Анализ на въглеродния отпечатък и общите разходи за целия период (TCO) при проектирането на трансформатор за електроенергия

1. Обзора

В резултат на глобалното затопляне, намаляването на емисиите на парникови газове е критичен въпрос. Значителна част от загубите в системите за предаване на електроенергия идват от трансформаторите. За да се намалят емисиите на парникови газове в електроенергийните системи, трябва да се инсталират по-ефективни трансформатори. Въпреки това, по-ефективните трансформатори често изискват повече материали за производство. За определяне на оптималното отношение на загубите и цената на производството на трансформаторите, методът за общата собственост (TCO) е стандартна практика в промишлеността. Формулата TCO взема предвид покупната цена (PP) и цената на загубите по време на планирания период на живот (PPL). Този метод отчита цената на загубите чрез фактори на капитализация (A, B).

Въпреки това, този подход взема предвид само пряките разходи за електроенергия на трансформаторите по време на техния планиран период на служба. Индиректните въздействия, включващи екологични ресурси, производствена инфраструктура, инсталация и поддръжка, не се взимат предвид. Например, тези електрически продукти често се обновяват и/или се използват повторно след своята пенсия. Като пример, при трансформаторите за електроенергия, 73% от използваните материали могат да бъдат рециклирани, а този процент може да бъде увеличен още, когато се използва изолиращо масло на база природни естери. Предимствата на рециклирането и повторното производство на материали не се взимат предвид.

Углеродният отпечатък е друг показател за определяне на екологичното въздействие на електрическото оборудване по време на неговия период на служба. В момента няма широко приет метод за изчисляване на углеродния отпечатък на електроустановките. Различните изчислителни инструменти често дават значително различни резултати. Тази статия предлага метод за анализ на углеродния отпечатък и го прилага за оптимизация на трансформаторите. Резултатните трансформатори се сравняват с тези, базирани на метода TCO.

2. Методът за общата собственост (TCO)

Формулата TCO представя жизнения цикъл на един продукт от покупка до окончателно извеждане от употреба. Друга често използвана терминология е Жизнен цикъл на разходите (LCC). Основната цел е да се сравняват трансформаторите на равни основи, за да се вземат решения за покупка. Стандартизираната форма на метода TCO по време на фазата на търгове е както следва:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Където А е коефициентът за загуби без натоварване (€/кW), B е коефициентът за загуби при натоварване (€/кW), PNLL (кW) е загубата без натоварване на трансформатора през целия му живот, а PLL (кW) е загубата при натоварване на трансформатора през целия му живот.

От гледна точка на енергийните компании или индустриалните и коммерческите потребители, изчисленията на TCO също се различават. Процедурите за оценка на загубите на трансформаторите от страна на енергийните компании включват разбиране и оценка на общите разходи за генериране, предаване и разпределение на загубите на трансформаторите, което води до сложни изчислителни формули. От друга страна, процедурите за оценка на загубите на трансформаторите от страна на индустриалните и комерческите потребители изискват разбиране и оценка на цените на електроенергията по време на планирания период на използване на трансформатора.

А. Подробности на аналитичния сценарий

Коефициентите (A, B) бяха изчислени за трансформатор с мощност 16MVA, свързан със соларна електроцентрала (Фигура 1). Използвахме стандартизиран метод за определяне на стойностите на A и B в нашите изчисления.

За тази цел е необходимо да се реши следното уравнение:

3. Анализ на углеродния отпечатък

Целта ни е да създадем методика за определяне и сравнение на оптималния углероден отпечатък (CF) за трансформаторите. „CF измерва общото количество емисии на двуокис на въглерод, причинени директно или индиректно от дейност или натрупани по време на жизнения цикъл на продукт.“ Той може също да представлява общото количество двуокис на въглерод (CO2) и други парникови газове (такива като метан, азотен диоксид и т.н.), свързани с продукт. CF е подмножество от данните, покрити от по-общи методики за оценка на жизнения цикъл (LCA). LCA е международно стандартизирана методика (ISO 14040, ISO 14044), използвана за оценка на екологичните бремена и потребителството на ресурси през целия жизнен цикъл на продукт. Следователно, CF е оценка на жизнения цикъл, ограничена единствено до емисиите, влияещи върху климатичните промени.

Има два основни метода за изчисление на CF: анализ на процесите отдолу нагоре (PA) или анализ на вход-изход (EIO) отгоре надолу. Анализът на процесите (PA) е подход отдолу нагоре, който взема предвид екологичното въздействие на един отделен продукт от производство до отпадъци. Екологичният анализ на вход-изход (EIO) е основан на подход отгоре надолу за оценка на CF.

Алгоритъмът за атрибути на продукта към въздействие (PAIA) предоставя универсален метод за изчисление на CF за различни видове електрически продукти, такива като осветителни устройства, въртящи се електрически машини и т.н. Този метод изчислява CF на двигатели по време на производство, експлоатация и рециклиране. Въпреки това, методът PAIA все още не е приложим за оценка на CF на трансформаторите за електроенергия.

Освен това, дизайнерските проекции на икономически отпечатък типично се сравняват за произволно избрани съществуващи дизайни (Фигура 2), вместо за два оптимално проектирани трансформатора. Поради дългия период на служба на трансформаторите, разходите, свързани с поддръжката, включващи рутинни замени, изискват допълнителни части и планирано спиране. Всички тези разходи не са включени в фазата на търгове. След прилагането на принципите на Индустрия 4.0 - предиктивна поддръжка - те могат да бъдат изчислени от самото начало на дизайн на оборудването.

3.1 Фактори на капитализация

За тази цел, факторите на капитализация са както следва:

Където r представлява дисконтната ставка за инвестициите. Обикновено тя варира между 5-10%, а ние избрахме 6.75% за нашите изчисления. В този случай очакваната продължителност на живота на трансформатора (t) е 25 години. В уравнение (4), p представлява годишното електроенергийно потребление на кВт от максималния споразуметел. Коэффициентът на споразуметел представлява съотношението между максималния споразуметел и номиналната мощност на трансформатора (0.65). Коэффициентът за възстановяване на капитал (f) показва общата бъдеща цена на годишните плащания, изчислена в текущата валута. Текущата цена на електроенергията в Централна Европа е 0.05 евро (€/кВч). Факторът на загуби при зареждане (LLF) е дефиниран като съотношение между средната загуба на мощност в даден период и загубата при пиков споразуметел. Факторът на зареждане (LF) е средната мощност на трансформатора през целия му жизнен цикъл, изразена като еквивалентен процент от средната до максималната мощност. В нашия случай, за фотоелектрически електроцентрали, LF=25%, следователно LLF е равно на 0.15625 (Фигура 1).

От уравнения (4,5), могат да бъдат изчислени факторите за капитализация (A, B). В уравнения (4,5), факторът 8760 представлява годишните часове на работа на трансформатора. В уравнение (B), се изчислява цената на загубите при зареждане. Сред всички трансформатори, най-ефективният и енергийно ефективен трансформатор е този, който минимизира TCO (Фигура 2).

А. Анализ на целевата функция за углеродния отпечатък

Аналогично на формулата за TCO, може да се въведе целева функция за оценка на углеродния отпечатък (CF) на електроенергийните трансформатори:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

където TCO2 представлява изчисленият углероден отпечатък (г), BCP представлява углеродния отпечатък, изчислен по време на производството на машината. A* и B* са фактори за капитализация за изчисляване на емисиите на въглероден диоксид (кг/кВт) през планираната служебна дейност на трансформатора.

За изчисляване на тези аналогични фактори за капитализация, се разглеждат три парникови газа (GHG): въглероден диоксид (CO2), метан (CH4) и оксид на азот (N2O) за всеки вид гориво, използван в електроенергийната мрежа. Това е така, защото, ако изчислим с нулеви емисии от фотоелектрическите електроцентрали, резултиращият трансформатор теоретично ще има минимална маса и максимални загуби. Емисиите на метан и оксид на азот се преобразуват в еквивалентни емисии на CO2, умножавайки ги с техните съответни фактори за глобалното затопляне (I):

където ei е факторът за емисии в единици (тCO2/МВч), докато eCO2,i, eCH4,i и eN2O,i са факторите за емисии на въглероден диоксид, метан и оксид на азот съответно за изследваното гориво (i), всички в единици (т/ГДж). Факторът 0.0036 се използва за преобразуване на ГДж в МВч. За гориво i, ni представлява ефективността на преобразуване на гориво i в преносната система (в проценти %), а λi представлява процентът на загубата на мощност за гориво i в преносната система. Този документ използва λi = 8% за изчисленията на всеки вид гориво.

Използвайки данните за енергийната структура на унгарската електроенергийна мрежа, бяха изчислени стойностите A*=425 кгCO2/кВт и B*=66.5 кгCO2/кВт.

4 Модел на трансформатора

Моделирането на електроенергийния трансформатор използва опростена двупроводна активна част (ядро и обмотки). Този подход е широко използван в предварителните етапи на оптимизация на дизайн, тъй като размерите на активната част определят обща големина на трансформатора. Геометричните и електрическите характеристики на трансформатора се моделират чрез ключови параметри на дизайна. Тези допускания са широко приети в индустрията, предоставящи достатъчна точност при оценката на загубите на мед и ядро, докато значително опростяват различните възможни конфигурации на ядро и обмотки.

Предварителният модел на трансформатора ясно дефинира външните граници на основните активни компоненти, което е достатъчно за ранните етапи на изчисленията на разходите. Разбирането на тези ключови параметри на дизайна ускорява работата на инженерите, а детайлните параметри на дизайна лесно могат да бъдат определени чрез стандартни практики (Фигура 2). Производителите на трансформатори в Европа и Америка използват методи на метахеуристически оптимизация в практиката.

5 Метахеуристичен търсене

Моделът на трансформатора използва геометрично програмиране, решено чрез метахеуристични алгоритми, за решаване на математическата модель на проблема на предварителната оптимизация на дизайна. Два фактора определят превъзходството на решителите на геометрично програмиране. Първо, современните решители на GP, базирани на вътрешни точки, са бързи и робусни. Второ, правилата за математическо моделиране на геометричното програмиране гарантират, че полученото решение е глобално оптимално. Изразите за равенства и неравенства трябва да бъдат представени чрез специални математически формули, наречени моноими (10) и позиноими (11).

Където ck>0, параметрите α са реални числа, а стойностите на променливите x трябва да са положителни. Проблемът на оптимизацията на разходите за обвивкови електроенергийни трансформатори може да бъде формулиран в специална геометрична структурна форма. Въпреки това, този математически метод на оптимизация не може да бъде приложен към ядро-тип електроенергийни трансформатори, тъй като те имат строги изисквания за импеданс при късо замыкание. Следователно, чрез комбиниране на метода GP с метода на разклоняване и ограничаване, беше получена бърза и точна методика за решение.

6 Резултати и обсъждания

А. Технически спецификации на пробния трансформатор

Оптимизационни тестове бяха проведени върху трансформатор с мощност 16 МВА и напрежение 120 кВ/20 кВ. Целите на оптимизацията в първия случай бяха общата собственост (TCO) и минималният въглероден отпечатък (CF). Честотата на мрежата беше 50 Хц, а необходимата импедансна стойност при кратко замыкание беше 8,5%. Параметрите бяха избрани в съответствие със стандарти. Избран метод за охлаждане на трансформатора беше ONAN, с температура на околната среда 40°C. Следователно, допустимият лимит на плътността на тока в обмотката за главната обмотка беше установен на 3 А/мм², а за обмотката за променливо напрежение – на 3,5 А/мм². 

Нисковолтната (първична) обмотка беше моделирана като спираловидна обмотка с CTC (непрекъснато прехвърлящ кабел), докато високоволтната (вторична) обмотка беше моделирана като дискова обмотка с двойни проводници. С оглед на насищането на материалите на ядрото и прекомерното напрежение в мрежата, максималната плътност на потока беше ограничена до 1,7 Т. Минималните изолационни разстояния бяха избрани на основата на емпирични правила. Стоимостта на електро-сталина беше избрана като 3,5€/кг, а цената на материала за обмотки – 8€/кг. Въглеродният отпечатък за производството на электро-сталина беше 1,8 кгСО2/кг, а за медта – 6,5 кгСО2/кг.

Резултатите от оптимизацията са обобщени в таблица 2. От резултатите може да се види, че оптималната ефективност на трансформатора при оптимизация CF е по-ниска от ефективността след анализ TCO. Напрежението на трансформатора за всяко завитие е свързано с отношениято мед-желязо, и стойностите са почти идентични в двете случая. Страничните загуби са относително малки в двете случая, без значителна разлика. В резултат на малкото LLF на сонячните електроцентрали, разходите за странични загуби са относително високи в сравнение с разходите за загуби под натоварване. Основната разлика се намира в загубите от мед, които са значително по-малки в случая на TCO. Тъй като ценовото отношение на неметални и метални суровини е по-високо от ценовото отношение на материали за ядро и мед, и CF на приложени материали е относително по-висока от CF на електрическите загуби, алгоритъмът за оптимизация се стреми към проекти с по-малко мед, за да намали CF на трансформатора. В резултат на значителната разлика между CF на цените на електричество и на мед/желязо, алгоритъмът предпочита по-малък, по-неефективен дизайн в сравнение с изчисленията, основани на TCO.

7 Заключение

В момента няма готов, широко приет метод за определяне на въглеродния отпечатък на силовите трансформатори. В постикономическата ера, анализите на въглеродния отпечатък в литературата са проведени върху произволно избрани двойки трансформатори. Обаче, големите силови трансформатори са изработени на поръчка за различни икономически сценарии. За сравнение на оптимизирани дизайни, бяха проведени два оптимизационни дизайна в практически пример. В първия случай беше извършена оптимизация TCO; във втория случай, въглеродният отпечатък на трансформатора беше минимизиран. Резултатите показват, че анализът на въглеродния отпечатък може да доведе до трансформатори с по-ниска ефективност от традиционните методи TCO. Това може да се дължи на факта, че околната среда на големите мотори е по-висока по време на производството, отколкото загубите им в мрежата. Допълнителни изследвания могат да оценят околната среда на времето за производство, поддръжка, използване на нови биоразлагаеми изолиращи масла или рециклиране на трансформатори.