專利名稱：用于冷卻電力變壓器的設(shè)備和方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及變壓器，尤其涉及一種用于在使用過程中冷卻電力變壓器的設(shè)備和方法。
在供電系統(tǒng)中使用電力變壓器，以便為最終用戶消費(fèi)而變壓、輸送和分配電力。變壓器由高低側(cè)的工作電壓指定，且具有根據(jù)所輸送的伏特和安培容量的尺寸。例如，大型變壓器用于輸送變壓器，沿供電線路逐步提升電壓，也用作配電變壓器，逐步降低配送的電壓。
現(xiàn)有變壓器的一個缺點(diǎn)是它們對與變壓器外部和內(nèi)部的高運(yùn)行溫度相關(guān)的運(yùn)行問題敏感。通常，為了保持額定容量，并保證變壓器及其構(gòu)成部件的使用壽命，變壓器內(nèi)的最大溫度應(yīng)當(dāng)保持在低于95℃(203°F)，和超過外界溫度65℃的溫度。進(jìn)行變壓器溫度調(diào)節(jié)的故障可能導(dǎo)致變壓器破壞，或者可能使其使用壽命顯著降低，且由于需要更換損壞的變壓器單元，這都可能導(dǎo)致工業(yè)成本較高。
而且，由于溫度和電阻之間的正比關(guān)系，當(dāng)變壓器鐵心內(nèi)的銅繞組溫度升高時，變壓器的效率下降，從而導(dǎo)致與變壓器鐵心加熱成比例的輸出功率(瓦)損失。而且，在使用過程中，由于流經(jīng)導(dǎo)電繞組的電流和在磁鋼芯內(nèi)流動的微電流，變壓器內(nèi)的溫度趨于升高。
現(xiàn)有的某些控制變壓器溫度的方案較不成熟。例如，一種普通的方案是當(dāng)外界條件可能導(dǎo)致變壓器溫度過高的危險時，或者當(dāng)感應(yīng)到高溫情況時，簡單地噴淋變壓器。
在另一種方案內(nèi)，對變壓器的內(nèi)部工作部件提供油池。在不同的現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用中，這種油池用于多級運(yùn)行。首先，“自冷”級主要依靠變壓器內(nèi)絕緣冷卻油的對流而將熱量從鐵心吸出。第二級利用流經(jīng)與變壓器一體或分離的熱交換器/熱輻射器的絕緣油的強(qiáng)制循環(huán)，其中利用熱交換器周圍的外界空氣吸收冷卻油的熱能。第三級利用第二級別的強(qiáng)制油循環(huán)，但增加了由變壓器自身供電，或者變電站的其他電源供電的電扇，以在外部輻射器上強(qiáng)制空氣循環(huán)，這樣增強(qiáng)了從冷卻油以及變壓器繞組中的熱量去除，從而提高變壓器效率。當(dāng)變壓器溫度升高到足夠大時，這些風(fēng)扇有選擇地運(yùn)行，且由連接于變壓器內(nèi)和變壓器上的溫度傳感器的控制器進(jìn)行控制。
在

圖1中粗略示出了一種使用風(fēng)扇的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)。標(biāo)為10的變壓器是普通的設(shè)計形式，包括殼體，其中殼體內(nèi)設(shè)有纏繞著銅繞組14的軟鐵心12。鐵心和繞組浸在冷卻油15的油池中。在變壓器殼體內(nèi)部體積的頂部的氮?dú)夥雷o(hù)層16保持殼體內(nèi)油的質(zhì)量。
接近于變壓器殼體頂部放置的是經(jīng)頂部截止閥18連接于導(dǎo)管20的出口，導(dǎo)管20通向標(biāo)為22的輻射器或熱交換器。在該現(xiàn)有系統(tǒng)中，輻射器22包括散熱冷卻管24，冷卻油經(jīng)這些冷卻管循環(huán)流動。這些冷卻管以一系列間隔開的行、列形式定向，以形成附近用于冷卻的外界空氣的通道。一組馬達(dá)驅(qū)動的風(fēng)扇26用于抽吸散熱冷卻管24上或周圍的空氣，以便提供強(qiáng)制的外界空氣冷卻。輻射器22的出口垂直于一密封的、馬達(dá)驅(qū)動的泵28，該泵經(jīng)導(dǎo)管30、底部截止閥32泵出冷卻油，返回到變壓器殼體的內(nèi)部體積內(nèi)。
在運(yùn)行過程中，泵28強(qiáng)制冷卻油進(jìn)入變壓器的底部，如箭頭33所示。當(dāng)如箭頭35所示，在變壓器的內(nèi)部工作部件(比如鐵心12和繞組14)內(nèi)設(shè)置的各種開口上或經(jīng)過這些開口而油向上移動時，冷卻油的溫度升高，因?yàn)樗樟藷崃?，從而冷卻了由于其運(yùn)行而使溫度已經(jīng)升高的變壓器部件?，F(xiàn)在被加熱的油流經(jīng)37處的油出口，進(jìn)入導(dǎo)管20，且通過輻射器22。進(jìn)入輻射器的安裝區(qū)域的外界空氣，在冷卻管24上被風(fēng)扇26抽出，從而冷卻經(jīng)過管24的油。因?yàn)閺睦鋮s油中吸出能量而被加熱的外界空氣釋放到大氣中，而被冷卻的流體返回到泵28，以便再循環(huán)經(jīng)過變壓器。
雖然圖1中的現(xiàn)有技術(shù)的冷卻系統(tǒng)具有某些優(yōu)點(diǎn)，但其冷卻局限性導(dǎo)致某些變壓器在不良條件下運(yùn)行，而這種情況是不希望出現(xiàn)的。特別是，外界條件尤其是溫度濕度帶來的限制可能導(dǎo)致冷卻油完全流經(jīng)熱交換器，而沒有充分地去除熱量，以致隨著時間的過去，冷卻油的溫度繼續(xù)升高，從而使這種油的冷卻能力下降。最后，冷卻油可能太熱而不能防止變壓器超過推薦溫度。
而且，變壓器的利用率以及負(fù)載電流通常在最高的外界溫度條件下出現(xiàn)。例如，當(dāng)外界條件非常溫暖潮濕時，油池的溫度可能升高，因此油不能得到充分地冷卻，而變壓器內(nèi)的溫度繼續(xù)升高，直到損壞變壓器的工作部件。
因此，希望提供一種克服現(xiàn)有技術(shù)的這些和其他缺點(diǎn)的用于電力變壓器的冷卻系統(tǒng)。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種用于改善電力變壓器內(nèi)部工作部件的冷卻的設(shè)備和方法。該設(shè)備調(diào)節(jié)變壓器鐵心的熱量，同時提供高效的冷卻源，該冷卻源對由于外界條件變化而造成的冷卻油內(nèi)熱量積累和由于變壓器負(fù)載造成的鐵心熱量不敏感。該設(shè)備有選擇地使變壓器的冷卻油進(jìn)入具有比外界空氣更有效的冷卻源的熱交換器。本發(fā)明可以利用非峰值能，該非峰值能由利用儲存能量以便隨后利用的熱交換器對該系統(tǒng)供電的變壓器提供。在一實(shí)施例中，熱交換器可以利用蓄熱的相變材料。
本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)是它提供了一種用于各種環(huán)境條件，有效地冷卻變壓器內(nèi)部工作部件的系統(tǒng)，以使變壓器不承受損害其結(jié)構(gòu)完整性和/或其效率的熱量。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)是該冷卻系統(tǒng)可使用熱交換器，該熱交換器利用由非峰值能提供的冷卻物運(yùn)行。另一個優(yōu)點(diǎn)是變壓器的熱能，可以在給冷卻變壓器內(nèi)流動的冷卻油的熱交換器提供運(yùn)行所需能量的過程中得到利用。
另一個優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明在任何外界條件下可實(shí)現(xiàn)變壓器冷卻油的適當(dāng)冷卻，從而使變壓器的電力容量最大。
本發(fā)明系統(tǒng)的一個目的是通過去除流經(jīng)變壓器的電流產(chǎn)生的熱量，提高變壓器的總效率。另一目的是通過本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)，提高利用率，并延長變壓器的使用壽命。
通過下面結(jié)合附圖給出的本發(fā)明實(shí)施例的描述，本發(fā)明的上述和其他優(yōu)點(diǎn)、目的以及實(shí)現(xiàn)方式將更加明顯，且可以更好地理解本發(fā)明。
附圖簡要說明圖1是現(xiàn)有的用于電力變壓器的冷卻系統(tǒng)的局部剖正視圖。
圖2是本發(fā)明的用于電力變壓器的冷卻系統(tǒng)一部分的局部剖正視圖。
圖3是通過現(xiàn)有技術(shù)的冷卻系統(tǒng)的性能與根據(jù)本發(fā)明的啟示構(gòu)成的冷卻系統(tǒng)的性能相比較，作為變壓器油溫的函數(shù)的變壓器使用時間圖。
圖4是示出了用于產(chǎn)生圖2中熱交換器所用冷卻物的所述部件的一個實(shí)施例的示意圖。
圖4A是沿圖4中線4A-4A的相變材料熱交換器的剖面圖，進(jìn)一步以虛線示出了熱交換器的加熱元件和電源之間的電連接。
圖5是適用于100MVA電力變壓器的本發(fā)明電力變壓器冷卻系統(tǒng)的平面簡圖。
圖6是本發(fā)明的另一電力變壓器冷卻系統(tǒng)的平面簡圖。
圖7是具有許多變壓器的變電站圖示，其中每一變壓器包括一根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的冷卻系統(tǒng)。
在這些附圖中對應(yīng)的參考字符表示對應(yīng)的部件。雖然附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，但這些附圖當(dāng)然不是標(biāo)準(zhǔn)比例，為了更好地解釋本發(fā)明，特定的特征可能夸大或省略。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述為了有助于理解本發(fā)明的原理，現(xiàn)在參照附圖中示出的實(shí)施例，且將用專用語言描述上述實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，不希望因此限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明包括在所述裝置和所述方法中的任何修改和調(diào)整，以及對于本發(fā)明所及領(lǐng)域的技術(shù)人員來說通常想到的本發(fā)明原理的其他應(yīng)用。例如，雖然所述實(shí)施例是對現(xiàn)有系統(tǒng)的改進(jìn)，但本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)可以包含在新建造的電力變壓器組的設(shè)計中。
現(xiàn)在參照圖2，其中簡略示出本發(fā)明的變壓器冷卻系統(tǒng)27的一個實(shí)施例的選定部分。在該實(shí)施例中，在圖1中示出的現(xiàn)有技術(shù)的變壓器和冷卻系統(tǒng)已經(jīng)通過本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，以便在變壓器所可能經(jīng)歷的多種工作條件下提高變壓器的冷卻能力。因此，本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)用于增大普通冷卻系統(tǒng)的冷卻能力。該實(shí)施例是說明性的，而不旨在進(jìn)行限制，因?yàn)楸景l(fā)明的冷卻系統(tǒng)還可以用作變壓器冷卻油的唯一冷卻系統(tǒng)。
對于對應(yīng)的部件來說，在圖2中的參考符號與圖1中的相同，本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)將示為40的三通閥插入導(dǎo)管20。閥40垂直于導(dǎo)管42，導(dǎo)管42連接于示為44的輔助熱交換器，該熱交換器用于冷卻變壓器周圍流動的冷卻油。雖然在圖2中為了說明的目的示為在導(dǎo)管20上方或接近導(dǎo)管20，但三通閥40位于導(dǎo)管20內(nèi)，以便有選擇地改變冷卻油的方向，以使冷卻油旁路輻射器22，流入導(dǎo)管42內(nèi)，然后直達(dá)冷卻工作流體熱交換器44。這種旁路是在風(fēng)扇26和輻射器22不能完全冷卻所述冷卻油時由程序控(使用在此所述的控制器55)制發(fā)生的。
在本發(fā)明的一種形式中，出于熱交換器44的回流管路46連接于循環(huán)泵28?；亓鞴苈?6將在其流經(jīng)熱交換器44的過程中冷卻的油導(dǎo)入泵28，以便再循環(huán)通過變壓器10。油被冷卻的溫度依賴于變壓器負(fù)載、外界溫度條件和冷卻系統(tǒng)，該溫度最好足夠低，而不損害變壓器的壽命和效率。優(yōu)選的是，在回流管路46中插入截止閥或兩通閥47，以控制流向變壓器的再循環(huán)流。在一個實(shí)施例中，閥47可以與閥40一起控制。
熱交換器44使用冷卻的工作流體或冷卻物，靈敏地降低從變壓器流經(jīng)熱交換器44的冷卻油溫度。冷卻物經(jīng)連接于普通冷卻物源(未示出)的導(dǎo)管48進(jìn)入熱交換器44。在用于降低冷卻油溫度時已經(jīng)加熱的冷卻物從熱交換器44經(jīng)導(dǎo)管50排出，該導(dǎo)管50將冷卻物返回到冷卻物源，以便再利用。熱交換器44可以是任何一種本領(lǐng)域公知的不同結(jié)構(gòu)的熱交換器，比如殼管式熱交換器。然而，在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，熱交換器依靠工作流體流(即，冷卻油和冷卻物)之間熱能的流體-流體傳遞。
三通閥40連接于示為55的溫度感應(yīng)和控制機(jī)構(gòu)或控制器，該控制器55控制閥40的運(yùn)行?？刂破?5也可以以普通的方式程序化或有效地連接，從而以考慮到下面的闡述使本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的方式，控制本發(fā)明冷卻系統(tǒng)的其他部分，比如兩通閥47或從冷卻物源出發(fā)的冷卻物流。優(yōu)選的是，控制器55可以是普通的可編程控制器，該控制器產(chǎn)生作為各種輸入信號的函數(shù)的控制信號。在一具體實(shí)施例中，控制器55可以根據(jù)冷卻油溫度編程控制閥40。在該具體實(shí)施例中，控制器55可包括安裝在變壓器殼體或箱體內(nèi)部和/或外部的溫度傳感器，比如尤其是懸掛在殼體頂部三分之一的冷卻油中。
為了使變壓器性能最佳，控制器55可以這樣構(gòu)造，即當(dāng)變壓器的絕緣冷卻油的感應(yīng)溫度開始升高時，從傳感器發(fā)出的數(shù)字信號可以提供給固態(tài)集成的薄膜器件，該器件推斷上升曲線，以確定在預(yù)定的下一時期內(nèi)冷卻油的最大溫度是否會超過容許水平。當(dāng)然，這種確定可以用適當(dāng)構(gòu)造的控制器55在軟件級別上進(jìn)行。通常，變壓器內(nèi)的最大溫度必須保持在95℃(203°F)之下，或者限于外界溫度之上升高65℃，以便保持變壓器的額定容量并保證其使用壽命。如果預(yù)計到會超過這些參數(shù)，那么控制器55自動打開閥40以及其他必要的閥，以適當(dāng)?shù)捻樞蜷_始冷卻過程。例如，當(dāng)冷卻物源已經(jīng)產(chǎn)生適當(dāng)溫度的冷卻物時，順序打開閥，而使冷卻物流經(jīng)“冷卻”熱交換器44?？刂破?5可以基本上同時打開閥40，而使高溫冷卻油流動，以便降溫。
由于該系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)的“預(yù)見”特點(diǎn)，變壓器10的內(nèi)部部件從不允許接近可能降低變壓器使用壽命或效率的溫度。而且，控制器55可以編程而使本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)在任何外界溫度和冷卻油溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，以使變壓器的功率傳遞最大化。在另一方案中，控制器55可包括存儲表示特定變壓器的溫度變化過程的信息。例如，變壓器通常顯示出響應(yīng)工作負(fù)載和外界條件的大致均勻的溫度。每一變壓器響應(yīng)不同，且在有害條件出現(xiàn)之前分別有不同的閾值溫度響應(yīng)。控制器55可以保持每一連接于冷卻系統(tǒng)的溫度包含過程或曲線。來自每一變壓器的冷卻油溫傳感器的實(shí)際溫度數(shù)據(jù)可以與該曲線比較，以確定是否預(yù)見到有問題的溫度條件。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的任何方式將冷卻物供應(yīng)到熱交換器44。例如，通過蒸氣壓縮冷卻設(shè)備，或者吸收式制冷機(jī)和/或地下水、湖水等自然資源，變電站的電力可用于產(chǎn)生冷卻物，(例如致使將地下水帶到熱交換器的泵運(yùn)行)。這種蒸氣壓縮制冷設(shè)備可以在線操作，換言之，在實(shí)際需要這種冷卻物的期間，或者離線，或者即在線又離線。當(dāng)離線運(yùn)行時，由該蒸氣壓縮制冷設(shè)備產(chǎn)生的冷卻物可以充分地儲存為隨后可用于去除鐵心熱量的流體或冰。此外，電力變壓器本身是一大熱源，可用于給吸收式冷卻器或制冷機(jī)供電，這在下文中充分描述。當(dāng)變壓器熱量是自身冷卻的能源時，可以實(shí)現(xiàn)一種比利用風(fēng)扇或蒸氣壓縮制冷裝置能量效率更高的冷卻系統(tǒng)。
圖3有助于說明圖2中所示的冷卻系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。該圖涉及以使用小時數(shù)表示的變壓器壽命和變壓器冷卻油的溫度升高。曲線C示出了現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)的強(qiáng)制油和空氣冷卻系統(tǒng)的性能限制。這些現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)通常不能預(yù)測地保持變壓器的性能在曲線C的左側(cè)，這意味著變壓器可能在危險范圍內(nèi)運(yùn)行。然而，采用本發(fā)明，變壓器的性能總是保持在在圖3中由運(yùn)行范圍R表示的“安全”區(qū)域。
現(xiàn)在參照圖4和圖4A，其中示出了一種適于給圖2中的輔助熱交換器44供應(yīng)冷卻物的設(shè)備的一種結(jié)構(gòu)。在圖4中，變壓器20和圖2中示出的相關(guān)部件以及其他除熱交換器44之外的部件簡示為60。在該實(shí)施例中，示為65吸收式制冷機(jī)和制冷發(fā)生器用作熱交換器44的冷卻物源。
導(dǎo)管48有效地連接于吸收式制冷機(jī)65，將冷卻的工作流體或冷卻物從吸收式制冷機(jī)65輸送到殼管式熱交換器44。所述冷卻物可以是最好溫度在42°F和60°F之間的水。制冷機(jī)65由控制器55控制，以提供調(diào)節(jié)溫度的流體。導(dǎo)管50有效地連接于吸收式制冷機(jī)65，以返回變暖的冷卻物，用于再次冷卻。吸收式制冷機(jī)65經(jīng)管道72和74連接于傳統(tǒng)形式的冷卻塔70，該塔使吸收式制冷過程中過多吸收的熱量排放到外界大氣中。管道72將比如溫度在90°F和130°F之間的高溫水輸送到用于冷卻的冷卻塔70。管道74將比如溫度約在70°F和100°F之間的低溫水返回到用于冷卻的吸收式制冷機(jī)65。
用于給吸收式制冷機(jī)65供能的熱能由高溫水提供，比如溫度在200°F和240°F之間，由管道78從相變材料(PCM)熱交換器80輸送。蒸氣也可以是熱源。管道82將低溫水從吸收式制冷機(jī)65返回到PCM熱交換器80，用于再次加熱。在一優(yōu)選實(shí)施例中，PCM熱交換器80可以是名為“具有延伸穿過相變材料的傳熱元件的相變材料熱交換器”的美國專利申請No.09/607853中所述的類型，在此通過引用而全部包含其啟示。
如圖4A所示，變電站85的輸出電連接于嵌入相變材料89中的傳熱元件87。來自變電站85的電力，用于加熱元件87而融化相變材料89。這一過程最好由控制器啟動，比如控制器55，在輸送的負(fù)載低于變壓器額定值時，包括可能的離線時間，比如在晚上當(dāng)本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)較少需要時。PCM熱交換器80這樣設(shè)計，即當(dāng)相變材料從熔融狀態(tài)固化時放出的熱能傳遞到流經(jīng)熱交換器的環(huán)狀通路、且流到吸收式制冷機(jī)65，從而制冷機(jī)65可以產(chǎn)生用于調(diào)節(jié)流經(jīng)熱交換器44的變壓器油的冷卻物。
在此不再給出吸收式制冷機(jī)65的內(nèi)部運(yùn)行的進(jìn)一步描述，因?yàn)槠淇傮w運(yùn)行在本領(lǐng)域是公知的。例如，制冷機(jī)65的構(gòu)造和工作部件在美國專利US4936109中得到進(jìn)一步描述，在此通過引用而包含其全部啟示。
現(xiàn)在參照圖5中的頂視圖，圖4中示出的冷卻系統(tǒng)是改進(jìn)的，例如冷卻額定容量為100MVA的現(xiàn)有電力變壓器10?，F(xiàn)有變壓器10示為已經(jīng)裝有四個強(qiáng)制油氣外界冷卻輻射器22及其相應(yīng)的泵28，且如上所述參照圖2，以普通方式連接于變壓器的內(nèi)部體積。如上所述參照圖2，輻射器22的每一入口設(shè)有旁路閥，比如閥40，連接于與熱交換器比如熱交換器44垂直的公共高溫油管路42。通過流經(jīng)熱交換器44而冷卻的變壓器油經(jīng)多分支管46返回，在接近四個輻射器22的四個入口處再次進(jìn)入變壓器。在一個具體的實(shí)施例中，熱交換器有約75撒姆(therms)的熱傳遞能力，且雖然示為一個單元，但可以由多個一起提供所需冷卻能力的小單元構(gòu)成。
從熱交換器排出的冷卻油的溫度是外界條件和變壓器負(fù)載的函數(shù)。當(dāng)外界溫度高時，熱交換器工作而輸出一定溫度的冷卻油，該溫度與被控制器55控制的冷卻油的流量相結(jié)合、防止變壓器加熱超過其推薦值。例如，對于在此充分描述的圖5中的實(shí)施例，在中西部夏天的峰值天氣條件下(外界空氣約100°F)，在此期間電力使用達(dá)到其峰值，所以變壓器10是滿負(fù)荷的，冷卻油必須防止變壓器過熱。在一具體示例中，通過示例，進(jìn)入熱交換器44的油溫可能約為221°F，而從熱交換器44排出的冷卻油溫度處于較低的設(shè)定點(diǎn)，比如約176°F。在這種條件下如果希望排出的冷卻油有更低的溫度，那么可能需要更大的制冷機(jī)以及比圖5中所示更多的熱交換器，以便儲存更多的能量。當(dāng)然，其他類型的散熱器也可以替代所述的熱交換器，以實(shí)現(xiàn)所需的能量存儲能力。此外，在外界溫度較低的情況下，熱交換器的輸出可以為更低的溫度，且可用于進(jìn)一步冷卻變壓器(即，221°F以下)，從而提高變壓器的效率。
在圖5所示的具體實(shí)施例中，示為66的安裝在全天候建筑物內(nèi)的415噸的吸收式制冷機(jī)65設(shè)有熱交換器44，通過導(dǎo)管48流動著冷卻物比如約45°F的冷卻水。導(dǎo)管50將變暖的冷卻物從熱交換器44返回到制冷機(jī)65。吸收式制冷機(jī)65經(jīng)管道72和74以普通的方式連接于冷卻塔70。
通過示例，吸收式制冷機(jī)65可以由約240°F的高溫水供能，該水由平行于一組如圖4所述類型的PCM熱交換器80連接的管道78輸送。熱交換器80可以包含20個單元，每一個由42英尺長、直徑24英寸的管子構(gòu)成。每一熱交換器可以填充約8噸相變材料或鹽。管道82平行于熱交換器80連接，將低溫水從吸收式制冷機(jī)65返回，用于再次加熱。可以有選擇地將電站的非峰值電力供應(yīng)給電力熱交換器80，以便將數(shù)百萬BTUs(比如15000000BTUs，足以在最大的變壓器負(fù)載和溫度下工作兩個小時)存儲在電熔的相變材料中，用于最終加熱由制冷機(jī)65或其他冷卻設(shè)備使用的水。隨著時間的過去，當(dāng)交換器80內(nèi)的存儲能量用盡時，調(diào)整冷卻系統(tǒng)運(yùn)行的控制器在電站不處于峰值輸送時，從電站電力引出額外的電能，以補(bǔ)充相變材料中的能量存儲。換言之，融化相變材料的電力在電力需求低的時間從變電站獲得，比如夜晚和白天的不需要變電站的全部電力容量來滿足需求時的小時。雖然本發(fā)明的原理已經(jīng)參照PCM型熱交換器解釋，但其他形式的熱交換器也可以用于本發(fā)明的系統(tǒng)。
現(xiàn)在參照圖6，其中示出了本發(fā)明的變壓器冷卻系統(tǒng)的另一實(shí)施例。圖6的冷卻系統(tǒng)類似于圖5的冷卻系統(tǒng)，除了它還包括副熱交換器100之外，該副熱交換器用于使變壓器產(chǎn)生的熱量給吸收式制冷機(jī)供能。在某些情況下，在吸收式制冷機(jī)的啟動過程中可能需要額外的冷卻能力。而且，制冷機(jī)本身可能需要額外的熱能，以利于其啟動。
在該實(shí)施例中，來自變壓器的高溫冷卻油經(jīng)連接于導(dǎo)管42的支管42a進(jìn)入熱交換器100，該熱交換器100可以是殼管式熱交換器?？扇〉氖?，在導(dǎo)管42和支管42a之間設(shè)有可控閥，該閥可以根據(jù)冷卻油溫度、吸收式制冷機(jī)65的狀況或其他條件，由分離的可編程控制器進(jìn)行控制。降低溫度的冷卻油從熱交換器100排放到連接于主熱交換器44的入口的支管101中。在一具體實(shí)施例中，副熱交換器可以將油溫從221°F降低到約190°F。
由熱交換器100加熱的工作流體比如水通過管道102輸送，管道102連接于管道82，管道82將低溫水從吸收式制冷機(jī)65返回，以用于再次加熱。從熱交換器100排出的、被加熱的工作流體進(jìn)入管道104，管道104連接于管道78，而管道78將比如約在200°F和240°F之間的高溫水輸送到吸收式制冷機(jī)65，對產(chǎn)生流到熱交換器44的冷卻物供能。適當(dāng)?shù)拈y門可以經(jīng)管道78和82連接于本發(fā)明冷卻系統(tǒng)的控制器，從而使流體可以有選擇地在吸收式制冷機(jī)65和PCM熱交換器80或熱交換器100之間流動。這種閥使熱能在特定的時間從PCM熱交換器80的大熱源供應(yīng)到吸收式制冷機(jī)65，比如在制冷機(jī)以有效方式啟動的過程中，或者當(dāng)熱交換器44需要的冷卻物多于當(dāng)僅由來自熱交換器100的熱量供能時可由吸收式制冷機(jī)65提供的冷卻物時。尤其是，當(dāng)變壓器本身沒有“儲蓄”可由熱交換器100釋放的足夠熱量時，或者當(dāng)在變壓器中“儲蓄”足夠的熱量會對變壓器的壽命和效率產(chǎn)生不利影響時，PCM熱交換器80可以提供一股涌動的熱量，使制冷機(jī)有效地啟動。在另一實(shí)施例中，代替使用PCM熱交換器80，制冷機(jī)的啟動可以由其他公知的裝置提供，比如機(jī)械制冷裝置，例如輔助鍋爐。當(dāng)吸收式制冷機(jī)已經(jīng)啟動且以連續(xù)的方式運(yùn)行時，或者在需要產(chǎn)生更少的冷卻物時，可以由熱交換器100給制冷機(jī)65供應(yīng)熱能。
圖6的優(yōu)選實(shí)施例使用PCM熱交換器，該熱交換器帶有利用變壓器熱量的系統(tǒng)，該實(shí)施例使該系統(tǒng)的操作者，可以通過選擇當(dāng)電能較空余且最便宜時的那些時間給PCM系統(tǒng)充電，而使該變壓器冷卻發(fā)明的經(jīng)濟(jì)性最佳，使其可以在所述設(shè)備和系統(tǒng)處于高強(qiáng)度的最大成本運(yùn)行方式時增強(qiáng)變壓器的運(yùn)行。當(dāng)所述系統(tǒng)構(gòu)成時，其共存利益也使系統(tǒng)操作者選擇在能量成本最低、非峰值的時間“儲蓄”存儲在PCM熱交換器中的熱量，且通過運(yùn)行變壓器冷卻系統(tǒng)將這些熱量返回而減小變壓器繞組和鐵心的損失，提高所述單元的生產(chǎn)率，降低運(yùn)行成本，即使當(dāng)所述單元能在由于較低的外界溫度造成的苛刻溫度下運(yùn)行時。
在一個用于300MVA變壓器的具體實(shí)施例中，制冷機(jī)可以是354噸的裝置，比如Trane Model ABSC-03F。熱交換器可以是16-18噸的PCM單元。所述系統(tǒng)可以存儲3,300,000BTUs非峰值能，以增大用于吸收式制冷機(jī)的熱源。
在圖6的實(shí)施例的改進(jìn)中，出口管路101可以直接連接于導(dǎo)管46，從而有效地旁路主熱交換器44。采樣這種結(jié)構(gòu)，副熱交換器100可以對變壓器油提供主冷卻，從而降低吸收式制冷機(jī)的輸出需求。
本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)，比如上述系統(tǒng)27，可以形成發(fā)電站的整體一部分。因此，如圖7所示，許多變壓器10可以設(shè)有相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)27。每一冷卻系統(tǒng)可以包括連接于普通的冷卻塔70的制冷機(jī)比如制冷機(jī)65。可編程控制器55可以裝在維護(hù)或控制室內(nèi)。可以為每一冷卻系統(tǒng)提供單獨(dú)的控制器，或者一個公共的控制器接收每一冷卻系統(tǒng)的溫度和性能數(shù)據(jù)并發(fā)送控制信號?？扇〉氖牵恳焕鋮s系統(tǒng)27的部件是標(biāo)準(zhǔn)化的，以使冷卻油約以360加侖/分循環(huán)流動，從而實(shí)現(xiàn)高達(dá)118噸/小時的在線冷卻。
雖然已經(jīng)示出并描述了本發(fā)明的優(yōu)選設(shè)計方案，但本發(fā)明還可以在本公開內(nèi)容的思想和范圍內(nèi)進(jìn)一步改進(jìn)。因此本申請旨在覆蓋任何變體、用途或利用其基本原理對本發(fā)明的修改。而且，本申請旨在覆蓋在本發(fā)明所涉領(lǐng)域中公知或慣例范圍內(nèi)的從本公開內(nèi)容得出的新方案。
權(quán)利要求
1.一種用于降低流經(jīng)電力變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于冷卻該變壓器，所述系統(tǒng)包含連接于所述變壓器冷卻系統(tǒng)的第一強(qiáng)制空氣熱交換器；連接于所述變壓器冷卻系統(tǒng)的第二流體-流體熱交換器；連接于所述第二熱交換器的冷卻物源，該冷卻物源提供用于從流經(jīng)所述第二熱交換器的冷卻劑中吸收熱量的冷卻物。
2.如權(quán)利要求1所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于所述第一和第二熱交換器平行地連接于所述變壓器冷卻系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求2所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于所述第一熱交換器具有第一入口和第一出口，它們分別經(jīng)對應(yīng)的入口導(dǎo)管和出口導(dǎo)管連接于所述變壓器冷卻系統(tǒng)；所述第二熱交換器具有第二入口和第二出口，所述第二入口連接于所述變壓器冷卻系統(tǒng)和所述第一入口之間的所述入口導(dǎo)管。
4.如權(quán)利要求3所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于還包含位于所述第二入口和所述入口導(dǎo)管之間的可控閥，所述閥可以有選擇地處于打開位置和關(guān)閉位置，在打開位置使流體從所述入口導(dǎo)管流到所述第二入口，在關(guān)閉位置防止流體從所述入口導(dǎo)管和所述第二入口流動。
5.如權(quán)利要求4所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于根據(jù)變壓器冷卻系統(tǒng)或變壓器的溫度，控制所述可控閥處于所述打開位置或所述關(guān)閉位置。
6.如權(quán)利要求5所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于所述可控閥包括可編程控制器，該控制器具有存儲變壓器冷卻系統(tǒng)或變壓器的溫度曲線的存儲器，和用于比較變壓器冷卻系統(tǒng)和變壓器的溫度與所述溫度曲線的裝置。
7.如權(quán)利要求1所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于所述冷卻物源包括吸收式制冷機(jī)。
8.如權(quán)利要求7所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于所述吸收式制冷機(jī)連接于液態(tài)蓄熱部件。
9.如權(quán)利要求8所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于所述蓄熱部件包括相變材料。
10.如權(quán)利要求8所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于所述蓄熱部件由所述變壓器產(chǎn)生的能量供能。
11.如權(quán)利要求10所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于所述蓄熱部件由所述變壓器產(chǎn)生的能量供能。
12.一種用于降低流經(jīng)電力變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于冷卻變壓器，且所述系統(tǒng)包含連接于所述變壓器冷卻系統(tǒng)的流體-流體熱交換器，所述熱交換器具有接收來自冷卻系統(tǒng)的較高溫度的冷卻劑的冷卻劑入口，用于將溫度較低的冷卻劑排放到冷卻系統(tǒng)的冷卻劑出口，用于接收液態(tài)冷卻物的冷卻物入口和在從所述冷卻劑吸收熱能之后用于從所述熱交換器排放冷卻物的冷卻物出口；液態(tài)冷卻物源連接于所述熱交換器，提供比所述較低溫度更低溫度的冷卻物。
13.如權(quán)利要求12所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于所述冷卻物是水。
14.如權(quán)利要求12所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于所述液態(tài)冷卻物源包括吸收式制冷機(jī)。
15.如權(quán)利要求14所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于所述吸收式制冷機(jī)連接于液態(tài)蓄熱部件。
16.如權(quán)利要求15所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于所述蓄熱部件包括相變材料。
17.如權(quán)利要求14所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于所述蓄熱部件由變壓器產(chǎn)生的能量供能。
18.如權(quán)利要求17所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于所述蓄熱部件由變壓器產(chǎn)生的熱能供能。
19.如權(quán)利要求12所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于還包含連接在所述冷卻系統(tǒng)和所述冷卻劑入口之間的流體-流體熱交換器。
20.如權(quán)利要求19所述的用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的系統(tǒng)，其特征在于所述液態(tài)冷卻物源包括吸收式制冷機(jī)；連接于所述吸收式制冷機(jī)的液態(tài)蓄熱部件，該部件具有從所述吸收式制冷機(jī)接收第一溫度的冷卻物的入口，和將較高的第二溫度的冷卻物排放到所述吸收式制冷機(jī)的出口；所述第二熱交換器連接于所述吸收式制冷機(jī)，接收所述第一溫度的冷卻物，并將比所述第一溫度更高的第三溫度的冷卻物排放到所述制冷機(jī)。
21.一種用于降低流經(jīng)變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻劑溫度的方法，包含步驟使冷卻劑流經(jīng)流體-流體熱交換器，降低冷卻劑的溫度；使冷卻物流經(jīng)所述熱交換器，從冷卻劑中吸出熱能；利用蓄熱部件驅(qū)動的吸收式制冷機(jī)冷卻所述冷卻物。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于還包含步驟利用從變壓器吸出的能量驅(qū)動所述蓄熱部件。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于從所述變壓器吸出的能量是熱能。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于從所述變壓器吸出的熱能是廢熱。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于所述蓄熱部件包括相變材料；從所述變壓器吸出的能量是電能。
26.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于所述變壓器是配電網(wǎng)的一部分，且從所述變壓器吸出的能量是非峰值電能。
全文摘要
一種用于降低電力變壓器(12)的冷卻油溫度的系統(tǒng)(27),包括介于冷卻油系統(tǒng)中的熱交換器(44)。該熱交換器(44)依靠從被加熱的油到流經(jīng)熱交換器的冷卻劑的流體－流體熱交換。在一實(shí)施例中,提供給熱交換器的冷卻劑是從吸收式制冷機(jī)(65)獲得的。熱能從蓄熱裝置(80)提供給制冷機(jī)(65)。在一具體實(shí)施例中,蓄熱源(80)可以是相變材料裝置。在優(yōu)選冷卻系統(tǒng)中,可編程控制器(55)決定該系統(tǒng)的啟動和運(yùn)行。控制器(55)可以感應(yīng)變壓器或冷卻油的溫度,從而觸發(fā)啟動。在優(yōu)選實(shí)施例中,控制器(55)比較當(dāng)前的溫度變化與溫度曲線,預(yù)計增大的冷卻需求。在特定的實(shí)施例中,來自變壓器(12)的多余的、非峰值或廢熱提供給蓄熱裝置(80),或者提供給相變熱交換器。
文檔編號F25B25/00GK1390356SQ00815793
公開日2003年1月8日 申請日期2000年11月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月17日
發(fā)明者羅伯特·L·朗加德納, 小安東尼·M·威斯尼斯基 申請人:特里克斯科有限責(zé)任公司