0引言

抽水蓄能電站作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分,在電網(wǎng)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相以及事故備用等方面發(fā)揮著不可替代的作用。 主變作為抽水蓄能電站的核心設(shè)備之一,其安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)電站的可靠供電能力。主變壓器在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量熱量,必須通過冷卻系統(tǒng)及時(shí)散熱,以保證變壓器的正常運(yùn)行和使用壽命。

目前,大多數(shù)抽水蓄能電站的主變均采用強(qiáng)迫油循環(huán)水冷(OFWF)方式,通過冷卻器對變壓器油進(jìn)行循環(huán)冷卻。在這種冷卻系統(tǒng)中,冷卻器的啟停邏輯對變壓器的運(yùn)行效率、能耗以及設(shè)備壽命都有著重要影響。然而,傳統(tǒng)啟停邏輯存在冷卻器頻繁投切、設(shè)備磨損加劇、能耗上升等問題,尤其是在機(jī)組運(yùn)行過程中,此類現(xiàn)象更為突出[1]。本研究以某抽水蓄能電站主變冷卻系統(tǒng)為對象,針對原有啟停邏輯存在的問題,提出將“油溫高二段啟動(dòng)兩臺輔助冷卻器”調(diào)整為“油溫高一段啟動(dòng)一臺輔助冷卻器”的優(yōu)化方案,以降低設(shè)備啟停頻次、減輕磨損并提升經(jīng)濟(jì)性。通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的對比分析,驗(yàn)證了該方案的有效性與實(shí)用性。

1 主變壓器冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1.1 主變壓器冷卻系統(tǒng)基本情況及現(xiàn)有啟停邏輯

以某抽水蓄能電站為例,主變壓器為500kV、360 MVA強(qiáng)迫油循環(huán)水冷式,型式為戶內(nèi)、三相、油浸、銅線、雙繞組、帶無載調(diào)壓分接開關(guān)。變壓器具有升壓、降壓兩種正常運(yùn)行工況,高低壓側(cè)連接組別為YNd11,其中性點(diǎn)采用直接接地方式。主變采用強(qiáng)迫油循環(huán)水冷的冷卻方式,每臺主變有4臺冷卻器[2]。冷卻器采用雙層銅管結(jié)構(gòu)防止油水相互滲漏,冷卻器運(yùn)行通過主變冷卻器控制PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制[3]。

空載狀態(tài)下,冷卻器按“1232、2123、3212、2321”順序循環(huán)切換,其中1代表工作位、2為輔助位、3為備用位,每運(yùn)行10000 min自動(dòng)切換一次。當(dāng)高壓側(cè)繞組溫度達(dá)80℃或油面溫度達(dá)55℃時(shí),投入兩臺輔助冷卻器;當(dāng)高壓側(cè)繞組溫度降至75℃且油面溫度降至50℃時(shí),輔助冷卻器退出[4]。備用冷卻器在其他冷卻器發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)投入[5]。

1.2 現(xiàn)有邏輯存在的問題

通過對該抽水蓄能電站主變壓器冷卻器運(yùn)行情況的長期觀察和數(shù)據(jù)分析,原有啟停邏輯存在以下幾個(gè)主要問題:

1)冷卻器頻繁啟停:在機(jī)組運(yùn)行過程中,特別是在負(fù)荷波動(dòng)較大的情況下,油溫容易在高二段設(shè)定值附近波動(dòng),導(dǎo)致輔助冷卻器頻繁啟停。這種頻繁啟停不僅增加了能耗,還會加速冷卻器部件的磨損。

2)設(shè)備損壞率高:冷卻器頻繁啟停,油泵和啟動(dòng)接觸器等關(guān)鍵部件承受了較大的電流沖擊和機(jī)械應(yīng)力,導(dǎo)致這些部件的損壞率較高。 據(jù)統(tǒng)計(jì),該電站主變壓器冷卻器的缺陷率為每月1~2次,主要表現(xiàn)為油泵故障和接觸器損壞。

3)油溫控制不夠精確:原有的油溫高二段啟動(dòng)邏輯在油溫接近設(shè)定值時(shí)易出現(xiàn)“振蕩”現(xiàn)象,即冷卻器頻繁啟停而油溫波動(dòng)不大,這不僅影響冷卻效果,還增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素。

4)能耗較高:冷卻器頻繁啟停,特別是在油溫接近高二段設(shè)定值時(shí),兩臺輔助冷卻器可能同時(shí)運(yùn)行較長時(shí)間,導(dǎo)致整體能耗較高。

上述問題不僅增加了電站的維護(hù)成本和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),還可能影響主變壓器的長期穩(wěn)定運(yùn)行,因此有必要對現(xiàn)有的冷卻器啟停邏輯進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1.3 變壓器溫升與冷卻機(jī)理分析

主變壓器的熱量主要來源于繞組和鐵芯的損耗。繞組損耗(銅損)與負(fù)載電流的平方成正比,鐵芯損耗(鐵損)則與電壓和頻率有關(guān)。這些熱量傳遞到變壓器油中,導(dǎo)致油溫升高。油溫的變化是一個(gè)具有慣性的滯后的熱動(dòng)態(tài)過程,其變化速率和穩(wěn)態(tài)溫度與負(fù)荷率、環(huán)境溫度、冷卻器效能等因素呈非線性關(guān)系。

強(qiáng)迫油循環(huán)水冷系統(tǒng)的散熱效能取決于油泵流速、冷卻水流量和溫差。傳統(tǒng)的“雙點(diǎn)雙臺”啟停邏輯僅在溫度達(dá)到上限時(shí)才投入大量冷卻容量,是一種被動(dòng)、滯后的控制方式,極易在熱平衡點(diǎn)附近引起系統(tǒng)振蕩,導(dǎo)致冷卻器頻繁動(dòng)作。基于熱電類比理論,可將該熱系統(tǒng)等效為一階慣性環(huán)節(jié),其時(shí)間常數(shù)較大。因此,通過提前干預(yù)、分級控制的策略,在溫升初期即投入部分冷卻容量,可以平滑溫度變化曲線,有效避免溫度沖高并減少系統(tǒng)振蕩,這正是本次優(yōu)化方案的核心理論依據(jù)。

2冷卻器啟停邏輯優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

2.1優(yōu)化思路與目標(biāo)

2.1.1優(yōu)化思路

基于熱電類比理論,主變油溫變化與負(fù)荷率呈非線性關(guān)系,提前介入冷卻可避免溫度“沖頂”。參考GB/T1094.2—2013《電力變壓器 第2部分:液浸式變壓器的溫升》[4]中“分級冷卻”原則,將現(xiàn)有“單閾值雙臺啟動(dòng)”優(yōu)化為“雙閾值分級啟動(dòng)”,即:

1)啟動(dòng)邏輯:

油溫高一段(T1=50℃)或繞組溫度高一段(T2=75℃):啟動(dòng)一臺輔助冷卻器(提前干預(yù),抑制溫升速率)。

油溫高二段(T3=55℃)或繞組溫度高二段(T4=80℃):再啟動(dòng)一臺輔助冷卻器(極限工況保障)。

2)停運(yùn)邏輯:

當(dāng)油溫降至T1—ΔT(ΔT=2℃ ,即48℃)時(shí)停運(yùn)一臺輔助冷卻器。

當(dāng)油溫降至To(正常油溫,To<45℃)且繞組溫度低于70℃時(shí),停運(yùn)全部輔助冷卻器。

3)防頻繁啟停措施:

增設(shè)啟停防抖延時(shí)功能:當(dāng)油溫達(dá)到啟動(dòng)或停止條件時(shí),延遲10 s后再執(zhí)行相應(yīng)操作,避免因油溫瞬間波動(dòng)導(dǎo)致的誤動(dòng)作。

增加冷卻器啟動(dòng)間隔時(shí)間:各冷卻器的啟動(dòng)時(shí)間間隔至少為30 s,避免多臺冷卻器同時(shí)啟動(dòng)造成的電流沖擊。

4)輪換機(jī)制:保持原有的“1232”循環(huán)輪換策略,確保各冷卻器運(yùn)行時(shí)間均衡,延長整體壽命。

2.1.2優(yōu)化目標(biāo)

1)減少冷卻器啟停次數(shù):通過提前啟動(dòng)輔助冷卻器,使油溫在較低的階段就得到控制,避免油溫在高二段設(shè)定值附近波動(dòng),從而減少冷卻器的頻繁啟停。

2)降低設(shè)備損壞率:減少冷卻器的啟停次數(shù),降低油泵和接觸器等部件的磨損,延長設(shè)備使用壽命,降低缺陷率。

3)提高油溫控制精度:通過優(yōu)化后的邏輯,使油溫控制更加平穩(wěn),減少油溫波動(dòng),提高變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4)降低能耗:合理控制冷卻器的運(yùn)行時(shí)間和數(shù)量,在保證冷卻效果的前提下,降低整體能耗。

2.2 邏輯實(shí)現(xiàn)方式

為了實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)化后的冷卻器啟停邏輯,需要對原有的控制系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)能浖墶＞唧w實(shí)現(xiàn)方式如下:

1)在軟件編程方面,首先需要編寫新的控制程序,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化后的冷卻器啟停邏輯。新程序采用模塊化設(shè)計(jì),包括溫度采集模塊、邏輯判斷模塊、設(shè)備控制模塊和故障診斷模塊等,確保系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。同時(shí),增加人機(jī)交互界面,提供豐富的監(jiān)控和操作功能,方便運(yùn)行人員實(shí)時(shí)監(jiān)控冷卻器的運(yùn)行狀態(tài)。此外,完善數(shù)據(jù)記錄和存儲功能,系統(tǒng)自動(dòng)記錄冷卻器的啟停次數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、溫度變化等數(shù)據(jù),并生成運(yùn)行報(bào)表,為后續(xù)的運(yùn)行分析和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

2)在控制策略方面,采用基于PLC的智能控制策略,實(shí)現(xiàn)冷卻器的自動(dòng)化運(yùn)行。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集變壓器油溫和繞組溫度,根據(jù)預(yù)設(shè)的控制邏輯自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻器的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí),增強(qiáng)故障診斷和預(yù)警功能,系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測冷卻器運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理異常情況,如油泵過載、電機(jī)故障等,確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3優(yōu)化方案效果驗(yàn)證

3.1優(yōu)化前后效果對比分析

根據(jù)采集的數(shù)據(jù),對優(yōu)化前后的冷卻器運(yùn)行效果進(jìn)行了詳細(xì)對比分析,結(jié)果如下:

3.1.1油溫控制效果對比

1)優(yōu)化前,變壓器在高負(fù)荷時(shí)段高壓側(cè)繞組經(jīng)常達(dá)到或超過80℃ ,油溫經(jīng)常達(dá)到或超過55℃ ,且在50~55 ℃波動(dòng)較大,這種大幅度的溫度波動(dòng)不僅影響設(shè)備的絕緣性能,還加速了絕緣材料的老化過程。

2)優(yōu)化后,通過在油溫50℃時(shí)及時(shí)啟動(dòng)一臺輔助冷卻器,實(shí)現(xiàn)了溫度的提前控制。油溫基本控制在50~55℃ ,波動(dòng)范圍明顯減小,且很少達(dá)到55℃的高二段。

具體油溫對比曲線如圖1所示。

3.1.2冷卻器啟停次數(shù)對比

1)優(yōu)化前,在一個(gè)典型的晚高峰發(fā)電運(yùn)行時(shí)段,輔助冷卻器平均啟停次數(shù)為2~4次。

2)優(yōu)化后,同樣的負(fù)荷條件下,輔助冷卻器的平均啟停次數(shù)降至1~2次,減少了約50%。

優(yōu)化前后啟停次數(shù)對比如表1所示。

3.1.3設(shè)備運(yùn)行狀況對比

1)優(yōu)化前,冷卻器平均每季度發(fā)生故障3~5次,主要表現(xiàn)為油泵故障和接觸器損壞,這些故障不僅影響冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行,還增加了維護(hù)成本和工作量。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,每年因冷卻器故障導(dǎo)致的維護(hù)費(fèi)用約為15萬元。

2)優(yōu)化后,冷卻器故障明顯減少,平均季度故障次數(shù)降至0.5次左右,減少了83%~90%。

表2詳細(xì)列出了優(yōu)化前后各類故障的發(fā)生次數(shù)對比,可以看出各類故障都有顯著減少。

3.2 經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析

本次優(yōu)化僅涉及PLC程序修改,無新增硬件投資,改造成本極低,但其帶來的經(jīng)益顯著。

1)節(jié)能效益:單臺輔助冷卻器組(含油泵、風(fēng)扇)功率約為15 kw。優(yōu)化后,避免了兩臺冷卻器在臨界點(diǎn)長時(shí)間同時(shí)運(yùn)行的模式,轉(zhuǎn)為單臺冷卻器在更長時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行。雖單臺運(yùn)行時(shí)間有所增加,但總體能耗顯著下降。經(jīng)估算,年均可節(jié)省電量約3萬kw.h,折合電費(fèi)約1.8萬元[按0.6元/(kw.h)計(jì)算]。

2)維護(hù)效益:年維護(hù)費(fèi)用從15萬元降至約3萬元,年均節(jié)省維護(hù)費(fèi)用12萬元。

3)綜合效益:綜上,年均創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益約13.8萬元,投資回收期幾乎為零。

4)環(huán)保效益:年節(jié)電3萬kw.h等效于減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗約9.6 t,減少二氧化碳排放約23.9 t,具有良好的環(huán)保效益,契合綠色電站的發(fā)展理念。

4 結(jié)論與展望

通過實(shí)施“油溫高一段啟動(dòng)一臺輔助冷卻器”的分級控制策略,有效解決了抽水蓄能電站主變冷卻器頻繁啟停問題。現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐表明,該優(yōu)化方案取得了顯著成效:

1)運(yùn)行穩(wěn)定性提升:優(yōu)化后冷卻器啟停次數(shù)減少約50%,油溫高二段觸發(fā)頻次降低90%,主變運(yùn)行穩(wěn)定性顯著提升;

2)經(jīng)濟(jì)性與可靠性增強(qiáng):設(shè)備故障次數(shù)與能耗降低,絕緣老化速率減緩,預(yù)計(jì)可延長主變壽命5~8年,系統(tǒng)運(yùn)行更加節(jié)能環(huán)保,符合當(dāng)前綠色電站的發(fā)展理念;

3)實(shí)施簡便且推廣性強(qiáng):邏輯實(shí)現(xiàn)無須新增硬件,僅通過PLC程序修改即可完成,改造成本低、適用性強(qiáng),具有重要的工程實(shí)踐價(jià)值。

展望未來,建議在以下方面進(jìn)一步深入研究:首先,可以結(jié)合智能溫控系統(tǒng),引入人工智能算法(如時(shí)間序列預(yù)測、強(qiáng)化學(xué)習(xí)),建立負(fù)荷—油溫變化預(yù)測模型,實(shí)現(xiàn)冷卻器的自適應(yīng)投切控制,進(jìn)一步提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性;其次,可探索將冷卻系統(tǒng)納入電站綜合智慧能源管理平臺,實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化。

總之,本次優(yōu)化改造,不僅解決了實(shí)際運(yùn)行中的突出問題,還為抽水蓄能電站的智能化、精益化運(yùn)行管理提供了有益經(jīng)驗(yàn),對推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。

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《機(jī)電信息》2025年第23期第4篇