اثر کربنی در مقابل تحلیل TCO برای طراحی ترانسفورماتور برق

1. مروری بر مسئله

به دلیل گرم شدن جهانی، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای موضوع بسیار مهمی است. بخش قابل توجهی از زیان‌ها در سیستم‌های انتقال برق از ترانسفورماتورهای قدرت ناشی می‌شود. برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در سیستم‌های برق، باید ترانسفورماتورهای کاراتر نصب شوند. با این حال، ترانسفورماتورهای کاراتر اغلب به مواد بیشتری برای تولید نیاز دارند. برای تعیین نسبت زیان بهینه و قیمت تولید ترانسفورماتورها، روش هزینه کل مالکیت (TCO) روش معیار صنعتی است. فرمول TCO قیمت خرید (PP) و هزینه زیان‌ها در طول دوره عمر برنامه‌ریزی شده محصول (PPL) را در نظر می‌گیرد. این روش هزینه زیان‌ها را از طریق عوامل سرمایه‌گذاری (A، B) محاسبه می‌کند.

با این حال، این رویکرد فقط هزینه مستقیم برق ترانسفورماتورها در طول دوره عمر برنامه‌ریزی شده آنها را در نظر می‌گیرد. تأثیرات غیرمستقیم شامل منابع اکولوژیک، زیرساخت‌های تولید، نصب و سیستم‌های پشتیبان در نظر گرفته نمی‌شوند. به عنوان مثال، این محصولات برقی اغلب پس از بازنشستگی بازسازی و/یا دوباره استفاده می‌شوند. با توجه به ترانسفورماتورهای قدرت به عنوان مثال، 73٪ از مواد مورد استفاده قابل بازیافت است و این درصد با استفاده از روغن عایق‌بندی مبتنی بر استرهای طبیعی می‌تواند افزایش یابد. مزایای بازیافت و بازسازی مواد در نظر گرفته نمی‌شوند.

足跡是確定電氣設備在其使用壽命期間環境影響的另一個指標。目前，尚無廣泛接受的方法來計算電力設備的碳足跡。不同的計算工具往往會產生顯著不同的結果。本文提出了一種碳足跡分析方法，並將其應用於變壓器優化。將得到的變壓器與基於TCO方法的變壓器進行比較。

2. روش هزینه کل مالکیت

فرمول TCO نمایانگر هزینه چرخه حیات محصول از خرید تا بازنشستگی نهایی است. یک اصطلاح دیگر که معمولاً استفاده می‌شود، هزینه چرخه حیات (LCC) است. هدف اصلی مقایسه ترانسفورماتورها بر اساس یک مبنای یکسان برای تصمیم‌گیری در خصوص خرید است. فرم استاندارد شده روش TCO در مرحله پیشنهاد به شرح زیر است:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

که در آن A ضریب زیان بدون بار (€/kW)، B ضریب زیان با بار (€/kW)، PNLL (kW) زیان بدون بار ترانسفورماتور در طول عمر کل آن و PLL (kW) زیان با بار ترانسفورماتور در طول عمر کل آن است.

از دیدگاه شرکت‌های توزیع برق یا کاربران صنعتی و تجاری، محاسبات TCO نیز متفاوت است. روش‌های ارزیابی زیان ترانسفورماتورها در شرکت‌های توزیع برق شامل درک و ارزیابی هزینه کل زیان‌های تولید، انتقال و توزیع ترانسفورماتور است که منجر به فرمول‌های محاسبه پیچیده می‌شود. از طرف دیگر، روش‌های ارزیابی زیان ترانسفورماتورها برای کاربران صنعتی و تجاری نیازمند درک و ارزیابی قیمت برق در طول زمان استفاده برنامه‌ریزی شده ترانسفورماتور است.

الف. جزئیات سناریوی تحلیل

ضرایب (A، B) برای یک ترانسفورماتور قدرت 16MVA متصل به یک نیروگاه خورشیدی (شکل 1) محاسبه شد. ما از یک روش استاندارد برای تعیین مقادیر A و B در محاسبات خود استفاده کردیم.

به این منظور، لازم است معادله زیر حل شود:

3. تحلیل دنباله‌ای کربن

هدف ما ایجاد یک روش برای تعیین و مقایسه دنباله‌ای کربن (CF) بهینه برای ترانسفورماتورهای قدرت است. "دنباله‌ای کربن مقدار کل انتشار دی‌اکسید کربن که مستقیماً یا غیرمستقیماً از یک فعالیت یا در طول چرخه حیات یک محصول ناشی می‌شود." می‌تواند نیز مقدار کل انتشار دی‌اکسید کربن (CO2) و دیگر گازهای گلخانه‌ای (GHG) (مانند متان، اکسید نیتروژن و غیره) مرتبط با یک محصول را نشان دهد. دنباله‌ای کربن زیرمجموعه داده‌هایی است که توسط ارزیابی چرخه حیات (LCA) که جامع‌تر است پوشش داده می‌شود. LCA یک روش استاندارد بین‌المللی (ISO 14040، ISO 14044) برای ارزیابی بارهای زیست‌محیطی و مصرف منابع در طول چرخه حیات یک محصول است. بنابراین، دنباله‌ای کربن یک ارزیابی چرخه حیات محدود به انتشاراتی است که تغییرات اقلیمی را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

دو روش اصلی برای محاسبه دنباله‌ای کربن وجود دارد: تجزیه و تحلیل مبتنی بر فرآیند (PA) از پایین به بالا یا تجزیه و تحلیل ورودی-خروجی مبتنی بر محیط (EIO) از بالا به پایین. تجزیه و تحلیل مبتنی بر فرآیند (PA) یک رویکرد از پایین به بالا است که تأثیرات زیست‌محیطی یک محصول انفرادی را از تولید تا دفع در نظر می‌گیرد. تجزیه و تحلیل ورودی-خروجی مبتنی بر محیط (EIO) بر اساس یک رویکرد از بالا به پایین برای برآورد دنباله‌ای کربن است.

الگوریتم ویژگی محصول به تأثیر (PAIA) یک روش جامع برای محاسبه دنباله‌ای کربن انواع مختلف محصولات برقی مانند دستگاه‌های روشنایی، ماشین‌های الکتریکی چرخان و غیره ارائه می‌دهد. این روش دنباله‌ای کربن موتورها در فازهای تولید، عملیات و بازیافت را محاسبه می‌کند. با این حال، روش PAIA هنوز برای ارزیابی دنباله‌ای کربن ترانسفورماتورهای قدرت استفاده نشده است.

علاوه بر این، طراحی‌های دنباله‌ای اقتصادی معمولاً برای طراحی‌های موجود انتخاب شده به طور دلخواه (شکل 2) مقایسه می‌شوند، نه برای دو ترانسفورماتور بهینه طراحی شده. به دلیل عمر طولانی ترانسفورماتورهای قدرت، هزینه‌های نگهداری مربوط به جایگزینی معمول نیازمند قطعات اضافی و توقف برنامه‌ریزی شده است. تمام این هزینه‌ها در مرحله پیشنهاد در نظر گرفته نمی‌شوند. پس از اجرای اصول صنعت 4.0 - نگهداری پیش‌بینی‌شده - این هزینه‌ها می‌توانند از ابتدا در طراحی تجهیزات محاسبه شوند.

3.1 عوامل سرمایه‌گذاری

به این منظور، عوامل سرمایه‌گذاری به شرح زیر هستند:

که در آن r نرخ تخفیف سرمایه‌گذاری را نشان می‌دهد. این مقدار معمولاً بین ۵-۱۰٪ متغیر است و ما برای محاسبات خود ۶/۷۵٪ را انتخاب کردیم. در این مورد، مدت زمان پیش‌بینی شده برای عمر ترانسفورماتور (t) ۲۵ سال است. در معادله (۴)، p نشان‌دهنده مصرف برق سالانه به ازای هر kW تقاضای حداکثر است. عامل تقاضا نسبت تقاضای حداکثر به ظرفیت اسمی ترانسفورماتور (۰/۶۵) را نشان می‌دهد. ضریب بازیابی سرمایه (f) هزینه کل آینده پرداخت‌های سالانه را به ارز فعلی محاسبه می‌کند. قیمت برق فعلی در اروپا مرکزی ۰/۰۵ یورو (€/kWh) است. عامل زیان بار (LLF) به عنوان نسبت متوسط زیان قدرت در طول یک دوره به زیان در زمان تقاضای حداکثر تعریف می‌شود. عامل بار (LF) بار متوسط ترانسفورماتور در طول کل دورة عمر آن را به صورت درصد معادل بار متوسط به بار حداکثر بیان می‌کند. در مورد ما، برای نیروگاه‌های فتوولتائیک، LF=۲۵٪، بنابراین LLF برابر ۰/۱۵۶۲۵ (شکل ۱) است.

از معادلات (۴،۵)، عوامل سرمایه‌گذاری (A، B) قابل محاسبه‌اند. در معادلات (۴،۵)، عامل ۸۷۶۰ نشان‌دهنده ساعات عملکرد سالانه ترانسفورماتور است. در معادله (B)، هزینه زیان بار محاسبه می‌شود. در میان تمام ترانسفورماتورها، ترانسفورماتوری که TCO را کمینه می‌کند، کاراترین و موثرترین از نظر انرژی است (شکل ۲).

A. تابع هدف تحلیل پایداری کربن

همانند فرمول TCO، یک تابع هدف می‌تواند برای ارزیابی پایداری کربن (CF) ترانسفورماتورهای قدرت معرفی شود:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

که در آن TCO2 نشان‌دهنده پایداری کربن محاسبه شده (گرم) است. BCP نشان‌دهنده پایداری کربن محاسبه شده در فرآیند ساخت ماشین است. A* و B* عوامل سرمایه‌گذاری برای محاسبه دی‌اکسید کربن (کیلوگرم/kW) در طول عمر برنامه‌ریزی شده ترانسفورماتور هستند.

برای محاسبه این عوامل سرمایه‌گذاری مشابه، سه گاز گلخانه‌ای (GHG) در نظر گرفته می‌شوند: دی‌اکسید کربن (CO2)، متان (CH4) و اکسید لاکتیک (N2O) برای هر نوع سوخت استفاده شده در شبکه قدرت. این امر به این دلیل است که اگر با استفاده از صفر تولید گازهای گلخانه‌ای از نیروگاه‌های خورشیدی محاسبه کنیم، ترانسفورماتور نظری با کمترین جرم و بیشترین زیان‌ها بدست می‌آید. تولید متان و اکسید لاکتیک با ضرایب توان گرمایی جهانی (I) خود به تولیدات معادل CO2 تبدیل می‌شوند:

که در آن ei عامل تولید در واحد (tCO2/MWh) است، در حالی که eCO2,i، eCH4,i و eN2O,i عوامل تولید دی‌اکسید کربن، متان و اکسید لاکتیک به ترتیب برای نوع سوخت مورد مطالعه (i) هستند، همه در واحد (t/GJ). عامل ۰/۰۰۳۶ برای تبدیل GJ به MWh استفاده می‌شود. برای سوخت i، ni نشان‌دهنده کارایی تبدیل سوخت i در سیستم انتقال (به صورت درصد %) است و λi نشان‌دهنده درصد زیان قدرت برای سوخت i در سیستم انتقال است. در این مقاله از λi = ۸٪ برای محاسبات هر نوع سوخت استفاده شده است.

با استفاده از داده‌های ساختار انرژی شبکه برق مجارستان، مقادیر A*=۴۲۵ kgCO2/kW و B*=۶۶/۵ kgCO2/kW محاسبه شدند.

۴ مدل ترانسفورماتور

مدل‌سازی ترانسفورماتور قدرت از یک بخش فعال دو‌پیچه ساده (هسته و پیچه‌ها) استفاده می‌کند. این رویکرد در مراحل بهینه‌سازی طراحی اولیه به طور گسترده استفاده می‌شود زیرا ابعاد بخش فعال اندازه کل ترانسفورماتور را تعیین می‌کند. ویژگی‌های هندسی و الکتریکی ترانسفورماتور با استفاده از پارامترهای طراحی کلیدی مدل‌سازی می‌شوند. این فرضیات در صنعت به طور گسترده پذیرفته شده‌اند و دقت کافی در تخمین زیان‌های مس و هسته را ارائه می‌دهند در حالی که به طور قابل توجهی ساختارهای مختلف ممکن هسته و پیچه‌ها را ساده می‌کنند.

مدل ترانسفورماتور طراحی اولیه مرزهای بیرونی اجزای اصلی فعال را به طور واضح تعریف می‌کند که برای محاسبات هزینه در مرحله اولیه کافی است. درک این پارامترهای طراحی کلیدی کار مهندسان را تسهیل می‌کند و پارامترهای طراحی دقیق می‌توانند به راحتی با استفاده از روش‌های استاندارد تعیین شوند (شکل ۲). سازندگان ترانسفورماتور در اروپا و آمریکا از روش‌های بهینه‌سازی مبتنی بر متاکیوریک در عمل استفاده می‌کنند.

۵ جستجوی متاکیوریک

مدل ترانسفورماتور از برنامه‌نویسی هندسی استفاده می‌کند که با الگوریتم‌های متاکیوریک حل می‌شود تا مدل ریاضی مسئله بهینه‌سازی طراحی اولیه را حل کند. دو عامل برتری حل‌کننده برنامه‌نویسی هندسی را تعیین می‌کنند. اول، حل‌کننده‌های GP مبتنی بر نقطه داخلی مدرن سریع و قوی هستند. دوم، قوانین مدل‌سازی ریاضی برنامه‌نویسی هندسی تضمین می‌کنند که راه‌حل به دست آمده بهینه سراسری است. عبارات محدودیت‌های تساوی و نامساوی باید با استفاده از فرمول‌های ریاضی خاص به نام یک‌جمله‌ای‌ها (۱۰) و چند‌جمله‌ای‌های مثبت (۱۱) نمایش داده شوند.

که در آن ck>0، پارامترهای α اعداد حقیقی هستند و مقادیر متغیرهای x باید مثبت باشند. مسئله بهینه‌سازی هزینه برای ترانسفورماتورهای قدرت نوع پوسته‌ای می‌تواند در یک فرم ساختار هندسی خاص فرمول‌بندی شود. با این حال، این روش بهینه‌سازی ریاضی نمی‌تواند به ترانسفورماتورهای قدرت نوع هسته‌ای اعمال شود زیرا ترانسفورماتورهای قدرت نوع هسته‌ای نیازهای سختگیرانه‌ای برای ممانعت از اختلال کوتاه مداری دارند. بنابراین، با ترکیب روش GP با روش شاخه و حد، یک روش حل سریع و دقیق به دست آمد.

۶ نتایج و بحث

A. مشخصات فنی ترانسفورماتور آزمایشی

آزمایش‌های بهینه‌سازی بر روی یک ترانسفورماتور قدرت ۱۶ مگاوات با نسبت ولتاژ ۱۲۰ کیلوولت/۲۰ کیلوولت انجام شد. اهداف بهینه‌سازی در مورد اول هزینه کل مالکیت (TCO) و در مورد دوم کمترین پاندا کربنی (CF) بود. فرکانس شبکه ۵۰ هرتز بود، با ایمپدانس خودکار مورد نیاز ۸.۵٪. پارامترها طبق استانداردها انتخاب شدند. روش خنک‌سازی ترانسفورماتور به عنوان ONAN انتخاب شد، با دما محیطی مشخص شده ۴۰ درجه سانتیگراد. بنابراین، حد جریان مجاز برای پیچه اصلی به ۳ آمپر/میلی‌متر مربع تنظیم شد و برای پیچه تنظیم‌کننده تپ به ۳.۵ آمپر/میلی‌متر مربع.

پیچه ولتاژ پایین (اصلی) به عنوان یک پیچه مارپیچ با CTC (کابل متقاطع مستمر) مدل‌سازی شد، در حالی که پیچه ولتاژ بالا (ثانویه) به عنوان یک پیچه دیسکی با هادی‌های دوگانه مدل‌سازی شد. با توجه به اشباع مواد هسته و ولتاژ بیش از اندازه شبکه، حداکثر چگالی شار مغناطیسی به ۱.۷ تسلا محدود شد. فواصل عایق‌بندی حداقل بر اساس قوانین تجربی انتخاب شد. هزینه فولاد الکتریکی به ۳.۵ یورو/کیلوگرم و هزینه ماده پیچه به ۸ یورو/کیلوگرم انتخاب شد. هزینه پاندا کربنی برای تولید فولاد الکتریکی ۱.۸ کیلوگرم CO2/کیلوگرم و برای مس ۶.۵ کیلوگرم CO2/کیلوگرم بود.

نتایج بهینه‌سازی در جدول ۲ خلاصه شده است. از نتایج می‌توان دریافت که کارایی بهینه ترانسفورماتور تحت بهینه‌سازی CF کمتر از کارایی پس از تحلیل TCO است. ولتاژ هر دور ترانسفورماتور با نسبت مس به فولاد مرتبط است و مقادیر در هر دو حالت تقریباً یکسان هستند. زیان‌های هسته در هر دو حالت نسبتاً کوچک هستند و تفاوت قابل توجهی ندارند. به دلیل LLF کوچک نیروگاه‌های خورشیدی، هزینه‌های زیان‌های هسته نسبت به هزینه‌های زیان‌های بار نسبتاً بالاتر است. تفاوت اصلی در زیان‌های مسی است که در مورد TCO به طور قابل توجهی کوچک‌تر است. چون نسبت قیمت صهارIPA/فولاد بیشتر از نسبت مواد هسته و مسی است و CF مواد مصرفی نسبت به زیان‌های الکتریکی بیشتر است، الگوریتم بهینه‌سازی تمایل به پذیرش طراحی‌های با کمتر مس برای کاهش CF ترانسفورماتور دارد. به دلیل تفاوت قابل توجه بین CF قیمت برق و CF ذوب IPA/فولاد، الگوریتم طراحی‌های کوچک‌تر و کمتر کارآمد را نسبت به محاسبات مبتنی بر TCO ترجیح می‌دهد.

۷ نتیجه‌گیری

در حال حاضر، روش آماده و پذیرفته شده‌ای برای تعیین پایداری کربنی ترانسفورماتورهای برق وجود ندارد. در عصر پسااقتصادی، تحلیل‌های پایداری کربنی در متون بر روی جفت‌های ترانسفورماتور انتخابی دلخواه انجام شده است. با این حال، ترانسفورماتورهای بزرگ برای سناریوهای اقتصادی مختلف سفارشی ساخته می‌شوند. برای مقایسه طراحی‌های بهینه، دو طراحی بهینه‌سازی در یک مثال عملی انجام شد. در اولین مورد، بهینه‌سازی TCO انجام شد؛ در مورد دوم، پایداری کربنی ترانسفورماتور حداقل شد. نتایج نشان می‌دهند که تحلیل پایداری کربنی می‌تواند ترانسفورماتورهای با کارایی کمتر نسبت به روش‌های سنتی TCO ایجاد کند. این ممکن است به دلیل هزینه‌های زیست‌محیطی بالاتر موتورهای بزرگ در مرحله تولید نسبت به زیان‌های آنها در شبکه باشد. تحقیقات بیشتر می‌تواند تأثیر زیست‌محیطی زمان تولید، نگهداری، استفاده از روغن‌های عایق‌بندی جدید قابل تجزیه یا بازیافت ترانسفورماتور را ارزیابی کند.