大总损耗为1070kW,选用YF4-250冷却器,N≥1.15×1070/250+1,N≥5.92,冷却器选用取整数N=6。理论计算选用6台YF4-250冷却器完全可以满足技术代号为主变的安全运行,为更好地满足安全运行需要选用6台冷却器。
  YF4-250冷却器的技术参数如下表:
  1、按平均油温升和油流量来分析一下选用6台YF4-250冷却器能否满足主变的正常满负荷运行,根据国家标准顶层油温限值为+95℃。环境的大气温度为+40℃时。对于强油循环风冷却方式的变压器,为了保证绕组最热点温度不超过98℃,实际顶层油温升则不应超过40K。根据国际电工委员会推荐的计算方法:绕组的最热点温度=顶层油温升+绕组最热点与油顶层的温差+年平均气温=40℃+38℃+20℃=98℃。所以强油冷却变压器的顶层油温升定为40K,如按标准55K控制绕组最热点温度将会大于98℃。运行部门如控制油顶层温度为85℃以下时,基本上可保证绕组最热点温度为98℃。我们选用75℃时计算:平均油温升(△t)为75-40=35K。根据中国原子能科学研究院对YF4-250冷却器的容最曲线试验报告,△t=35K、油循环量(G)为100 m3/h,考虑冷却器容量试验误差在±5%以内,冷却器的实际冷却容量在5%时为245×95%=230kW,5台冷却器运行冷却容量为1163kW,完全可以满足#1主变总损耗为1070kW正常运行要求。
  原老式YF-120冷却系统主导油管φ150mm,支导油管φ80mm总计11根。理论计算按11台冷却器投运油循环总量440m3/h(0.122m3/s),在支导油管中流速2.22m/s,5.1分钟主变的油循环一周。冷却系统900弯多达60个,由于变压器油泵为离心式的,因管路阻力增大油循环量减少,实际上还不止5分钟因此温升高。新冷却系统主导油管采用φ200mm,支导油管φ150mm,理论计算按5台冷却器投运油循环总量675m3/h(0.19m3/s),在支导油管中流速2.15m/s,3.4分钟主变的油循环一周,冷却系统900弯减少为12个,死油区减少,由于变压器油泵为离心式的,因管路阻力减少油循环量增大,实际上还要少3.4分钟因此温升降低。通过改造油循环量增加了235 m3/h,流速降低,不仅整体效果好,安全可靠性得到了增强。
  2、按环境恶劣条件分析,大气温度超过+43℃,管路油阻力增加1个900弯管,管路阻力增大相当于在直管流经10米,如△t=32K、G=80 m3/h。冷却器仍出力240 ×95%=228kW,5台运行应满足主变要求。
  3、我们再考虑铜油温差,65K=平均油温升(△t)+铜油温差(△Q)铜油温差为20-35K,最低的平均油温升为65-35=30K,冷却器仍出力235kW。
  4、按现场安装考虑,技术代号为IET.710.1080.5主变冷却器的安装位置,满足国标集中冷却器的进风面至建筑物的距离大于1200mm以上的要求。
  5、按附件配置考虑,风机和油泵完全可以满足散热量的要求,依ZBK41007-89标准当空气流速为6m3/s、油流量为25-40m3/h时可散热1000W/m2左右。而YF4-250冷却器净散热面355m2,风流量为1300m3/min,油流量为110m3/h,油泵和风机的配置完全可以满足要求。根据以上计算应采用YF4-250冷却器6台(其中一台备用)。研究认为6台YF4-250冷却器完全可以保证#1变压器长期满负荷安全运行。
  附:冷却器改造前后的技术参数对比YF一120冷却器的技术参数如下:
  本文仅以1号主变压器为例对比分析了冷却系统改造的安全经济性。实际上3、4号主变压器冷却器组数尽管比1号主变多出一组。每年夏季仍然出现变压器本体上层油温过高的现象,如果能对其冷却系统进行改造,无论是检修维护还是经济运行更有可观的效益。
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