长庆油田华庆油区变压器节能优化改造

张彩婷 孙赟 邵刚涛（西安长庆科技工程有限责任公司）

长庆油田华庆油区位于甘肃省东部，东北与陕西省的志丹、吴起、定边接壤，西南与庆阳市环县、庆城、华庆为邻，地处甘肃省庆阳市华池县境内，于2008 年大规模开发，目前建有联合站3 座、输油站3座、热泵站2座。

华庆油区现有10 kV线路35条（共计957 km）、柱上变电站977台、低压配电室65座，主要承担着乔河、五蛟、元城、华庆、试采5个采油作业区所辖站库、油井的运行，以及生活基地供配电任务。

1 油田现有变压器类型及特点

1）S7 型配电变压器。S7 型变压器属于油田中比较老式的变压器，也是长庆油田井场及站场于上世纪70—90 年代使用较为广泛的机电产品。该变压器原材料消耗量大，空载损耗高，负载损耗高，运行可靠性较低，属强制淘汰设备，目前已停产。这种老式变压器的运行不仅增加了油田配电网的电能损耗，而且给供电安全带来了隐患[1]。

2）S9型配电变压器。与S7型变压器同属于油田中比较老式的变压器，但其空载损耗、负载损耗、总损耗较高，已经达不到GB 20052—2013《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》中能效限定值要求。1997 年（含）前生产投运的该系列产品，最迟应于2017 年底前停止使用。对于1997 年后生产投运的该系列产品，鼓励企业自主逐步更新淘汰[2]。

3）S11型配电变压器。S11 型变压器是一种低损耗、新型节能环保变压器，也是目前油田产能建设中应用最为广泛的产品[3]。

4）S13 型配电变压器。S13 系列的超低损耗变压器使用优质的硅钢片（新日铁）和优化的电磁材料，是相对于S11 型更为环保节能的变压器系列。根据《长庆油田地面建设工程标准化、数字化设计技术规定》的要求，变压器选用S13系列新型节能变压器[4]。

5）SH15型配电变压器。SH15型非晶合金变压器是一种低损耗变压器，这种低损耗变压器采用非晶合金带材作为贴心材料，具有噪声小、损耗低、全密封、免维护及运行费用较低等特点[5]。但SH15系列变压器在目前为推广阶段，价格分别较S11、S13系列变压器高42%和32%[6]。

根据高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录，目前油区有188台S7型、S9型高耗能变压器，其中10 台S7 型变压器用于1997 年前，属工信部《高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录（第一批）》强制淘汰设备，应强制更换；178台S9型变压器用于1997—2007 年，属工信部《高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录（第四批）》淘汰设备。在已使用的S9 型变压器中有18 台为1997 年前生产投运，属强制淘汰产品，应强制更换。剩余160台为1997年后生产投运的，属鼓励淘汰产品，需进行论证，确定其是否应该更换。其余S11 型变压器投运于2007—2016 年，S13 型变压器投运于2016 年后，均不属于淘汰设备，可继续使用。

2 S7、S9及S13系列变压器损耗比较

1）空载损耗。是指变压器空载时的铁心损耗，包括变压器磁路中磁滞损耗和涡流损耗之和。空载损耗是固定损耗，不随负载变化。

2）负载损耗。是指变压器带上负载后的电流与绕组电阻所产生的损耗，也称为铜损，其值与负载电流的二次方成正比。

3）介质损耗和杂散损耗相对较小，可忽略不计。以油田常用变压器100 kVA 容量为例，S7 型、S9型及S13型变压器损耗与GB 20052—2013《三相配电变压器能效限定值及能效等级》规定的能效等级进行比较，达到能效等级2级。变压器损耗对比见表1。

表1 变压器损耗对比

3 节能改造方案

3.1 费用计算

目前国际上所有评价变压器能效的方法，都要求比较变压器的初始投资和其在使用期内的损耗费用之和，即综合能效费用TOC。

对于1997 年后使用的160 台S9 型变压器，运用国际推荐的配电变压器能效经济技术评价法（TOC计算法）与S13型变压器进行综合能效费用对比[7]，计算其综合能效费用，以确定是否应该更换。相关计算公式及参数参考《工业与民用配电设计手册（第四版）》及Q/CSG 11111001—2013《配电变压器能效标准及技术经济评价导则》。

TOC算法是一种用于分析和比较配电变压器能效的技术经济评价方法。该方法综合考虑了变压器初始费用、剩余寿命、损耗、负载率、电价等指标，目的是从经济角度更加科学地评判变压器的节能效益。TOC值越低，技术经济指标更佳[8]。

式中：TOC——配电变压器综合能效费用，元；

CI——配电变压器初始费用，元；

Ees——供电企业平均售电单价，元/kWh；

P0——配电变压器额定空载损耗，kW；

Pk——配电变压器额定负载损耗，kW；

I0——配电变压器额定空载电流，%；

Uk——配电变压器额定短路阻抗，%；

Se——配电变压器额定容量，kVA；

HPY——配电变压器年带电小时数，宜取8 760 h；

β——负载率；

τ——年最大负载损耗小时数，石油行业取5 825 h。

现有运行变压器的初始费用计算如下：

式中：VN——拟更换新配电变压器的购置费用，元；

VNT——拟更换新配电变压器到第T 年末的残值，元。

拟更换新配电变压器到第T 年末的残值VN可按照平均年限折旧法进行估算。

3.2 费用比较

根据S9 型变压器剩余寿命值，剩余寿命10 年及以上的有93 台，剩余寿命5～10 年的有6 台，剩余寿命5 年以下的有61 台。分别计算剩余寿命10 年以上、5～10 年及5 年以下的S9 型变压器的TOC 值，并与拟更换的S13 型变压器的TOC 值进行比较。

1）余寿命10 年以上的S9 型变压器与S13 型变压器的TOC 值。以剩余寿命11 年为例，将S9 型变压器更换为S13 型变压器，考虑变压器的初始费

式中：VO0——现有运行配电变压器在拟更换年的可售价格，可取该配电变压器当前价值，元；

VOT——现有运行配电变压器到第T 年末的净残值，相当于报废回收价格，元；

T——现有运行配电变压器可继续运行年限。

拟更换新变压器的初始费用计算如下：用、残值等，1 台200 kVA 的S9 型变压器更换为S13 变压器后，11 年的总综合能效费用将减少13 448元。TOC值对比见表2。

表2 TOC值对比

2）剩余寿命5～10 年的S9 型变压器与S13 型变压器的TOC值。以剩余寿命8年为例，将S9型变压器更换为S13 型变压器，考虑变压器的初始费用、残值等，1 台200 kVA 的S9 型变压器更换为S13 变压器后，8 年的总综合能效费用将减少10 999元。TOC值对比见表3。

表3 TOC值对比

3）剩余寿命5 年以下的S9 型变压器与S13 型变压器的TOC值。以剩余寿命3年为例，将S9型变压器更换为S13 型变压器，考虑变压器的初始费用、残值等，1 台200 kVA 的S9 型变压器更换为S13 变压器后，3 年的总综合能效费用将减少5 080 元。TOC值对比见表4。

表4 TOC值对比

从计算结果可以看出，不同容量、不同剩余寿命值的S9型变压器，更换为S13型变压器后综合能效费用总体是降低的，即S13型变压器的技术经济指标更佳；故建议将160台S9型变压器逐步更换为S13型变压器，以达到节能效果。

综上所述，将10 台S7 型变压器全部强制更换为S13 型变压器；将18 台1997 年前生产投运的S9 型变压器全部强制更换为S13型变压器；将1997年后生产投运的160 台S9 型变压器逐步更换为S13型变压器，其中剩余寿命5 年以下的61 台S9 型配电变压器，从寿命周期、剩余价值及节能综合考虑，推荐先更换。

4 结论

1）改造前的188 台变压器年损耗为328.963×104kWh，年损耗电费为207.247 万元。将188 台S7型/S9型变压器全部更换为S13型变压器，更换后的188台S13型变压器年损耗为314.263×104kWh，年损耗电费为197.985万元，年损耗降低14.7×104kWh，年节约电费约9.26万元。

2）从节能及经济运行角度考虑，更换变压器时建议按负载率70%选择配电变压器。