CZ20021633A3

CZ20021633A3 - Způsob snížení teploty chladícího média transformátoru a systém k provádění tohoto způsobu

Info

Publication number: CZ20021633A3
Application number: CZ20021633A
Authority: CZ
Inventors: Anthony M. Visnesky Jr.; Robert Longardner
Original assignee: Trexco, Llc.
Priority date: 1999-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2003-02-12
Also published as: WO2001037292A1; ZA200203793B; ES2269209T3; HUP0203286A2; IL149535A0; KR100716681B1; DE60029621D1; KR20030007381A; CN1390356A; MXPA02004909A; BR0015595A; HK1050760A1; EP1238398B1; EP1238398A1; NO20022348L; ATE334472T1; AU1922401A; DE60029621T2; PL355207A1; CN1217356C

Description

Způsob snížení teploty chladícího média transformátoru a systém k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Tento vynález se týká transformátorů, zejména potom způsobu a systému pro chlazení výkonových transformátorů v průběhu jejich provozu.

Dosavadní stav techniky

Výkonové transformátory nebo zkráceně jen transformátory se používají v systémech pro dodávky elektrické energie pro transformování, vysílání a distribuci elektrické energie ke koncovému uživateli. Transformátory jsou určeny stranou vysokého a stranou nízkého operačního napětí a jsou dimenzovány podle napětí a proudu, který přes něj prochází. Například, velké transformátory se využívají jako přenosové transformátory, které zvyšují elektrické napětí podél energetické přenosové sítě , stejně jako distribuční transformátory, které napětí snižují pro jeho distribuci,

Jednou nevýhodou existujících transformátorů je jejich náchylnost k provozním problémům, spojeným s vysokými teplotami při jejich provozu, a to jak vnitřní, tak i venkovní. Pro zachování jejich jmenovitých parametrů a pro ochranu životnosti transformátoru a všech jeho částí, ze kterých se sestává, by typicky měla být zachovávána maximální teplota uvnitř transformátoru na hodnotě nižší než 95 °C a při teplotě, která je nejvýše 65 °C nad teplotou okolí. Jestliže se nepodaří takto regulovat teplotu transformátoru, může to mít z následek jeho selhání nebo snížení jeho životnosti, což má v každém případě pro průmysl za následek zvýšené náklady v důsledku nutnosti výměny zničených transformátorových jednotek.

Navíc, v důsledku přímo úměrného vzatu mezi teplotou a elektrickým odporem se při zvýšení teploty měděného vinutí jádra transformátoru snižuje účinnost transformátoru, což má za následek ztráty ve výstupním výkonu, a to úměrně k zahřátí transformátorového jádra. Dále má teplota uvnitř transformátoru při

- 2 provozu snahu se zvyšovat v důsledku elektrického proudu, procházejícího přes jeho vinutí a mikroproudu, který prochází magnetickým ocelovým jádrem.

V minulosti byly provedeny různé pokusy s řízením teploty transformátoru, které však v celku byly relativně primitivní. Například jeden obecný přístup používal jednoduché smáčení transformátoru vodní mlhou, jestliže teplota okolí naznačovala nebezpečí nadměrné teploty v transformátoru nebo když byl zjištěn stav s vysokou teplotou.

V jiném přístupu k tomuto problému byly provedeny olejové lázně pro vnitřní uspořádání transformátoru. V různých dosavadních přihláškách byly takové olejové lázně navrženy pro funkci v několika úrovních. První, „samochladící“ úroveň se zejména spoléhá na konvenční proudy mezi transformátorovou izolací a chladícím olejem pro odvedení tepla od jádra. Druhá úroveň potom používá nucený oběh izolačního oleje přes tepelné výměníky/chladiče, které byly provedeny jako integrální nebo samostatné vůči k transformátoru a které využívaly okolní vzduch kolem tepelných výměníků pro pohlcení tepelné energie z chladícího oleje. Třetí úroveň používá nucený oběh oleje z druhé úrovně avšak přidává elektrické ventilátory, které jsou napájeny elektrickou energií dodávanou přímo z transformátoru nebo z jiných elektrických zdrojů v podstanici, aby byl vzduch nucen obíhat přes vnější chladiče a tím se zvýšila účinnost odvádění tepla z oleje a následně z transformátorového vinutí a tím aby se zvýšila účinnost transformování. Tyto ventilátory, které jsou výběrově uváděny do provozu za situace, kdy se teplota transformátoru zvýší, jsou dostatečně velké a jsou řízeny ovladačem napojeným na teplotní senzory umístěné v transformátoru nebo na něm.

Předchozí stav techniky, který používá ventilátory, je zobrazen v diagramu na obr. 1. Transformátor 10 má běžnou konstrukci a obsahuje pouzdro nebo obal, ve kterém je umístěno jádro 12 z měkkého železa s navinutým měděným vinutím 14. Jádro a vinutí jsou ponořeny do chladící olejové lázně 15. Na vrchu vnitřního objemu je uspořádána pokrývka 16 z plynného dusíku pro zachování kvality oleje v obalu. Přibližně na vrcholu transformátorového obalu je umístěn potom výstup,

- 3 spojený přes vrchní izolační ventil 18 do potrubí 20, které vede k chladiči nebo k tepelnému výměníku 22. Chladič, tepelný výměník 22, u tohoto systému stavu techniky obsahuje tenké chladící trubky 24 přes které cirkuluje chladící olej. Trubky jsou orientovány v sériích od sebe oddělených řad a sloupců, aby byl kolem nich umožněn průchod okolního vzduchu za účelem chlazení. Několik motorem poháněných ventilátorů 26 je navrženo pro hnání vzduchu přes a kolem tenkých trubek 24 pro poskytnutí nuceného chlazení okolním vzduchem. Výstup z tepelného výměníku 22 je napojen k utěsněnému motorovému čerpadlu 28, který žene chladící olej potrubím 30, spodním izolačním ventilem 32 zpět do vnitřního objemu obalu transformátoru.

V průběhu provozu žene čerpadlo 28 chladící olej do základny 33 transformátoru. Jak olej cestuje nahoru, indikováno šipkami 35, různými otvory, provedenými ve vnitřních částech transformátoru, jako je jádro 12 a vinutí 14, teplota chladícího oleje se zvyšuje a odvádí teplo a tím chladí části transformátoru, u kterých se zvýšila jejich teplota v důsledku jejich provozu. Zahřátý olej prochází přes výstup 37 do potrubí 20 a je vedeno přes tepelný výměník 22. Okolní vzduch, který je veden do této oblasti, ve které je teplený výměník 22 instalován, je hnán přes tenké chladící trubky 24 pomocí ventilátorů 26, a tím se chladí olej, procházející těmito trubkami 24. Okolní vzduch, který se ohřeje odvedenou energií z chladícího oleje je vypuštěn do atmosféry, zatímco ochlazený chladící olej je vrácen do čerpadla 28 pro další oběh transformátorem.

Zatímco dosavadní stav techniky zobrazený na obr. 1 poskytuje určité výhody, jeho chladící omezené schopnosti mají z následek to, že některé transformátory pracují v nepřijatelných podmínkách. Konkrétně, omezení udané podmínkami okolí, konkrétněji teplotní vlhkost, může mít za následek to, že chladící olej prochází přes výměník tepla bez podstatného odebrání tepelné energie, takže po určitém čase začne chladící teplota narůstat a chladící schopnosti oleje se tak snižují. Nakonec se stane chladící olej tak horkým, že již nechrání transformátor před překročením doporučené provozní teploty.

Užívání transformátorů a následně zvýšená proudová zátěž se typicky objevují v průběhu podmínek, kdy je teplota okolí nejvyšší. Teplota olejové lázně může např. narůstat ve dnech, kdy je teplota okolí velmi vysoká a vlhká, takže následně olej není dostatečně chlazen a teplota se zvyšuje až do poškození transformátorových součástí.

Bylo by tedy potřebné poskytnout výkonovým transformátorům takový chladící systém, který by překonal tyto i další nevýhody stavu techniky.

Podstata vynálezu

Tento vynález poskytuje způsob a systém pro zdokonalené chlazení vnitřních součástí výkonového transformátoru. Zařízení moduluje teplo transformátorového jádra, přičemž současně poskytuje vysoce účinný zdroj chlazení , který je méně náchylný k nárůstu tepla v chladícím oleji v důsledku změn v okolním prostředí a tepla transformátorového jádra v důsledku zátěže. Systém selektivně vede chladící olej transformátoru do tepelného výměníku, opatřeného zdrojem chlazení mnohem efektivnějšího, než je okolní vzduch. Tento vynález využívá energii poskytnutou transformátorem pro pohánění systému v období mimo špičku pomocí tepelných výměníků, které uchovávají energii pro následné použití. V jednom provedení mohou tepelné výměníky využívat pro uchovávání tepla materiály s fázovou přeměnou.

Jednou z výhod vynálezu je, že poskytuje sytém pro efektivní chlazení vnitřních součástí transformátoru pro všechny klimatické podmínky tak, aby transformátor nebyl podroben teplu, které poškozuje jeho strukturální integritu a/nebo efektivitu.

Dále je další výhodou tohoto vynálezu, že chladící systém může využívat tepelné výměníky provozované s chladivém, vyrobeným pomocí energie vyrobené mimo špičku, čímž se snižují náklady na provoz. Další výhodou je, že tepelná energie transformátoru může být využita pro poskytnutí energie, potřebné pro provoz tepelných výměníků, které ochlazují chladící olej vedený transformátorem

- 5 Další výhoda je uskutečněna znaky tohoto vynálezu, které patřičně ovlivňují chlazení transformátorového oleje pro kterékoliv podmínky okolí a tím maximalizují elektrickou kapacitu transformátoru.

Jedním cílem systému podle vynálezu je zdokonalit celkovou účinnost transformátoru odebíráním tepla vytvářeného průchodem proudu transformátorem. Dalším cílem je zvýšit využití a prodloužit životnost transformátoru, obsluhovaného chladícím systémem podle vynálezu.

Výše uvedené i další výhody a cíle tohoto vynálezu a způsobu, jak je jich dosaženo, budou zřejmé a vynález sám bude lépe pochopen z následujícího popisu příkladů provedení tohoto vynálezu ve spojení s připojenými výkresy.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 je čelní schématický pohled v částečném řezu chladícího sytému výkonového transformátoru podle stavu techniky.

Obr. 2 je schématický čelní pohled, v částečném řezu, částmi chladícího systému podle tohoto vynálezu.

Obr. 3 je diagram užitné doby transformátoru v hodinách jako funkce teploty transformátorového oleje při porovnání výkonu u chladících systému podle stavu techniky s chladícím systémem sestrojeným podle učení tohoto vynálezu.

Obr. 4 je schématický pohled, ilustrující jedno provedení součástí použitých pro chlazení tepelného výměníku z obr. 2.

Obr, 4A je pohled v řezu podél čáry 4A-4A z obr. 4 tepelného výměníku s materiálem s fázovou přeměnou, a dále ukazuje čárkovanými čarami elektrické spojení mezi tepelnými články tepelného výměníku a zdrojem energie.

Obr. 5 je schematický pohled na chladící systém výkonového transformátoru podle tohoto vynálezu, který je určen pro použití se 100 MVA výkonovým transformátorem.

Obr. 6 je schematický pohled na jiný chladící systém výkonových transformátorů poále tohoto vynálezu.

Obr. 7 je schematický pohled na zastoupení energetické podstanice s několika výkonovými transformátory, kde každý z nich je opatřen chladícím systémem v souladu s předmětem podle tohoto vynálezu.

Odpovídající vztahové značky označují odpovídající části pro několik pohledů. Ačkoliv výkresy přestavují provedení vynálezu, nejsou nezbytně v měřítku a určité znaky mohou být přehnány nebo naopak vynechány pro lepší ilustraci a vysvětlení tohoto vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Pro účely podpory a porozumění principů vynálezu je zde proveden odkaz na příkladná provedení zobrazená na připojených výkresech, pro jejichž popis budou použity specifické výrazy. Nicméně by neměla být tato provedení chápána jako omezující rozsah ochrany. Vynález zahrnuje jakékoliv úpravy a další změny popsaných způsobů a zařízení a další použití principů vynálezu, které by normálně napadly odborníka v oblasti, ke které se vynález vztahuje. Například zatímco je ilustrované provedení v podstatě stávající systém, může být chladící systém podle vynálezu použit i na uskupení nově vyvinutých výkonových transformátorů.

Na obr. 2 jsou schematicky zobrazeny vybrané části jednoho provedení transformátorového chladícího systému 27 podle vynálezu. U tohoto provedení je použit transformátor a chladící systém z obr. 1, který byl vybaven chladícím systémem podle tohoto vynálezu tak, aby se vytvořily zlepšené chladící schopnosti pro různé provozní podmínky, kterými může transformátor projít. Nový chladící systém je tak použit pro zvýšení chladících schopností konvenčního chladícího

- 7 systému. Toto provedení je pouze ilustrativní a v žádném případě není zamýšleno pro chladící systém podle vynálezu jako limitující, protože chladící systém může být případně použit i jako samostatný chladící systém chladícího oleje transformátoru.

Na obr. 1 a obr. 2 jsou shodné části označeny shodnými vztahovými značkami, chladící systém podle vynálezu obsahuje třícestný ventil 40 napojený na potrubí

20. Třícestný ventil 40 je připojen na potrubí 42, které je napojeno na dodatečný tepelný výměník 44, který je použit pro chlazení chladícího oleje, protékajícího přes transformátor. Ačkoliv je na obr. 2 třícestný ventil 40 nakreslen nad potrubím 20 nebo v jeho blízkosti, třícestný ventil 40 může být uspořádán i v potrubí 20 tak, aby selektivně směroval chladící olej pro obejití výměníku 22 a místo toho aby vstupoval do potrubí 42 a potom přes dodatečný tepelný výměník 44. Toto obcházení je naprogramováno za pomoci ovladače 55, zde popsaného aby se provedlo v situaci, kdy ventilátory 26 a tepelný výměník 22 nejsou schopny patřičně chladit chladící olej.

V jednom ze znaků tohoto vynálezu je zpětné potrubí 46 z dodatečného tepelného výměníku napojeno na čerpadlo 28 pro recirkulaci přes transformátor JO. Teplota, na kterou je chladící olej zchlazen závisí na zatížení transformátoru 10, okolních teplotních podmínkách a chladícím systému, přičemž ke tato teplota dostatečně nízká, aby nesnižovala životnost nebo účinnost transformátoru. Přednostně je v zpětném potrubí 46 upraven zkušební ventil nebo dvoucestný ventil 47, aby řídil recirkulační tok do transformátoru. Podle jednoho provedení může být tento ventil 47 ovládán ve spojení s třícestným ventilem 40.

Dodatečný tepelný výměník 44 využívá zchlazenou pracovní kapalinu, aby citlivě snižovala teplotu chladícího oleje z transformátoru 10, který je veden přes dodatečný tepelný výměník 44. Chladivo vstoupí do potrubím 48 do tepelného výměníku 44, připojenému ke konvenčnímu zdroji chladivo, který není zobrazen. Chladivo se potom odebíráním tepla z chladícího oleje zahřeje a je vypuštěno z tepelného výměníku 44 přes potrubí 50, které vrací chladivo do zdroje chladivo ke dalšímu použití. Dodatečný tepelný výměník 44 může být kterýkoliv z různě ·» ····

- 8 uspořádaných tepelných výměníků, které jsou v oboru známé,jako např. trubkový výměník s obalem. Nicméně v upřednostňovaném provedení je tento tepelný výměník založen přenosu tepelné energie mezí dvěma tekutinami, tj. mezi chladivém a chladícím olejem. Třícestný ventil 40 je napojen na teplotní snímací a řídící mechanizmus nebo ovladač 55, který řídí provoz třícestného ventilu 44. Ovladač 55 může být také naprogramován a operativně připojen konvenční cestou tak, aby řídil i zbytek chladícího systému, jako např. dvoucestný ventil 47 nebo tok chladivá ze zdroje tohoto chladivo a to kterýmkoliv způsobem, který by podle následujícího popisu navrhl odborník pracující v této oblasti. Ovladač 55 může být přednostně kterýkoliv konvenční programovatelný ovladač, který vytváří řídící signály jako funkci různých vstupních signálů. V jednom konkrétním provedení může být ovladač 55 naprogramován tak, aby ovládal třícestný ventil 40 jako funkce teploty chladícího oleje. V tomto konkrétním povedení může ovladač 55 obsahovat teplotní senzory instalované buď uvnitř a/nebo vně transformátorového pouzdra nebo nádrže, kdy např. může být ponořen do chladícího oleje v horní třetině pouzdra.

Tak aby byl optimalizován výkon transformátoru, ovladač 55 může být nakonfigurován pro zjišťování teploty transformátorového izolačního a chladícího oleje a jestliže tato začne narůstat, je ze senzorů vyslán digitální signál do integrovaného zařízení s tenkou vrstvou v pevné fázi, který extrapolací nárůstové křivky určí, zda bude maximální teplota chladícího oleje překročí přijatelnou úroveň v průběhu předem daného časového období. Samozřejmě, takové určení se může provést na softwarové úrovni s příslušně nakonfigurovaným ovladačem 55. Teplota chladícího oleje transformátoru musí být typicky udržována pod 95 °C nebo být omezena na nárůst 65 °C nad teplotu okolí tak, aby byly udrženy nominální vlastnosti transformátoru a chráněna jeho životnost. Jestliže je předpoklad, že budou tyto parametry překročeny, ovladač 55 automaticky otevře třícestný ventil 40, stejně jako další nezbytné ventily, v příslušném pořadí tak, aby začal zchlazovací proces. Například, jestliže zdroj chladivo připraví chladivo o patřičné teplotě, jsou ventily otevřeny v příslušném pořadí tak, aby se zajistil průchod chladivá přes dodatečný tepelný výměník 40. Ovladač 55 může

• * * Í • 0 0 00 0

- 9 v podstatě současně otevřít třícestný ventil 40, aby odváděl chladící olej o vysoké teplotě k snížení této teploty.

Vzhledem k této vlastnosti, kdy architektura systému vlastně „vidí“ do budoucnosti, není umožněno, aby se vnitřní součásti transformátoru 10 přiblížily k teplotě, která by mohla snížit životnost nebo účinnost transformátoru. Dále může být ovladač 55 naprogramován tak, aby řídil chladící systém podle vynálezu v jakémkoliv rozsahu teplot okolí a chladícího oleje, čímž je maximalizována schopnost transformátoru transformovat. Alternativně může ovladač 55 obsahovat uložené informace, které indikují teplotní historii konkrétního transformátoru, Například mohou transformátory typicky vykazovat obecně shodnou teplotní odezvu na provozní zatížení a okolní podmínky. Každý transformátor reaguje odlišně a má odlišnou prahovou teplotní odezvu před tím, než nastanou škodlivé podmínky. Ovladač 55 může udržovat teplotní historii nebo profil pro každý transformátor, napojený na chladící systém. Aktuální teplotní data z teplotních senzorů chladícího oleje pro každý transformátor se mohou porovnávat s profilem pro určení, zda by se měly předvídat problematické teplotní podmínky.

Do rozsahu tohoto vynálezu patří kterýkoliv známý způsob dodávání chladivo do dodatečného tepelného výměníku 44. Např. elektřina z transformační stanice může být použita pro vyrobení chladivo pomocí poháněného chladícího zařízení se stlačováním par nebo pomocí absorpčního chlazení a/nebo přírodních zdrojů pozemní vody, jezer atd., tj. pomocí čerpadel, které přivádějí pozemní vodu do tepelného výměníku. Takové chladící zařízení se stlačováním par může být provozováno on-line, tedy závisle, jinými slovy v průběhu časového období, kdy je chlazení skutečně potřebné, nebo i off-line, tedy nezávisle, a/nebo on-line i offline. Jestliže je provozováno nezávisle, je chladivo, které je vyrobeno stlačováním par uloženo adekvátně jako kapalina nebo led, které mohou být později použity pro odejmutí tepla z jádra. A ještě dále, výkonový transformátor sám o sobě je robustním zdrojem tepla, který může být použit pro pohánění absorpčního chlazení nebo chladiče, tak jak bude detailněji popsáno dále. Jestliže je teplo ·· ·«··

- 10 transformátoru zdrojem energie pro své vlastní chlazení, může být tento chladící systém ještě účinnější než ten, který je dosažen chlazením pomocí stlačování par.

Graf z obr. 3 pomáhá ilustrovat výhody, dosažené chladícím systémem z obr. 2. V grafu je vztažena životnost transformátoru v hodinách k teplotnímu nárůstu transformátorového oleje. Křivka C zobrazuje omezení výkonu pro tradiční nucené olejové a vzduchové chladící systémy stavu techniky. Tyto systémy však typicky nejsou schopny předvídavě udržovat výkon transformátoru vlevo od křivky C, což znamená, že transformátor může pracovat v nebezpečném rozsahu. Nicméně podle tohoto vynálezu transformátor vždy zůstane v bezpečném rozsahu, který je na obr. 3 představen jako operační rozsah R.

S odkazem na obr. 4 a obr. 4A je zde představeno jedno provedení zařízení vhodného k zajištění chlazení pro dodatečný tepelný výměník 44 z obr. 2. Na obr. 4 jsou transformátor 10 a jeho součásti z obr. 2, a další, než jen tepelný výměník 44, zobrazeny jako abstraktum 60. V tomto provedení je zobrazeno chladící zařízení 65, představované absorpčním chladícím zařízením nebo chladícím generátorem, použito jako zdroj chladivá pro dodatečný tepelný výměník 44.

Potrubí 48 je provozně spojeno s chladícím zařízením 65 pro dodávání chlazené pracovní kapaliny nebo chladivá z chladícího zařízení 65 do obalu a trubkového dodatečného výměníku 44. Chladivém může být voda, přednostně o teplotě od 5,55 °C (42 F) do 15,55 °C (60 F) Chladící zařízení 65 je řízeno ovladačem 55 pro výrobu teplotně měněné kapaliny. Potrubí 50 je provozně připojeno k chladícímu zařízení 65 pro vracení ohřátého chladivá pro opětné ochlazení. Chladící zařízení 65 je spojeno trubkami 72 a 74 k chladící věži 70 obvyklého vytvoření, která umožňuje, aby přebytečné pohlcené teplo z absorpčního chladícího procesu bylo vypuštěno do atmosféry. Trubka T2 dopravuje vodu o vysoké teplotě, jako o teplotě v rozmezí 32,2 °C (90 F) až 54,4 °C (130 F), do chladící věže 70 pro ochlazení. Trubka 74 vrací vodu o nižší teplotě, jako o teplotě v rozmezí 21,1 °C (70 F) až 37,8 °C (100 F) do chladícího zařízení pro chladící použití.

·*«··» • ·

4« ·»·*

- 11 Tepelná energie použitá popohánění absorpčního chladícího zařízení 65 je dodávána z vody o vysoké teplotě, jako jsou teploty v rozmezí od 93,3 °C (200 F) do 115,6 °C (240 F), která je dodávána potrubím 78 z tepelného výměníku 80 s materiálem se změnou fáze. Rovněž může být zdrojem tepelné energie pára. Potrubí 82 vrací vodu o nižší teplotě z absorpčního chladícího zařízení 65 do tepelného výměníku 80 pro opětné ohřátí. Podle svého přednostního provedení může být tepelný výměník 80 typu, popsaného v souběžné přihlášce US 09/607,853 s názvem „Tepelný výměník s materiálem se změnou fáze“, jehož celý obsah je zde zahrnut jako reference.

Jak je zobrazeno abstraktně na obr. 4A, výstup z transformátorové stanice 85 je elektricky připojen k tepelnou energii přenášejícím článkům 87, které jsou upraveny v materiálu 89 se změnou fáze. Elektřina z transformátorové stanice 85 je dovedena do článků 8Z, které se ohřejí a rozpustí materiál 89 se změnou fáze. Tento proces je přednostně spuštěn ovladačem, jako je ovladač 55, v denním čase, kdy je kontrolovaná zátěž nižší, než je nominálního hodnota transformátoru, včetně možných off-line časů, jako v noci, kdy je chladící zařízení podle vynálezu méně zapotřebí. Tepelný výměník 80 je navržen tak, že tepelná energie odevzdaná tuhnoucím materiálem se změnou fáze z tekutého stavu je přenesena do vody, která prochází přes prstenec tepelného výměníku 80 a je vedena do absorpčního chladícího zařízení 65, které tak může produkovat chladivo, používané pro upravení teploty transformátorového oleje procházejícího přes dodatečný tepelný výměník 44.

Další popis vnitřních operací absorpčního chladícího zařízení 65 není zde uvedeno, protože jeho operační cyklus je v oboru dobře znám. Vytvoření a průběh práce chladícího zařízení 65 je např. popsán v patentu US 4 936 109, který je zde celý uveden jako odkaz.

Nyní k obr. 5, na kterém je znázorněn chladící systém z obr. 4, který je upravený k chlazení stávající transformátorové stanice JO např. s nominální kapacitou 100 MVA. Stávající transformátorová stanice JO je, jak je zobrazeno, vybavena čtyřmi chladícími výměníky 22 oleje, chlazenými nuceným oběhem okolního vzduchu, a »· t · » » · « ·· ·»»·

- 12 s nimi spojenými čerpadly 28, připojenými obvyklým způsobem, jak již bylo popsáno na obr. 2, s vnitřním objemem transformátoru. Jak bylo výše popsáno s odkazem na obr. 2 je každý vstup do výměníku 22 opatřen obtokovým ventilem, jako např. třícestným ventilem 40, připojeným k společnému potrubí 42 s olejem o vysoké teplotě, které je napojeno na dodatečný tepelný výměník 44. Transformátorový olej ochlazený průchodem dodatečným tepelným výměníkem 44 se vrací trubkou 46 s více odbočkami pro zpětné uvedení do transformátorů u čtyř vstupů v blízkosti čtyř tepelných výměníků 22. V jednom konkrétním provedení se tepelný výměník 44 vytvořen kapacitou přenosu tepla 314 MJ ( 75 thermů) a ačkoliv je zobrazen jako jedna jednotka může být vytvořen z několika menších jednotek, které dají dohromady potřebnou chladící kapacitu.

Teplota chladící oleje na výstupu z tepelného výměníku 44 je funkcí okolních podmínek a zátěže transformátoru. Jestliže je okolní teplota příliš vysoká vytváří tepelný výměník na výstupu chladící olej o teplotě, která ve spojení s s průchodem chladícího oleje řízeným ovladačem 55 udržuje zahřátí transformátoru pod jeho doporučenou hodnotou. Např. pro provedení z obr. 5, které je zde detailně popsáno, při vrcholných podmínkách počasí v létě na středozápadě, kdy má vzduch teplotu kolem 38,9 °C (100 F) v průběhu elektrické špičky, kdy je transformátor plně zatížen, musí chladící olej udržovat transformátor od jeho přehřátí. Konkrétně, avšak pouze jako příklad, může teplota chladícího oleje na vstupu do chladícího výměníku 44 dosáhnout hodnoty kolem 105 °C (221 F), přičemž teplota chladícího oleje na výstupu z tepelného výměníku je kolem 80 °C (176 F). Jestliže by byla požadována ještě nižší teplota vystupujícího chladícího oleje pro takové podmínky, může být potom zapotřebí větší chladící zařízení stejně jako větší množství tepelných výměníků, než je zobrazeno na obr. 5 pro uchování většího množství energie. Samozřejmě mohou být použity i další typy tepelných odpadů kromě již popsaných tepelných výměníků, aby se dosáhlo požadované kapacity uskladnění tepelné energie. A ještě dále, v situacích, kdy jsou okolní teploty nižší, může mít výstup z tepelného výměníku nižší teplotu a může být použit pro chlazení transformátoru i ještě níž, tj. pod hodnotu 105 °C (221 F), tak by zvýšil účinnost při transformování.

V konkrétním provedení na obr. 5 je 415 t absorpční chladící zařízení 65, ukryté v budově 66, která jej chrání před všemi typy počasí, napojeno na dodatečný tepelný výměník 44 a poskytuje mu přes potrubí 48 tok chladivá, jako např. chladné vody o teplotě kolem 7,2 °C (45 FJ. Potrubí 50 vrací ohřáté chladivo z dodatečného tepelného výměníku 44 do chladícího zařízení 65. Absorpční chladící zařízení 65 je připojeno k chladící věži Z0 konvenčním způsobem trubkami 72, 74.

A nyní opět jako příklad, absorpční chladící zařízení 65 může být napájeno vodou o vysoké teplotě, kolem 115,6 °C (225 F), dodávané potrubím 78 napojeným souběžně k několika tepelným výměníkům 80, obsahujícím materiál se změnou fáze, typu, který byl popsán na obr. 4. Tepelné výměníky 80 mohou zahrnovat 22 jednotek, kde každá z nic je vytvořena z 1 2,8 m (42 ft) dlouhé trubky o průměru cca 155 cm² (24 in²). Každý tepelný výměník 80 může být naplněn 8 t materiálu nebo soli se změnou fáze. Potrubí 82 je napojeno souběžně k tepelným výměníkům 80 pro navrácení vody o nižší teplotě z absorpčního chladícího zařízení 65 k opětovnému ohřátí. Tepelný výměník 80 může být selektivně napájen elektrickou energií vyrobenou mimo špičku tak, aby uložila desítky kJ ( miliony BTU), např. 627 kJ (15 . 10⁶ BTU), které mohou být postačující pro dvouhodinový provoz při maximální zátěži a teplotě, v elektricky zahřátém materiálu se změnou fáze pro případný ohřev vody, užívané chladícím zařízením 65. Protože energie uložená v tepelných výměnících 80 je použita až po určité době, ovladač 55, který reguluje provoz chladícího systému zajistí, že dodatečná elektrická energie, která je odebrána z elektrárny v době, kdy není špička, znovu doplnila energii uloženou v materiálu se změnou fáze. Jinými slovy, elektrická energie použitá pro roztavení materiálu se změnou fáze se z transformátorové podstanice získá v době s nižšími energetickými požadavky, např. v noci nebo v denních hodinách, ve kterých není vyžadovaná plná kapacita transformátorové stanice k naplnění poptávky. I když byly principy vynálezu popsány s odkazem na tepelné výměníky, používající materiály se změnou fáze, mohou být samozřejmě v souladu s podstatou tohoto vynálezu pro takové použití uzpůsobeny i jiné typy tepelných výměníků.

Να obr. 6 je popsáno ještě další provedení transformátorového chladícího systému podle tohoto vynálezu. Chladící systém z obr. 6 je podobná systému z obr. 5, avšak používá ještě sekundární tepelný výměník 100, který je zde použit pro využití tepla vytvářeného transformátorem k napájení absorpčního chladícího zařízení 65. V některých případech, v průběhu náběhu absorpčního chlazení může být požadována další chladící kapacita. Dále může být pro chladící zařízení zapotřebí i dodatečná tepelná energie tak, aby se umožnilo jeho spuštění.

U tohoto provedení vstupuje chladící olej o vysoké teplotě z transformátoru do sekundárního tepelného výměníku 100, kterým může být např. trubkový tepelný výměník s obalem, přes odbočku 42a, napojenou na potrubí 42. V přednostním provedení je mezi potrubí 42 a odbočku 42a upraven řídící ventil, který může být ovládán samostatným programovatelným ovladačem v závislosti na teplotě chladícího oleje, stavu absorpčního výměníku 65 a dalších podmínkách. Chladící olej o snížené teplotě je vypuštěn ze sekundárního tepelného výměníku 100 do odbočky 101, která je napojena na vstup primárního tepelného výměníku 44. V konkrétním provedení může sekundární tepelný výměník 100 snížit teplotu oleje z 105°C (221 F) na cca. 87,8 °C (190 F) .

Pracovní kapalina, jako voda, je pro ohřátí v sekundárním tepelném výměníku 100 dodávána trubkou 102, která je napojena na potrubí 82, které vrací vodu o nižší teplotě z chladícího zařízení 65 pro opětné ohřátí. Výstup ohřáté pracovní kapaliny z sekundárního tepelného výměníku 100 je napojen na trubku 104, která je připojena na potrubí 78, které dodává vodu o vysoké teplotě, jako např. 93,3 °C (200 F) až 115,6 °C (240 F) do absorpčního chladiče 65, aby napájel absorpční chladící zařízení 65 pro vytvoření chladivo, které se vede do tepelného výměníku 44. Příslušný systém ventilů může být napojen na ovladač chladícího systému podle vynálezu, potrubím Z8 a 82, takže tekutiny mohou selektivně proudit mezi absorpčním chladícím zařízením 65 a bud' tepelnými výměníky 80 s materiálem se změnou fáze nebo sekundárním tepelným výměníkem 100. Tyto ventily způsobují, že tepelná energie je dodávaná do absorpčního chladícího zařízení z většího zdroje energie - tepelných výměníků 80- v průběhu určitých period, jako např. při efektivním náběhu chladícího zařízení nebo když chlazení, požadované tepelným

výměníkem 44 je větší než jaké může chladící zařízení 65 poskytnout, jestliže je napájeno jen teplem z tepelného výměníku 100. Konkrétněji, tepelné výměníky 80 mohou poskytovat vyrovnávací vlnu tepla tak, aby se umožnil efektivní náběh chladícího zařízení 65, když transformátor sám nemá v „rezervě dostatek tepla, uvolniteiného v tepelném výměníku 100, aby to bylo možné provést nebo když ukládání „rezervy potřebného tepla by bylo v protikladu s životností nebo s účinností transformátoru. V alternativním provedení je místo tepelných výměníků 80 s materiálem s přeměnou fáze používáno pro náběh chladícího zařízení 65 jiné známé zařízení, jako např. mechanickým chladícím zařízením, např. pomocným kotlem. Tepelná energie dodávaná do chladícího zařízení 65 z tepelného výměníku 100 po té, co absorpční chladící zařízení 65 již naběhlo a je provozováno v nepřetržitém stavu nebo v dobách, kdy je požadována menší výroba chladivá.

Ve výhodném provedení na obr. 6, které používá tepelné výměníku s materiálem se změnou fáze ve spojení se systémem využívajícím teplo transformátoru, jako je sekundární tepelný výměník 100, umožňuje operátorovi systému optimalizovat ekonomiku transformátorového chladícího systému podle vynálezu tím, že si vybírá doby, kdy je elektrická energie dostupnější a levnější pro nabití systému s přeměnou fáze, takže ten bude k dispozici pro zvýšení transformace v době, kdy zařízení i systém jsou v operačním stavu nejvyšších nákladů. Konkurenční výhodou systému tak, jak je vytvořen, je i to, že umožňuje operátorovi systému si volit ukládání rezervy tepla do tepelných výměníků 80 v době, kdy náklady na výrobu elektrické energie jsou nejnižší, mimo špičku, a přivést je zpět provozováním transformátorového chladícího systému pro snížení ztrát ve vinutí transformátoru a v jeho jádru, čímž se zvýší celková účinnost transformátoru a sníží se náklady na provoz i za podmínek, když je možné jednotku provozovat pod kritickými teplotami z důvodu nižší okolní teploty.

V jednom konkrétním příkladu, který je použitelný pro 300 MVA transformátor, může být chladící zařízení 354 t zařízení, jako je např. TRANE MODEL ABSC-03F. Tepelný výměník může být 16 až 18 t jednotka s materiálem se změnou fáze.

Ilustrovaný systém může uložit až 3,38 MJ (3,3 . 10⁶ BTU)vyrobených mimo špičku pro zvětšení tepelného zdroje absorpčního chladícího zařízení.

V modifikaci na obr. 6 je výstupní potrubí i 01 napojeno přímo na potrubí 46, čímž obchází primární tepelný výměník 44. V tomto provedení poskytuje sekundární tepelný výměník primární chlazení transformátorového oleje, čímž snižuje výstupní požadavky na absorpční chladící zařízení 65.

Chladící systém podle tohoto vynálezu, jako např. výše popsaný systém 27, může být integrální částí podstanice pro výrobu elektrické energie. Tak podle obr. 7 mohou být transformátory 10 opatřeny odpovídajícím chladícím systémem 27. Každý chladící systém 27 zahrnuje chladící zařízení, jako např. chladící zařízení 65, napojené na společnou chladící věž 70. Programovatelný ovladač 55 může být uspořádán v řídící nebo v provozní budově. Každý chladící systém může být opatřen jednotlivým ovladačem nebo může být poskytnut společný ovladač, který je napojen na údaje o teplotě a provozu z každého chladícího systému a může jim vysílat zpět řídící signály. V přednostním provedení jsou části každého chladícího systému navrženy a nařízeny pro oběh asi 1363 l/min (360 gpm) chladícího oleje, aby mohlo být provedeno on-line chlazení až do 118 t/h.

I když byl vynález popsán a předveden jakoby s přednostními provedeními, může být dále v rozsahu vynálezecké myšlenky a tohoto popisu modifikován. Touto přihláškou je tedy zamýšleno pokrýt i jakékoliv jiné změny, použití nebo úpravy obecných principů tohoto vynálezu. Tato přihlášky pokrývá i takové odchylky od tohoto popisu, které jsou obvyklé nebo známé ve stavu techniky, ke kterému se vynález vztahuje.

0 0 · · 0 00 0 00 0 0

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob snížení teploty chladicího média, procházejícího transformátorovým chladícím systémem, vyznačující se t í m, že chladící médium prochází kapalino-kalinovým tepelným výměníkem, čímž se sníží teplota chladícího média, tepelným výměníkem prochází chladivo pro odejmutí tepelné energie z chladícího média a chladivo se zchlazuje v absorpčním chladícím zařízení, které se pohání uschovanou tepelnou energií.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se t í m, že se uchovává tepelná energie uschovává pomocí energie odejmuté z transformátoru.
3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se t í m, že se z transformátoru odejímá tepelná energie.
4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se t í m, že tepelná energie se z transformátoru odebírá jako odpadní teplo.
5. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že energie se uchovává v materiálu se změnou fáze a že se z transformátoru odejímá elektrická energie.
6. Způsob podle nároku 2, vyznačující se t í m, že se z transformátoru, který je součástí energetické distribuční sítě, odebírá energie v době mimo energetickou špičku.
7. Systém pro snižování teploty chladícího média, procházejícího transformátorovým chladícím systémem, vyznačující se t í m, že obsahuje první tepelný výměník (22) s nuceným oběhem vzduchu, který je napojený na transformátorový chladící systém, druhý kapalino-kapalinový chladící výměník (44) napojený na transformátorový chladící systém a zdroj chladivá, napojený na druhý tepelný výměník (44) pro dodávání chladivá a odebírání tepla z chladícího média, procházejícího druhým tepelným výměníkem (44).
8. Systém podle nároku 7, vyznačující se tím, že první a druhý tepelný výměník (22,44) jsou k transformátorovému chladícímu systému připojeny paralelně.
9. Systém podle nároku 2, vyznačující se tím, že první tepelný výměník (22) je opatřen vstupem a výstupem, které jsou napojeny na transformátorový chladící systém odpovídajícím vstupním a výstupním potrubím a že druhý tepelný výměník (44) je opatřen druhým vstupem a výstupem, kde druhý vstup je napojen na vstupní potrubí mezi transformátorovým chladícím systémem a prvním vstupem.
10. Systém podle nároku 9, vyznačující se t í m, že obsahuje řídící ventil (40), který je upraven mezi druhým vstupem a vstupním potrubím, přičemž ventil (40) je upraven pro selektivní provoz v otevřené poloze pro tok kapaliny z vstupního potrubí do druhého vstupu, a v zavřené poloze pro zamezení toku kapaliny z vstupního potrubí do druhého vstupu.
11. Systém podle nároku 10, vyznačující se t í m, že řídící ventil (40) je upraven pro ovládání do otevřené nebo do zavřené polohy v závislosti na teplotě buď transformátorového chladícího systému nebo transformátoru (10).
12. Systém podle nároku 11, vyznačující se tím, že řídící ventil (40) obsahuje programovatelný ovladač (55), opatřený pamětí pro ukládání teplotního profilu buď transformátorového chladícího systému nebo transformátoru (10) a prostředky pro porovnání teploty bud' transformátorového chladícího systému nebo transformátoru (10) s tímto teplotním profilem.
13. Systém podle nároku 7, vyznačující se tím, že zdroj chladivo je absorpční chladící zařízení (65).
14. Systém podle nároku 13, vyznačující se t í m, že absorpční chladící zařízení (65) je napojeno na kapalinový teplo chovávající prvek.
15. Systém podle nároku 14, vyznačující se t í m, že kapalinový teplo uchovávající prvek je materiál se změnou fáze.
16. Systém podle nároku 14, vyznačující se tím, že kapalinový teplo uchovávající prvek je upraven pro napájení energií generovanou transformátorem.
17. Systém pro snižování teploty chladivo procházejícího transformátorovým chladícím systémem, vyznačující se tím, že obsahuje kapalinokapalinový tepelný výměník (44) napojený na transformátorový chladící systém , kde tepelný výměník (44) je opatřen vstupem chladícího média pro dodání chladivo se zvýšenou teplotou z chladícího systému, výstupem chladícího média pro vypuštění chladícího média s relativně nižší teplotou do chladícího systému, vstupem chladivo pro dodání tekutého chladivo výstupem chladivo pro vypuštění chladivo z tepelného výměníku po absorbování tepelné energie z chladícího média, a zdroj tekutého chladivo napojený tepelný výměník pro dodávání chladivo o teplotě nižší, než je relativně nižší teplota chladícího média.
18. Systém podle nároku 17, vyznačující se t í m, že chladivém je voda.
19. Systém podle nároku 17, vyznačující se t í m, že zdrojem tekutého chladivo je absorpční chladící zařízení (65).
20. Systém podle nároku 19, vyznačující se tím, že absorpční chladící zařízení (65) je napojeno na kapalinový teplo uchovávající prvek.
21. Systém podle nároku 20, vyznačující se tím, že kapalinovým teplo uchovávajícím prvkem je materiál se změnou fáze.
22. Systém podle nároku 20, vyznačující se t í m, že kapalinový teplo uchovávající prvek je napájen energií z transformátoru (10).

·· · ·9 · · *· ·· · · ···· ·· 9 « · · » • · · ··· · · · ·« ··· ·· · ·♦ ····
23. Systém podle nároku 22, vyznačující se t í m, že teplo uchovávající prvek je napájen tepelnou energií, vytvářenou transformátorem.
24. Systém podle nároku 17, vyznačující se tím, že obsahuje druhý kapalino-kapalinový tepelný výměník (100) připojený mezi chladícím systémem a vstupem chladícího média.
25. Systém podle nároku 24, vyznačující se t í m, že zdroj tekutého chladivo zahrnuje absorpční chladící zařízení (65) a kapalinový teplo uchovávající prvek napojený na absorpční chladící zařízení (65), opatřený vstupem chladivo pro dodávání chladivo z absorpčního chladícího zařízení (65) o první teplotě a výstupem chladivo pro vypouštění chladivo do absorpčního chladícího zařízení (65) o vyšší druhé teplotě, přičemž druhý tepelný výměník (100) je připojen k absorpčním chladícímu zařízení (65) pro obdržení chladivo o první teplotě a vypuštění chladivo o třetí teplotě, která je vyšší než první teplota.