Ugļskalpja salīdzinājums ar TCO analīzi elektrotransformatoru projektēšanai

1. Pārskats

Globālās sasilšanas dēļ, siltumnīcefekta gāzu emisiju samazināšana ir kritiska problēma. Liela daļa zaudējumu elektroenerģijas pārvades sistēmā nāk no transformatoriem. Lai samazinātu siltumnīcefekta gāzu emisijas enerģētikā, jāinstalē efektīvāki transformatori. Tomēr efektīvākiem transformatoriem bieži vien ir nepieciešami vairāk ražošanas materiāli. Lai noteiktu optimālo zaudējumu attiecību un ražošanas cenu transformatoriem, Total Cost of Ownership (TCO) metode ir rūpniecības standarta prakse. TCO formula ņem vērā iepirkuma cenu (PP) un zaudējumu izmaksas plānotajā produktu dzīves laikā (PPL). Šī metode ņem vērā zaudējumu cenas ar kapitalizācijas faktoriem (A, B).

Tomēr šis pieejas veids ņem vērā tikai tiešos elektroenerģijas izdevumus transformatoriem to plānotajā darbības laikā. Netiek ņemtas vērā netiešās ietekmes, kas saistītas ar ekoloģiskajiem resursiem, ražošanas infrastruktūru, instalāciju un atbalsta sistēmām. Piemēram, šie elektriskie produkti bieži tiek atjaunot un/vai atkārtoti izmantoti pēc izslēgšanas. Uzņemot transformatorus kā piemēru, 73% no lietotajiem materiāliem var tikt atkritumu pārstrādāti, un šis procentuālais apjoms var tikt paplašināts, izmantojot dabisku esteru balstītu izolējošo eļļu. Materiālu atkritumu pārstrādes un remanufaktūras priekšrocības netiek ņemtas vērā.

Oglekļa pēdas izmērs ir vēl viens rādītājs, kas nosaka elektroierīču vides ietekmi to darbības laikā. Pašlaik nav plaši pieņemtas metodes, kā aprēķināt enerģijas ierīču oglekļa pēdas izmēru. Dažādi aprēķināšanas rīki bieži sniedz būtiski atšķirīgus rezultātus. Šajā rakstā tiek piedāvāta oglekļa pēdas analīzes metode un tās piemērošana transformatoru optimizācijai. Iegūtie transformatori tiek salīdzināti ar tiem, kas balstīti uz TCO metodi.

2. Kopējā Īpašuma Cenu Metode

TCO formula pārstāv produkta dzīves cikla izmaksas no iepirkuma līdz galīgai izslēgšanai. Citiem bieži izmantotiem terminiem ir Life Cycle Cost (LCC). Galvenā mērķa ir salīdzināt transformatorus vienādās apstākļos, lai pieņemtu iepirkuma lēmumus. Standartizēta TCO metode piedāvājumu fāzē ir šāda:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Kur A ir bez slodzes zaudējumu koeficients (€/kW), B ir slodzes zaudējumu koeficients (€/kW), PNLL (kW) ir transformatora bez slodzes zaudējumi tā veselajā dzīves laikā, un PLL (kW) ir transformatora slodzes zaudējumi tā veselajā dzīves laikā.

No elektrosistēmu vai rūpniecisku un komerciālo lietotāju perspektīvas, TCO aprēķini arī atšķiras. Elektrosistēmu transformatoru zaudējumu novērtēšanas procedūras ietver kopējo transformatoru ģenerācijas, transmises un distribūcijas zaudējumu izpratni un novērtēšanu, kas rezultē sarežģītās aprēķināšanas formulās. Savukārt rūpniecisku un komerciālo lietotāju transformatoru zaudējumu novērtēšanas procedūras prasa elektroenerģijas cenu izpratni un novērtēšanu transformatora plānotajā izmantošanas laikā.

A. Analīzes scenārija detaļas

Koeficienti (A, B) tika aprēķināti 16 MVA spēka transformatoram, kas savienots ar saules enerģijas staciju (Attēls 1). Mēs izmantojām standartizētu metodi, lai noteiktu A un B vērtības mūsu aprēķinos.

Šim nolūkam ir jāatrisina šāda vienādojums:

3. Oglekļa Pēdas Analīze

Mūsu mērķis ir izveidot metodiku, lai noteiktu un salīdzinātu optimālo oglekļa pēdas izmēru (CF) spēka transformatoriem. "CF mēra visu oglekļa dioksīda emisiju kopējo apjomu, ko tieši vai netieši izraisīja aktivitāte vai kas akumulējās produktu dzīves ciklā." Tas var arī pārstāvēt visu oglekļa dioksīda (CO2) un citu siltumnīcefekta gāzu (piemēram, metāna, lābes oksīda utt.) emisiju kopējo apjomu, kas saistītas ar produktu. CF ir daļa no plašākas Dabas Resursu Cikla Novērtējuma (LCA) datiem. LCA ir starptautiski standartizēta metode (ISO 14040, ISO 14044), kas tiek izmantota, lai novērtētu vides slogu un resursu patēriņu produktu dzīves ciklā. Tāpēc CF ir dzīves cikla novērtējums, kas ierobežots tikai ar emisijām, kas ietekmē klimata pārmaiņas.

Ir divas galvenās CF aprēķināšanas metodes: no lejas uz augšu procesu balstīta analīze (PA) vai no augšas uz leju vides paplašināta ie-izvades (EIO) analīze. Procesa analīze (PA) ir no lejas uz augšu pieeja, kas ņem vērā individuāla produkta vides ietekmi no ražošanas līdz iznīcināšanai. Vides ie-izvades (EIO) analīze ir balstīta uz no augšas uz leju pieeju, lai novērtētu CF.

Produkta atribūtu ietekmes algoritms (PAIA) nodrošina universālu metodi, lai aprēķinātu dažādu elektroproduktu, piemēram, apgaismojuma ierīču, rotācijas elektromehānismu utt., CF. Šī metode aprēķina dzinēju CF ražošanas, darbības un reciklēšanas fāzēs. Tomēr PAIA metode vēl nav tika piemērota spēka transformatoru CF novērtēšanai.

Papildus ekonomiskās pēdas dizaini parasti tiek salīdzināti atsevišķi izvēlētiem esošajiem dizainiem (Attēls 2), nevis diviem optimāli izstrādātiem transformatoriem. Ņemot vērā spēka transformatoru ilgo izmantošanas laiku, regulāras aizvietošanas saistītie uzturēšanas izdevumi prasa papildu detaļas un plānotu atslēgšanos. Visi šie izdevumi netiek iekļauti piedāvājumu fāzē. Pēc Industrija 4.0 principu ieviešanas—prognozējamā uzturēšana—tie var tikt aprēķināti no paša sākuma ierīču dizaina.

3.1 Kapitalizācijas Faktori

Šim nolūkam kapitalizācijas faktori ir šādi:

Kur r pārstāv investīciju atlaides likmi. Parasti tā ir starp 5-10%, un mēs savos aprēķinos izvēlējāmies 6,75%. Šajā gadījumā transformatora prognozējamais darbības periods (t) ir 25 gadi. Vienādojumā (4) p pārstāv ikgadējo elektrības patēriņu par kW maksimālā pieprasījuma. Pieprasījuma koeficients pārstāv attiecību starp maksimālo pieprasījumu un transformatora nominālo jaudu (0,65). Kapitāla atjaunošanas koeficients (f) rāda kopējo nākotnes izmaksu summu, kas apreķināta pašreizējā valūtā. Centrālajā Eiropā pašreizējā elektroenerģijas cena ir 0,05 eiro (€/kWh). Ielādes zudējumu koeficients (LLF) definēts kā vidējie enerģijas zudējumi laikā salīdzinājumā ar zudējumiem augstā pieprasījuma laikā. Ielādes koeficients (LF) ir transformatora vidējais slodze visā tā dzīves ciklā, izteikts kā ekvivalentais procentuālais attiecība starp vidējo un maksimālo slodzi. Mūsu gadījumā, fotovoltaisko elektrostaciju dēļ, LF=25%, tāpēc LLF ir vienāds ar 0,15625 (Attēls 1).

No vienādojumiem (4,5) var aprēķināt kapitalizācijas faktorus (A, B). Vienādojumos (4,5) faktors 8760 pārstāv transformatora gada strādāšanas stundas. Vienādojumā (B) tiek aprēķināti ielādes zudējumu izmaksas. Vislabākā un energoefektīvākā transformators, kas minimizē TCO (Attēls 2), ir tāds, kas no visiem transformatoriem ir ekonomiski efektīvākais.

Ugunskārba analīzes mērķa funkcija

Līdzīgi kā TCO formulai, var ieviest mērķa funkciju, lai novērtētu transformatoru ugunskārbu (CF):

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

kur TCO2 pārstāv aprēķināto ugunskārbu (g), BCP pārstāv ugunskārbu, kas aprēķināts mašīnas ražošanas procesā. A* un B* ir kapitalizācijas faktori, kas izmantojas CO2 emisiju (kg/kW) aprēķināšanai plānotajā transformatora darbības periodā.

Lai aprēķinātu šos līdzīgos kapitalizācijas faktorus, tiek ņemtas vērā trīs siltumnīcefekta gāzes (GHG): CO2, CH4 un N2O katram degvielas tipam, kas tiek izmantots elektrotīklā. Tas notiek tāpēc, ka, ja mēs aprēķinām, izmantojot nullemisijas no saules enerģijas stacijām, teorētiski rezultātā būtu transformators ar minimālo masu un maksimāliem zudējumiem. Metāna un dvieļveida siera emisijas tiek konvertētas CO2 ekvivalentā, reizinot tos ar to globālā sasilšanas potenciāla faktoriem (I):

kur ei ir emisijas faktors vienībās (tCO2/MWh), savukārt eCO2,i, eCH4,i un eN2O,i ir emisijas faktori CO2, CH4 un N2O atbilstoši pētītajam degvielas tipam (i), visi vienībās (t/GJ). Faktors 0,0036 tiek izmantots, lai konvertētu GJ uz MWh. Degvielas i, ni pārstāv degvielas i pārvades sistēmas pārveidošanas efektivitāti (procentos %), un λi pārstāv degvielas i zudējumu procentuālo daudzumu pārvades sistēmā. Šajā rakstā tiek izmantots λi = 8% katras degvielas tipa aprēķiniem.

Izmantojot Ungārijas elektrotīkla enerģijas struktūras datus, tika aprēķinātas vērtības A*=425 kgCO2/kW un B*=66,5 kgCO2/kW.

4 Transformatora modelis

Elektroenerģijas transformatoru modelēšana izmanto vienkāršotu divu sviras aktīvo daļu (magznē un svirās). Šis pieejas plaši tiek izmantots pirmajos projektēšanas optimizācijas posmos, jo aktīvās daļas dimensijas nosaka transformatora kopējo izmēru. Transformatora ģeometriskie un elektriskie raksturojumi tiek modelēti, izmantojot galvenos dizaina parametrus. Šie priekšstatījumi tiek plaši pieņemti industriālajā vidē, nodrošinot pietiekamu precizitāti, aptuveni novērtējot vaiļu un magznē zudējumus, vienlaikus ievērojami vienkāršojot dažādas iespējamās magznē un sviru konfigurācijas.

Preliminārais transformatora modelis skaidri definē galveno aktīvo komponentu ārējos robežas, kas ir pietiekams agrīnās fāzes izmaksu aprēķiniem. Galveno dizaina parametru izpratne paātrina inženieru darbu, un detalizētie dizaina parametri viegli var tikt noteikti, izmantojot standarta prakses (Attēls 2). Transformatoru ražotāji Eiropā un Amerikā praktikā izmanto metaheuristiskas optimizācijas metodes.

5 Metaheuristiskā meklēšana

Transformatora modelis izmanto ģeometrisku programmatūru, ko risina metaheuristiski algoritmi, lai risinātu matemātisko modeli preliminārajā dizaina optimizācijas problēmā. Divi faktori nosaka ģeometrisku programmatūru risinājumu labvēlīgumu. Pirmkārt, modernie GP risinātāji balstīti uz iekšējo punktu ir ātri un stabili. Otrkārt, ģeometriskās programmatūras matemātiskie modelēšanas noteikumi garantē, ka iegūtais risinājums ir globāli optimāls. Līdzīgumu un nevienādību ierobežojumu izteiksmes jāizsaka, izmantojot īpašus matemātiskos formātus, sauktos monomi (10) un pozimoni (11).

Kur ck>0, α parametri ir reāli skaitļi, un x mainīgo vērtības jābūt pozitīvām. Vaļas veida elektroenerģijas transformatoru izmaksu optimizācijas problēma var tikt formulēta īpašā ģeometriskā struktūras formā. Tomēr šī matemātiskā optimizācijas metode nevar tikt piemērota kodolveida elektroenerģijas transformatoriem, jo kodolveida elektroenerģijas transformatori ir stingri prasības pret īsā gāziena impedanci. Tāpēc, apvienojot GP metodi ar šķēršņu un mezglu metodi, tika iegūta ātra un precīza risinājuma metode.

6 Rezultāti un diskusija

A. Testa transformatora tehniskie specifikācijas

Optimizācijas testi tika veikti 16 MVA jaudas transformatoram ar sprieguma attiecību 120 kV/20 kV. Optimizācijas mērķis pirmajā gadījumā bija kopējie īpašnieka izmaksas (Total Cost of Ownership - TCO) un minimālais oglekļa nogāzes pēds (Carbon Footprint - CF). Tīkla frekvence bija 50 Hz, ar prasīto īssaites impedanci 8,5%. Parametri tika izvēlēti saskaņā ar standartiem. Transformatora dzesēšanas metode tika izvēlēta kā ONAN, ar vides temperatūru 40 °C. Tāpēc galvenā virviļu atļautā strāvas blīvība tika iestatīta uz 3 A/mm², bet virviļu maiņas mehānismam uz 3,5 A/mm².

Zema sprieguma (primārā) virviļa tika modelēta kā šķidruma virviļa ar CTC (Continuous Transposed Cable), bet augsta sprieguma (sekundārā) virviļa tika modelēta kā diska virviļa ar diviem vedņiem. Ņemot vērā magnētiskās materiāla satura un tīkla pārsprieguma apsvērumus, maksimālais plūsmas blīvums tika ierobežots līdz 1,7 T. Minimālie izolācijas attālumi tika izvēlēti balstoties uz empiriskajām metodēm. Elektromagnētiskās ķieģeles cena tika izvēlēta par 3,5 €/kg, bet virviļu materiāla cena par 8 €/kg. Oglekļa nogāzes izmaksas elektromagnētiskās ķieģeles ražošanai bija 1,8 kg CO2/kg, bet vaires 6,5 kg CO2/kg.

Optimizācijas rezultāti apkopoti 2. tabulā. No rezultātiem redzams, ka optimālais transformatora efektivitātes līmenis, veicot CF optimizāciju, ir zemāks nekā efektivitāte pēc TCO analīzes. Transformatora spriegums uz vienu vijumu ir saistīts ar vara un dzelzs attiecību, un abos gadījumos šīs vērtības gandrīz sakrīt. Abos gadījumos kodola zudumi ir salīdzinoši mazi, bez ievērojama starpība. Tā kā saules enerģijas stacijām ir mazs LLF, kodola zudumu izmaksas ir salīdzinoši augstas attiecībā pret slodzes zudumu izmaksām. Galvenā atšķirība ir vara zudumos, kas ir ievērojami mazāki salīdzinājumā ar TCO gadījumu. Tā kā krāsaino un melno metālu kausēšanas cenu attiecība ir augstāka par kodola un vara materiālu cenām, un pielietoto materiālu CF ir salīdzinoši augstāks nekā elektriskajiem zudumiem, optimizācijas algoritms tendē pievērsties konstrukcijām ar mazāk varu, lai samazinātu transformatora CF. Ņemot vērā ievērojamo atšķirību starp elektroenerģijas tarifu CF un vara/dzelzs kausēšanas CF, algoritms dod priekšroku mazākai, mazāk efektīvai konstrukcijai salīdzinājumā ar TCO bāzētām aprēķinām.

7 Secinājumi

Pašlaik nav gatavas, plaši pieņemtas metodes, kā noteikt jaudas transformatoru oglekļa pēdas nospiedumu. Pēckalpošanas laikmetā literatūrā veiktās oglekļa pēdas nospieduma analīzes ir veiktas patvaļīgi atlasītām transformatoru pārēm. Tomēr lieli jaudas transformatori tiek izgatavoti pasūtījumā dažādiem ekonomiskiem scenārijiem. Lai salīdzinātu optimizētās konstrukcijas, praktiskā piemērā tika veikti divi optimizācijas projektējumi. Pirmajā gadījumā tika veikta TCO optimizācija; otrajā gadījumā tika minimizēts transformatora oglekļa pēdas nospiedums. Rezultāti rāda, ka oglekļa pēdas nospieduma analīze var radīt transformatorus ar zemāku efektivitāti salīdzinājumā ar tradicionālajām TCO metodēm. Tas var būt saistīts ar to, ka lielo motoru ražošanas vides izmaksas ir augstākas nekā to zudumi tīklā. Turpmāki pētījumi varētu novērtēt ražošanas ilguma, uzturēšanas, jaunu bioloģiski noārdāmu izolācijas eļļu izmantošanas vai transformatoru reciklēšanas vides ietekmi.