Карбондық отырту және ТОИ талдау энергетикалық трансформаторлар үшін

1. Жалпы ерекшелеу

Жер шығынына байланысты ауызшақ газдардың шығындық санын азайту - маңызды мәселе болып табылады. Электр энергиясын өткізу жүйесіндегі зиянды шығындардың олым бөлігі электр трансформаторлардан келеді. Энергетикалық жүйеде ауызшақ газдардың шығындық санын азайту үшін әділеттірілген трансформаторлар қолданылуы керек. Бірақ әділеттірілген трансформаторлар өте көптеген өндіріс материалдарын талап етеді. Трансформаторлардың оптималды зиянды шығын-өндіріс баға қатынасын анықтау үшін Total Cost of Ownership (TCO) әдісі индустриялық стандарттық практика ретінде қолданылады. TCO формуласы сатып алушы бағасын (PP) және продукттың пландаған өмір мезгілі арқылы зиянды шығындардың құнын (PPL) ескере отырып, зиянды шығындардың құнын капиталдау коэффициенттері (A, B) арқылы қарастырады.

Бірақ бұл әдіс трансформаторлардың пландаған қызмет ету уақытындағы тектік электр энергиясын ғана қарастырады. Экологиялық ресурстар, өндіріс инфраструктура, орнату және қолдау жүйелеріне қатысты косвенные тәсірлер қарастырылмайды. Мысалы, бұл электр техникасы элементтері көбінесе қызметтен шығуынан кейін қайта өңдеңіз же қайта қолданылады. Электр трансформаторларды мысал ретінде қарастырылғанда, қолданылған материалдардың 73% қайта өңдеуге болады, және табиғатты эстер негізінде құрылған изоляция масы пайдаланылғанда бұл сан арттырылған. Материалдарды қайта өңдеу және қайта өндіру өте пайдалы, бірақ бұл пайдалылықтар ескерілмейді.

Углеродтың жолы - бұл электр техникасының қызмет ету уақытындағы экологиялық тәсірін анықтау үшін қолданылатын басқа бір қадам. Азықтай, электр құрылғыларының углеродтың жолын есептеу үшін кең тағылаған әдіс жоқ. Әртүрлі есептеу құралдары көбінесе әртүрлі нәтижелер береді. Бұл хатта углеродтың жолын талдау әдісін ұсынады және оны трансформаторларды өптимизациялау үшін қолданады. Нәтижелер TCO әдісіне негізделген трансформаторлармен салыстырылады.

2. Жалпы Қызмет Ету Уақытындағы Құны (Total Cost of Ownership) Әдісі

TCO формуласы продукттың сатып алудан соңғы қызметтен шығуына дейінгі өмір цикліндегі құнын білдіреді. Ең көп қолданылатын термин Life Cycle Cost (LCC) деп аталады. Негізгі максат - трансформаторларды тең қала салыстыру, сатып алу шешімдерін қабылдау. Закупке кезінде TCO әдісінің стандартизацияланған формасы төмендегідей:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Мұнда A - жоқ жүкке тәулік коэффициенті (€/кВт), B - жүкке тәулік коэффициенті (€/кВт), PNLL (кВт) - трансформатордың толық өмірі бойы жоқ жүкке тәулік, PLL (кВт) - трансформатордың толық өмірі бойы жүкке тәулік.

Энергетикалық компаниялардың немесе промышлендер мен коммерциялық пайдаланушылардың көзінен TCO есептеулері де әртүрлі болады. Энергетикалық компаниялардың трансформаторлардың зиянды шығындарын бағалау процедурасы трансформаторлардың женилдіктің, өткізілетін және өткізілетін энергияның зиянды шығындарын толық құнын түсіну мен бағалау қажет, бұл қатынасынан қиын есептеулер шығады. Осылайша, промышлендер мен коммерциялық пайдаланушылардың трансформаторлардың зиянды шығындарын бағалау процедурасы трансформатордың планды қызмет ету уақыты арқылы электр энергиясының бағасын түсіну мен бағалау қажет.

А. Талдау сценарийінің деталдары

Коеффициенттер (A, B) Венгриядағы 500 кВт солнечная электростанцияға қосылған 16 МВА мощности трансформатор үшін есептелді (Сурет 1). Біз өзіміздің есептеулерімізде A және B мәндерін анықтау үшін стандартты әдіс қолдандық.

Бұл мақсаты үшін, төмендегі теңдеуді шешу қажет:

3. Углеродтың Жолын Талдау

Біздің мақсатымыз - электр трансформаторлар үшін оптималды углеродтың жолын (CF) анықтау және салыстыру әдісін жасау. "CF - бұл қызмет ету уақытындағы продукттың өмір циклінде текті немесе косвен жолмен пайда болған углерод диоксидының шығындық санын өлшейді." CF - углерод диоксид (CO2) және басқа ауызшақ газ (GHG) шығындары (метан, азот оксиді және т.б.) өлшемін өлшейді. CF - толық өмір циклінде экологиялық тәсірлер мен ресурс қолданылуын бағалау үшін қолданылатын ISO 14040, ISO 14044 стандарттарына негізделген өзара байланыс әдісінің (LCA) бөлігі. Сондықтан, CF - климаттың өзгеруіне әсер ететін шығындарға ғана шектелген өмір циклінде талдау.

CF есептеу үшін екі негізгі әдіс бар: процестік талдау (PA) немесе экологиялық қосымша вход-шығу (EIO) анализі. Процестік талдау (PA) - бұл өнімдің өндірісінен қорытындыға дейінгі өмір циклінде текті талдау әдісі. Экологиялық вход-шығу (EIO) анализі - бұл өнімдің өмір циклінде текті талдау әдісі.

Продукттың өзара талдау алгоритмі (PAIA) освещение құрылғылары, айналу электр машиналары сыныптарын өнімдердің углеродтың жолын есептеу үшін ұсынады. Бұл әдіс өнімдің өндірісі, эксплуатациясы және қайта өңдеу кезінде углеродтың жолын есептейді. Бірақ PAIA әдісі электр трансформаторлар үшін углеродтың жолын есептеу үшін әлі қолданылған жоқ.

Еңгізуден тышкары, экономикалық толқындық дизайндар кездесі таңдаған мүмкін дизайндарды (Сурет 2) салыстыру үшін, екі оптималды трансформаторды салыстыру үшін емес. Электр трансформаторлардың ұзақ қызмет ету уақытынан, қадағалау қызметтеріне қатысты қосымша заттар және пландаған тоқтату қажет. Барлық бұл заттар закупке кезінде ескерілмейді. Индустрия 4.0 принциптерін енгізгеннен кейін - прогноздық қадағалау - бұл құрылғылардың дизайнынан бастап есептелуі мүмкін.

3.1 Капитализация Коэффициенттері

Бұл мақсаты үшін, капитализация коэффициенттері төмендегідей болады:

Мұнда r - инвестициялық арзандау ставасын білдіреді. Бұл кез келгенде 5-10% аралығында өзгереді, ал міздемелеріміз үшін 6,75% таңдалды. Осы жағдайда, трансформатордың күтілетін өмір сүру мерзімі (t) 25 жаста. Теңдеуде (4), p - максималды талапты кВт ретінде жыл сайын электр энергиясын білдіреді. Талап факторы максималды талап мен трансформатордың рейтингтік қабілетінің (0,65) қатынасын көрсетеді. Капиталдық қайта қалыптастыру коэффициенті (f) майға есептелген жыл сайын төлемдердің жалпы болашақ құнын көрсетеді. Орталық Еуропадағы ағымдағы электр энергиясының бағасы 0,05 евро (€/кВт·с). Жүктік жою факторы (LLF) пиктік талап уақытындағы жоюға орташа үстем жою қатынасын анықтайды. Жүктік факторы (LF) трансформатордың барлық өмір сүру циклінде орташа жүкті трансформатордың максималды жүктің қандай бөлігіне тең екенін процентпен көрсетеді. Біздің жағдайда, фотоэлектр станциялары үшін LF=25%, сондықтан LLF 0,15625-ке тең (Сурет 1).

Теңдеулерден (4,5), капиталдау факторлары (A, B) есептеледі. Теңдеулерде (4,5), фактор 8760 - трансформатордың жыл сайын іске қосылу сағаттарын көрсетеді. Теңдеу (B) жүктік жою құнын есептейді. Барлық трансформаторлардың ішінен, ең экономиялы және энергия қолдануы үшін ең үздік трансформатор TCO-ны (Сурет 2) минималдауымен анықталады.

А. Карбондық отырғышты анализдау мақсаты

TCO формуласына аналогиялы түрде, трансформаторлардың карбондық отырғышын (CF) бағалау үшін мақсат функциясы енгізіледі:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

мұнда TCO2 - есептеулі карбондық отырғыш (г), BCP - машина өндіріс процессінде есептелген карбондық отырғыш. A* және B* - трансформатордың планланған қызмет күні бойынша CO2 (кг/кВт) шығындарын есептеу үшін капиталдау факторлары.

Бұл аналогиялы капиталдау факторларын есептеу үшін үш жергілікті газ (GHG) ескеріледі: углерод диоксиді (CO2), метанды (CH4) және азот диоксиді (N2O) әрбір горюч материал түрі үшін. Маңызды негізде, егер біз күн энергия станцияларынан шығынсыз есептеу арқылы, трансформатор теориялық түрде ең аз масса және ең көп жоюға ие болады. Метанды және азот диоксидінің шығындары өзара глобалдық жылыту потенциалының (I) көбейтіндісі арқылы CO2 эквивалентіне айналдырылады:

мұнда ei - (тCO2/МВт·с) бірлігінде шығын факторы, ал eCO2,i, eCH4,i және eN2O,i - i-ші изучаемый горючий материал үшін соотвественно углерод диоксида, метана и закиси азота эмиссионные факторы, все в единицах (т/ГДж). Коэффициент 0,0036 используется для преобразования ГДж в МВт·ч. Для горючего i ni представляет собой эффективность преобразования горючего i в системе передачи (в процентах %), а λi - процент потери мощности для горючего i в системе передачи. В данной статье для расчетов каждого типа топлива используется λi = 8%.

Венгерской энергетической сети данных на основе, значения A*=425 кгCO2/кВт и B*=66,5 кгCO2/кВт были рассчитаны.

4 Трансформатор модельі

Энергия трансформаторы моделирование қолданылатын қысқартылған екі виткалы активті бөлігі (қоян және виткалар). Бұл пікір беру әдісі тұрақты түрде басқарылған дизайн оптимизация деңгейлерінде қолданылады, себебі активті бөліктің өлшемдері трансформатордың жалпы өлшемін анықтайды. Трансформатордың геометриялық және электр техникалық қасиеттері маңызды дизайн параметрлері арқылы моделденеді. Бұл есептеулер промышленностью широко принимаются, обеспечивая достаточную точность при оценке потерь меди и сердечника, при этом значительно упрощают различные возможные конфигурации сердечника и обмоток.

Негізгі активті компоненттердің сыртқы шекараларын четко определенная предварительная модель трансформатора, что достаточно для ранних этапов расчета затрат. Понимание этих ключевых параметров дизайна ускоряет работу инженеров, а подробные параметры дизайна могут быть легко определены с использованием стандартных практик (Рисунок 2). Производители трансформаторов в Европе и Америке на практике применяют методы оптимизации, основанные на метаэвристических подходах.

5 Метаэвристический поиск

Трансформатор модельі геометриялық программирование қолданылатын, метаэвристикалық алгоритмдер арқылы шешілетін, алғашқы дизайн оптимизация есебінің математикалық моделин шешеді. Геометриялық программирование шешушілердің жақсартылғанын екі фактор анықтайды. Бірінші, современные GP-решатели на основе внутренней точки быстры и надежны. Во-вторых, правила математического моделирования геометрического программирования гарантируют, что полученное решение является глобально оптимальным. Выражения для равенств и неравенств должны быть представлены специальными математическими формулами, называемыми мононимами (10) и полиномами (11).

мұнда ck>0, α параметрлері - нақты сандар, ал x айнымалыларының мәндері оң болуы керек. Шелектік энергия трансформаторлары үшін құнын оптимизациялау есебі айырмашылық геометриялық структуралы түрде формулирован болады. Бірақ, бұл математикалық оптимизация әдісі ядролық энергия трансформаторларына қолданылмаған, себебі ядролық энергия трансформаторлары кысыктық импеданс үшін строгие требования имеет. Следовательно, путем комбинирования метода GP с методом ветвей и границ, был получен быстрый и точный метод решения.

6 Нәтижелер және талдау

A. Синтестік трансформатордың техникалық құбылыстары

16МВА күчті трансформаторда оптимизациялық тесттер жүргізілді, оның басыншы-эшелдік напрямдамасы 120кВ/20кВ. Бірінші деректерде оптимизация мақсаты - Толық Мүліктің Сыйымдылығы (TCO), ал екінші деректерде - минималды Карбондық Айнала (CF). Жүйенің тиімділігі 50Гц болды, керек кірістік айналма сопротивтілігі 8,5% болды. Параметрлер стандарттар бойынша таңдалды. Трансформатордың жеңілдету әдісі ONAN деп таңдалды, аймақтық температура 40°C деп белгіленді. Сонымен, негізгі витоктың мүмкін максималды жұмыс істеу ағымының сиректігі шектеу 3А/мм², ал тапсырма айналмашы витоктың үшін 3,5А/мм² болды.

Төмен напрямдамадағы (басыншы) виток CTC (Continuous Transposed Cable) арқылы спиральді виток ретінде моделиденді, ал жоғары напрямдамадағы (эшелдік) виток екі қатарлы жолаушымен дискові виток ретінде моделиденді. Ядро материалының толықтығы мен жүйедегі жоғары напрямдаманы ескере отырып, максималды магниттық потенциалтың тығыздығы 1,7Т деп шектелді. Ең аз изоляция қашықтықтары эмпирикалық ережелерге негізделген. Электр стальдың бағасы 3,5€/кг, ал виток материалдарының бағасы 8€/кг деп таңдалды. Электр стальдың өндіруіндегі карбондық айнала құны 1,8кгСО2/кг, ал мисыр үшін 6,5кгСО2/кг болды.

Оптимизациялау нәтижелері 2-кестеде жинақталған. Нәтижелерден көрініп тұрғандай, CF бойынша оптимизациялау кезіндегі трансформатордың оптималды тиімділігі TCO талдауынан кейінгі тиімділіктен төмен. Трансформатордың бір орамына шаққандағы кернеу мыс пен темір қатынасымен байланысты, екі жағдайда да мәндер шамама бірдей. Екі жағдайда да өзекшелік шығындар салыстырмалы түрде аз, елеулі айырмашылық жоқ. Күн электр станцияларының LLF көрсеткішінің аздығынан өзекшелік шығындардың құны жүктеме шығындарының құнына қарағанда салыстырмалы түрде жоғары. Негізгі айырмашылық мыс шығындарында болып табылады, олар TCO жағдайымен салыстырғанда айтарлықтай аз. Себебі түсті және түссіз металл өндірудің баға қатынасы өзекше мен мыс материалдарының баға қатынасынан жоғары, сондай-ақ қолданылатын материалдардың CF көрсеткіші электр шығындарының CF көрсеткішінен салыстырмалы түрде жоғары болғандықтан, оптимизациялау алгоритмі трансформатордың CF көрсеткішін төмендету үшін мысты аз қолданатын конструкцияларды таңдауға ұмтылады. Электр энергиясының бағасының CF көрсеткіші мен мыс/темір балқыту CF көрсеткіші арасындағы айырмашылықтың үлкендігіне байланысты алгоритм TCO негізіндегі есептеулерге қарағанда кішірек, азырақ тиімді конструкцияны таңдайды.

7 Қорытынды

Қазіргі уақытта электр трансформаторларының көміртек ізін анықтауға арналған дайын, кеңінен қабылданған әдіс жоқ. Экономикалық кезеңнен кейінгі заманда әдебиетте трансформаторлардың кездейсоқ таңдалған жұптары бойынша көміртек ізі талдаулары жүргізілген. Алайда үлкен қуатты трансформаторлар әртүрлі экономикалық сценарийлер үшін жасалады. Оптимизацияланған конструкцияларды салыстыру үшін практикалық мысалда екі оптимизациялық есептеу жүргізілді. Бірінші жағдайда TCO оптимизациясы жүргізілді, екінші жағдайда трансформатордың көміртек ізі минималдандырылды. Нәтижелер көміртек ізі талдауы дәстүрлі TCO әдістеріне қарағанда тиімділігі төменірек трансформаторлар беруі мүмкін екенін көрсетеді. Бұл үлкен электр қозғалтқыштардың шығарылу кезіндегі экологиялық құны желідегі шығындарынан жоғары болуы мүмкін. Келешекте зерттеу өндіріс уақытының, техникалық қызмет көрсетудің, жаңа биологиялық жолмен ыдырайтын изоляциялық майлардың пайдаланылуының немесе трансформаторларды қайта өңдеудің экологиялық әсерін бағалауға бағытталуы мүмкін.