抽水蓄能电站主变压器冷却器启停逻辑优化研究

0引言

抽水蓄能电站作为电力系统中的重要组成部分,在电网调峰填谷、调频调相以及事故备用等方面发挥着不可替代的作用。 主变作为抽水蓄能电站的核心设备之一,其安全稳定运行直接关系到整个电站的可靠供电能力。主变压器在运行过程中会产生大量热量,必须通过冷却系统及时散热,以保证变压器的正常运行和使用寿命。

目前,大多数抽水蓄能电站的主变均采用强迫油循环水冷(OFWF)方式,通过冷却器对变压器油进行循环冷却。在这种冷却系统中,冷却器的启停逻辑对变压器的运行效率、能耗以及设备寿命都有着重要影响。然而,传统启停逻辑存在冷却器频繁投切、设备磨损加剧、能耗上升等问题,尤其是在机组运行过程中,此类现象更为突出[1]。本研究以某抽水蓄能电站主变冷却系统为对象,针对原有启停逻辑存在的问题,提出将“油温高二段启动两台辅助冷却器”调整为“油温高一段启动一台辅助冷却器”的优化方案,以降低设备启停频次、减轻磨损并提升经济性。通过实际运行数据的对比分析,验证了该方案的有效性与实用性。

1 主变压器冷却系统现状分析

1.1 主变压器冷却系统基本情况及现有启停逻辑

以某抽水蓄能电站为例,主变压器为500kV、360 MVA强迫油循环水冷式,型式为户内、三相、油浸、铜线、双绕组、带无载调压分接开关。变压器具有升压、降压两种正常运行工况,高低压侧连接组别为YNd11,其中性点采用直接接地方式。主变采用强迫油循环水冷的冷却方式,每台主变有4台冷却器[2]。冷却器采用双层铜管结构防止油水相互渗漏,冷却器运行通过主变冷却器控制PLC实现自动控制[3]。

空载状态下,冷却器按“1232、2123、3212、2321”顺序循环切换,其中1代表工作位、2为辅助位、3为备用位,每运行10000 min自动切换一次。当高压侧绕组温度达80℃或油面温度达55℃时,投入两台辅助冷却器;当高压侧绕组温度降至75℃且油面温度降至50℃时,辅助冷却器退出[4]。备用冷却器在其他冷却器发生故障时自动投入[5]。

1.2 现有逻辑存在的问题

通过对该抽水蓄能电站主变压器冷却器运行情况的长期观察和数据分析,原有启停逻辑存在以下几个主要问题:

1)冷却器频繁启停:在机组运行过程中,特别是在负荷波动较大的情况下,油温容易在高二段设定值附近波动,导致辅助冷却器频繁启停。这种频繁启停不仅增加了能耗,还会加速冷却器部件的磨损。

2)设备损坏率高:冷却器频繁启停,油泵和启动接触器等关键部件承受了较大的电流冲击和机械应力,导致这些部件的损坏率较高。 据统计,该电站主变压器冷却器的缺陷率为每月1~2次,主要表现为油泵故障和接触器损坏。

3)油温控制不够精确:原有的油温高二段启动逻辑在油温接近设定值时易出现“振荡”现象,即冷却器频繁启停而油温波动不大,这不仅影响冷却效果,还增加了系统的不稳定因素。

4)能耗较高:冷却器频繁启停,特别是在油温接近高二段设定值时,两台辅助冷却器可能同时运行较长时间,导致整体能耗较高。

上述问题不仅增加了电站的维护成本和运行风险,还可能影响主变压器的长期稳定运行,因此有必要对现有的冷却器启停逻辑进行优化改进。

1.3 变压器温升与冷却机理分析

主变压器的热量主要来源于绕组和铁芯的损耗。绕组损耗(铜损)与负载电流的平方成正比,铁芯损耗(铁损)则与电压和频率有关。这些热量传递到变压器油中,导致油温升高。油温的变化是一个具有惯性的滞后的热动态过程,其变化速率和稳态温度与负荷率、环境温度、冷却器效能等因素呈非线性关系。

强迫油循环水冷系统的散热效能取决于油泵流速、冷却水流量和温差。传统的“双点双台”启停逻辑仅在温度达到上限时才投入大量冷却容量,是一种被动、滞后的控制方式,极易在热平衡点附近引起系统振荡,导致冷却器频繁动作。基于热电类比理论,可将该热系统等效为一阶惯性环节,其时间常数较大。因此,通过提前干预、分级控制的策略,在温升初期即投入部分冷却容量,可以平滑温度变化曲线,有效避免温度冲高并减少系统振荡,这正是本次优化方案的核心理论依据。

2冷却器启停逻辑优化方案设计

2.1优化思路与目标

2.1.1优化思路

基于热电类比理论,主变油温变化与负荷率呈非线性关系,提前介入冷却可避免温度“冲顶”。参考GB/T1094.2—2013《电力变压器 第2部分:液浸式变压器的温升》[4]中“分级冷却”原则,将现有“单阈值双台启动”优化为“双阈值分级启动”,即:

1)启动逻辑:

油温高一段(T1=50℃)或绕组温度高一段(T2=75℃):启动一台辅助冷却器(提前干预,抑制温升速率)。

油温高二段(T3=55℃)或绕组温度高二段(T4=80℃):再启动一台辅助冷却器(极限工况保障)。

2)停运逻辑:

当油温降至T1—ΔT(ΔT=2℃ ,即48℃)时停运一台辅助冷却器。

当油温降至To(正常油温,To<45℃)且绕组温度低于70℃时,停运全部辅助冷却器。

3)防频繁启停措施:

增设启停防抖延时功能:当油温达到启动或停止条件时,延迟10 s后再执行相应操作,避免因油温瞬间波动导致的误动作。

增加冷却器启动间隔时间:各冷却器的启动时间间隔至少为30 s,避免多台冷却器同时启动造成的电流冲击。

4)轮换机制:保持原有的“1232”循环轮换策略,确保各冷却器运行时间均衡,延长整体寿命。

2.1.2优化目标

1)减少冷却器启停次数:通过提前启动辅助冷却器,使油温在较低的阶段就得到控制,避免油温在高二段设定值附近波动,从而减少冷却器的频繁启停。

2)降低设备损坏率:减少冷却器的启停次数,降低油泵和接触器等部件的磨损,延长设备使用寿命,降低缺陷率。

3)提高油温控制精度:通过优化后的逻辑,使油温控制更加平稳,减少油温波动,提高变压器运行的稳定性。

4)降低能耗:合理控制冷却器的运行时间和数量,在保证冷却效果的前提下,降低整体能耗。

2.2 逻辑实现方式

为了实现上述优化后的冷却器启停逻辑,需要对原有的控制系统进行适当的软件升级。具体实现方式如下:

1)在软件编程方面,首先需要编写新的控制程序,实现优化后的冷却器启停逻辑。新程序采用模块化设计,包括温度采集模块、逻辑判断模块、设备控制模块和故障诊断模块等,确保系统的可靠性和可维护性。同时,增加人机交互界面,提供丰富的监控和操作功能,方便运行人员实时监控冷却器的运行状态。此外,完善数据记录和存储功能,系统自动记录冷却器的启停次数、运行时间、温度变化等数据,并生成运行报表,为后续的运行分析和优化提供数据支持。

2)在控制策略方面,采用基于PLC的智能控制策略,实现冷却器的自动化运行。系统实时采集变压器油温和绕组温度,根据预设的控制逻辑自动调节冷却器的运行状态。同时,增强故障诊断和预警功能,系统能够实时监测冷却器运行状态,及时发现和处理异常情况,如油泵过载、电机故障等,确保系统安全运行。

3优化方案效果验证

3.1优化前后效果对比分析

根据采集的数据,对优化前后的冷却器运行效果进行了详细对比分析,结果如下:

3.1.1油温控制效果对比

1)优化前,变压器在高负荷时段高压侧绕组经常达到或超过80℃ ,油温经常达到或超过55℃ ,且在50~55 ℃波动较大,这种大幅度的温度波动不仅影响设备的绝缘性能,还加速了绝缘材料的老化过程。

2)优化后,通过在油温50℃时及时启动一台辅助冷却器,实现了温度的提前控制。油温基本控制在50~55℃ ,波动范围明显减小,且很少达到55℃的高二段。

具体油温对比曲线如图1所示。

3.1.2冷却器启停次数对比

1)优化前,在一个典型的晚高峰发电运行时段,辅助冷却器平均启停次数为2~4次。

2)优化后,同样的负荷条件下,辅助冷却器的平均启停次数降至1~2次,减少了约50%。

优化前后启停次数对比如表1所示。

3.1.3设备运行状况对比

1)优化前,冷却器平均每季度发生故障3~5次,主要表现为油泵故障和接触器损坏,这些故障不仅影响冷却系统的正常运行,还增加了维护成本和工作量。统计数据显示,每年因冷却器故障导致的维护费用约为15万元。

2)优化后,冷却器故障明显减少,平均季度故障次数降至0.5次左右,减少了83%~90%。

表2详细列出了优化前后各类故障的发生次数对比,可以看出各类故障都有显著减少。

3.2 经济性与环保性分析

本次优化仅涉及PLC程序修改,无新增硬件投资,改造成本极低,但其带来的经益显著。

1)节能效益:单台辅助冷却器组(含油泵、风扇)功率约为15 kw。优化后,避免了两台冷却器在临界点长时间同时运行的模式,转为单台冷却器在更长时间内平稳运行。虽单台运行时间有所增加,但总体能耗显著下降。经估算,年均可节省电量约3万kw.h,折合电费约1.8万元[按0.6元/(kw.h)计算]。

2)维护效益:年维护费用从15万元降至约3万元,年均节省维护费用12万元。

3)综合效益:综上,年均创造直接经济效益约13.8万元,投资回收期几乎为零。

4)环保效益:年节电3万kw.h等效于减少标准煤消耗约9.6 t,减少二氧化碳排放约23.9 t,具有良好的环保效益,契合绿色电站的发展理念。

4 结论与展望

通过实施“油温高一段启动一台辅助冷却器”的分级控制策略,有效解决了抽水蓄能电站主变冷却器频繁启停问题。现场应用实践表明,该优化方案取得了显著成效:

1)运行稳定性提升:优化后冷却器启停次数减少约50%,油温高二段触发频次降低90%,主变运行稳定性显著提升;

2)经济性与可靠性增强:设备故障次数与能耗降低,绝缘老化速率减缓,预计可延长主变寿命5~8年,系统运行更加节能环保,符合当前绿色电站的发展理念;

3)实施简便且推广性强:逻辑实现无须新增硬件,仅通过PLC程序修改即可完成,改造成本低、适用性强,具有重要的工程实践价值。

展望未来,建议在以下方面进一步深入研究:首先,可以结合智能温控系统,引入人工智能算法(如时间序列预测、强化学习),建立负荷—油温变化预测模型,实现冷却器的自适应投切控制,进一步提升系统运行的经济性和可靠性;其次,可探索将冷却系统纳入电站综合智慧能源管理平台,实现全局优化。

总之,本次优化改造,不仅解决了实际运行中的突出问题,还为抽水蓄能电站的智能化、精益化运行管理提供了有益经验,对推动行业技术进步具有重要意义。

[参考文献]

[1]王凤祥.龙滩水电站1号主变冷却器控制系统优化改进[J].红水河,2020,39(5):120—122.

[2]刘成铭,杨海利,孙巧妍,等.热电厂某变压器冷却器控制回路PLC改造设计[J].科技与创新,2024(15):75—78.

[3]郭辉煌,唐立文.电力变压器冷却器的自动化监控系统分析[J].电子技术,2023,52(5):194—195.

[4] 电力变压器第2部分 :液浸式变压器的温升 :GB/T1094.2—2013[S].

[5] 电力变压器运行规程:DL/T 572—2021[S].

《机电信息》2025年第23期第4篇