摘 要: 介紹某電廠 500 kV 三相一體1 210 MV·A雙管水冷變壓器的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)解析雙管水冷技術(shù)在變壓器油冷卻器的應(yīng)用，提升大型變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，同時(shí)減少了大型變壓器的運(yùn)行維護(hù)工作量。
某電廠 2 × 1 050 MW 超超臨界燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組，全面采用集約化布置，將 500 kV GIS( 高壓配電裝置) 與主變、高廠變、啟備變等合并布置于主廠房?jī)?nèi)，并shou次采用國(guó)產(chǎn)500 kV 三相一體1 210 MV·A雙管水冷主變壓器和智能 GIS 站，節(jié)約了投資，噪聲小。該變壓器從 2015 年 1 月帶電運(yùn)行，已累計(jì)運(yùn)行15 000 h 左右，運(yùn)行安全，穩(wěn)定可靠，運(yùn)行維護(hù)工作量少。
1 雙管水冷三相一體變壓器參數(shù)
該廠采用集約化布置，在汽機(jī)房 A 排柱外擴(kuò)展2 排鋼柱，形成披屋，把 1 #、2 #機(jī)組的 2 臺(tái)容量為1 210 MV·A的 500 kV 主變、2 臺(tái)容量為 74 MV·A的 27 kV 高廠變和 1 臺(tái)容量為 74 MV·A 的 500 kV啟備變?nèi)坎贾迷谂輧?nèi)，工作環(huán)境較室外敞放干凈，而且節(jié)約占地面積。披屋外墻采用鋼結(jié)構(gòu) + 鐵紗窗，便于通風(fēng)換氣。容量為 74 MV·A 的高廠變和啟備變各采用 5 組風(fēng)冷卻器，同時(shí)在變壓器上方加裝 2 臺(tái)屋頂風(fēng)機(jī)，夏季可以開(kāi)啟屋頂風(fēng)機(jī)加強(qiáng)換熱，保證高廠變和啟備變油和繞組溫升不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，頂層油溫度#大 75 ℃。
水的比熱容是 4． 2 kJ /( kg·K) ，空氣的比熱容約是 1． 4 kJ /( kg·K) ，也就是說(shuō)常溫下水每升高或降低 1 ℃，吸收或放出的熱量是空氣的 3 倍。所以，采用水冷卻器的換熱效果好，而且采用水冷卻器可以比同容量的風(fēng)冷卻器體積更小，占地面積更省。所以，該廠1 210 MV·A的 500 kV 主變采用雙管式水冷卻器( 具體參數(shù)見(jiàn)表 1) ，并一體化布置在披屋內(nèi)，不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且克服了風(fēng)冷卻器噪聲大的弊端，有利于環(huán)境降噪。
2 雙管換熱器的優(yōu)點(diǎn)
管殼式換熱器分為單管換熱器和雙管換熱器。
單管換熱器只有一根管，管子內(nèi)外側(cè)流過(guò)不同的介質(zhì); 雙管換熱器采用內(nèi)外雙層管，內(nèi)管和外管中流過(guò)不同的介質(zhì)，內(nèi)外管之間有空隙。一般情況下，管殼式換熱器的換熱管與管板連接處通常是換熱器容易泄漏的地方。
單管換熱器因管側(cè)和殼側(cè)兩種不同介質(zhì)的壓力、溫度波動(dòng)或突然投停，往往會(huì)使管子與管板連接處因熱疲勞而產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而發(fā)生不同程度的泄漏。特別對(duì)于油浸式變壓器，采用的是單管水冷卻器，為防止冷卻器泄漏，冷卻器通常要求水壓低于油壓0． 2 MPa，只允許泄漏的油進(jìn)入水中，不污染油質(zhì)，不威脅變壓器安全。但要滿足油壓高于冷卻水壓0． 2 MPa 條件，必然增大潛油泵的揚(yáng)程，這反而限制了單管水冷卻器的應(yīng)用。
雙管板式換熱器的換熱管與管板連接處也存在熱疲勞，所以雙管板式換熱器也不能從根本上消除泄漏。但由于它采用雙管結(jié)構(gòu)，雙管之間布置金屬內(nèi)螺紋管狀的小毛細(xì)管通道，熱量通過(guò)金屬內(nèi)螺紋傳導(dǎo)，保證了換熱效果，同時(shí)內(nèi)管和外管泄漏的介質(zhì)可以通過(guò)內(nèi)螺紋小毛細(xì)管通道自然下流到兩管板之間的集液盤，既能防止內(nèi)管漏出的冷卻水混入變壓器油中，也能防止外管漏出的變壓器油混入冷卻水中。這對(duì)變壓器油和冷卻水都起到保護(hù)作用，有效地避免了單管換熱器泄漏，冷卻水混入變壓器油中，威脅變壓器安全。同時(shí)，雙管換熱器運(yùn)行中，冷卻水的壓力不受油壓的限制，水壓可以高達(dá) 1 MPa，提高冷卻水流速，進(jìn)一步減少冷卻面積和縮小換熱器尺寸。
雙管換熱器由管束、管箱和殼體等組成，換熱管為 U 形 管，管側(cè)介質(zhì)為冷卻水，殼側(cè)介質(zhì)為變壓器油。
外管板在上，內(nèi)管側(cè)管板在下，兩層管板之間的間距內(nèi)為集液盤，通過(guò)塑膠管，將滲漏液引入底部的油水探測(cè)器，監(jiān)視冷卻器泄漏情況。
3 WKDS 630Ex 雙管水冷卻器的結(jié)構(gòu)和工作原理
3． 1 變壓器油水冷卻系統(tǒng)
該變壓 器 冷 卻 裝 置 采 用 德 國(guó) GEA 生 產(chǎn) 的WKDS 630Ex 水冷卻器和保定鑫諾翔生產(chǎn)的智能水冷控制柜，采用 5 組冷卻器，變壓器正常運(yùn)行中，三組運(yùn)行、一組輔助、一組備用。工作原理: 油側(cè)用潛油泵把變壓器熱油從上部輸送到冷卻器外管冷卻，溫度降低，熱油變?yōu)槔溆停購(gòu)睦鋮s器下部流回變壓器; 水側(cè)冷水經(jīng)過(guò)冷卻器 U 型內(nèi)管換熱，水升溫后再流走。油水兩種介質(zhì)各自不斷循環(huán)，通過(guò)冷卻器的內(nèi)管和外管進(jìn)行熱交換，達(dá)到冷卻變壓器油的目的。
每組冷卻器冷卻水進(jìn)口設(shè)有濾網(wǎng)、水流量計(jì)、電動(dòng)門和手動(dòng)門; 每組冷卻器油側(cè)設(shè)計(jì)有潛油泵、油流量計(jì)和手動(dòng)門。冷卻器油側(cè)左右熱油和冷油支管分別設(shè)有溫度表和溫度變送器，水側(cè)進(jìn)出口母管設(shè)有溫度表、壓力表和溫度變送器，油水溫度送冷控柜作為控制用，還可以送 DCS( 分布式控制系統(tǒng)) 遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)監(jiān)視。運(yùn)行中，智能水冷控制柜通過(guò) PLC( 可編程控制器) 直接控制冷卻器進(jìn)水電動(dòng)門的開(kāi)關(guān)和潛油泵的啟停，同時(shí)完成冷卻器水側(cè)和油側(cè)的投運(yùn)。變壓器油水冷卻系統(tǒng)原理圖如圖 1 所示。
3． 2 雙管水冷卻器的工作原理
該雙管水冷卻器管束有內(nèi)外雙管和雙層管板。為探測(cè)冷卻器滲漏情況，將冷卻器的滲漏通路和一個(gè)小收集盒( 滲漏控制器) 連在一起。在滲漏控制器內(nèi)部，用螺絲把一個(gè)磁性浮標(biāo)開(kāi)關(guān)連在接收器上，當(dāng)接觸有變化，哪怕是出現(xiàn)幾立方厘米的滲漏就會(huì)報(bào)警。雙管冷卻器原理結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
冷卻器采用內(nèi)外管雙管結(jié)構(gòu)，內(nèi)外管同心布置，內(nèi)外管緊密貼緊。內(nèi)管內(nèi)外壁光滑，外管內(nèi)外壁成螺紋狀。外管為紫銅管，外管外壁是短小的換熱翅片，做成外螺紋，與油路接觸，利于散熱; 內(nèi)管為不銹鋼管，內(nèi)管內(nèi)壁與水路接觸。內(nèi)外管之間的泄漏通道呈內(nèi)螺紋狀，便于將外漏的水或內(nèi)漏的油順著螺紋流入底部集液盤和油水探測(cè)器。雙管原理結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。
內(nèi)外管采用高壓水脹接工藝，外管內(nèi)壁和內(nèi)管外壁緊密貼合，讓內(nèi)管和外管有效地接觸，達(dá)到高效的換熱效果，同時(shí)外管內(nèi)壁有泄漏通道，既不影響導(dǎo)熱接觸面，又不阻礙泄漏液體的流出。
雙層管板是油側(cè)管板和水側(cè)管板，油側(cè)管板與外管脹接，水側(cè)管板與內(nèi)管脹接。雙層管板之間的集液盤用來(lái)安裝泄漏報(bào)警儀取樣管。
雙管冷卻器出廠壓力試驗(yàn): 水側(cè)水壓試驗(yàn)，壓力1． 5 MPa，維持 0． 5 h 無(wú)滲漏; 油側(cè)油壓試驗(yàn)，油溫70 ℃，油壓 0． 5 MPa，維持 6 h 無(wú)滲漏。
4 雙管水冷卻器的控制
該雙管水冷卻器采用智能型變壓器水冷控制柜，PLC、觸摸屏。每組冷卻器均有工作、輔助、停止和備 用 4 種 運(yùn) 行 模 式，可以在運(yùn)行中定期輪換。“輔助”冷卻器按變壓器上層油溫65 ℃ 和 70% 額定負(fù)荷自動(dòng)投切。“備用”冷卻器在“工作”冷卻器故障跳閘或“輔助”冷卻器不能自動(dòng)投入時(shí)，自動(dòng)投入運(yùn)行。水冷控制柜設(shè)有雙路動(dòng)力電源，Ⅰ、Ⅱ路動(dòng)力電源可以在運(yùn)行中自動(dòng)定期輪換。故障報(bào)警可以遠(yuǎn)傳、顯示和存儲(chǔ)。
水冷卻器故障包括油流中斷、水流中斷、泄漏故障、油泵過(guò)載故障、冷卻器水壓超限和電動(dòng)閥故障。其中出現(xiàn)水流中斷和泄漏故障時(shí)，延時(shí) 5 s 發(fā)出相應(yīng)的冷卻器故障信號(hào)，并切除故障冷卻器。出現(xiàn)油泵過(guò)載故障時(shí)，延時(shí) 200 ms 發(fā)出相應(yīng)的冷卻器故障信號(hào)，并切除故障冷卻器。變壓器運(yùn)行中出現(xiàn)冷卻器全停故障經(jīng)延時(shí) 3 s 發(fā)出報(bào)警，若變壓器油溫已達(dá) 75 ℃，20 min 后發(fā)出事故跳閘信號(hào); 若油溫未達(dá)75 ℃，負(fù)載#長(zhǎng)不超過(guò) 1 h、空載#長(zhǎng)不超過(guò) 2 h 發(fā)出事故跳閘信號(hào)。冷卻水高低流量報(bào)警時(shí)，根據(jù)投入冷卻器的臺(tái)數(shù)自動(dòng)確定冷卻水流量的高低限。變壓器帶載運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟“工作”水冷卻器進(jìn)水電動(dòng)閥，啟動(dòng)潛油泵。變壓器退出運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉所有冷卻器進(jìn)水電動(dòng)閥和停運(yùn)潛油泵。
雙管水冷卻器運(yùn)行維護(hù)注意事項(xiàng)
雙管水冷卻器運(yùn)行維護(hù)注意事項(xiàng)有以下幾點(diǎn):
①在北方霜凍危險(xiǎn)期，水流量應(yīng)減少，以防止冷卻器結(jié)凍; ② 每組冷卻器的水流量不得超過(guò)設(shè)計(jì)值71 m3 / h; ③水側(cè)#大工作壓力不得超過(guò) 1 MPa，油側(cè)#大工作壓力不得超過(guò) 0． 5 MPa; ④定期檢查進(jìn)水濾網(wǎng)，清洗雜質(zhì)，并根據(jù)冷卻水水質(zhì)情況檢查冷卻器水側(cè); ⑤定期檢查水流開(kāi)關(guān)和油流開(kāi)關(guān)動(dòng)作和指示是否正常; ⑥定期檢查軸流式潛油泵聲音、溫度是否正常; ⑦定期檢查泄漏測(cè)試儀有無(wú)積液或?qū)Я鞴苡袩o(wú)雜質(zhì); ⑧檢查油水系統(tǒng)密封件有無(wú)滲漏。
6 雙管水冷三相一體變壓器運(yùn)行情況
1) 該廠雙機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，主變水冷卻器 4 組運(yùn)行、1 組備用。主變上層油溫#高 46． 8 ℃，繞組溫度#高 56． 1 ℃，變壓器運(yùn)行安全穩(wěn)定，運(yùn)行情況見(jiàn)表 2。
2) 該廠雙機(jī)處于夏季環(huán)境溫度#高，且大負(fù)荷
運(yùn)行時(shí)主變水冷卻器 4 組運(yùn)行、1 組備用。主變上層油溫#高 49． 2 ℃，繞組溫度#高 57． 1 ℃，變壓器運(yùn)行安全穩(wěn)定，運(yùn)行情況見(jiàn)表 3。
3) 該廠1 210 MV·A雙管水冷三相一體變壓器
已累計(jì)運(yùn)行 15 000 h，運(yùn)行安全穩(wěn)定，未發(fā)生冷卻器泄漏、冷卻水?dāng)嗔鳌⒂土髦袛嗟裙收蠄?bào)警。同時(shí)，采用室內(nèi)布置，工作環(huán)境干凈，可靠性高，廠界噪聲小，占地面積小，運(yùn)行維護(hù)工作量少，符合高效節(jié)能環(huán)保的產(chǎn)業(yè)政策，值得推廣應(yīng)用。
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