Анализа на Карбонски Отпечаток спротив TCO за Дизајн на Електрични Трансформатори

1. Преглед

Забележано е дека заради глобалното затоплување, намалувањето на емисиите на парникови гасови е критичен проблем. Значајна пропорција од губитоците во системите за пренос на енергија доаѓа од трансформаторите. За да се намалат емисиите на парникови гасови во системите за електрична енергија, мораат да се инсталираат повеќе ефикасни трансформатори. Меѓутоа, повеќе ефикасните трансформатори често бараат повеќе материјали за производство. За да се определи оптималната загубна сооднос и цена на производството на трансформаторите, методот на тоталната стоимость на владеење (TCO) е стандардна практика во индустријата. Формулата TCO зема предвид цената на купување (PP) и цената на губитоците за планиран период на живот на продуктот (PPL). Овој метод ги вклучува цените на губитоците преку фактори на капитализација (A, B).

Меѓутоа, овој пристап само зема предвид директните трошоци на електрична енергија на трансформаторите за време на нивниот планиран период на служба. Индиректните влијанија кои вклучуваат еколошки ресурси, инфраструктура за производство, инсталација и поддршка не се земаат предвид. На пример, овие електрични производи често се обновуваат и/или повторно се користат по пензионирањето. Доколку ја земеме трансформаторите како пример, 73% од применетите материјали можат да се рециклираат, а овој процент може да се зголеми кога се користи изолувачка масло на база природни естери. Благодетелноста на рециклирањето и повторното производство на материјали не се земаат предвид.

Карбонски отпечаток е уште еден показatel за одредување на еколошкото влијание на електричната опрема за време на нејзиниот период на служба. Тековно, не постои широко прифатен метод за пресметка на карбонскиот отпечаток на електричната опрема. Различни алатки за пресметка често даваат значително различни резултати. Овој труд предлага метод за анализа на карбонскиот отпечаток и го примена на оптимизацијата на трансформаторите. Резултантните трансформатори се споредуваат со онаа основана на методот TCO.

2. Метод на тоталната стоимость на владеење

Формулата TCO претставува жизнен циклус на продуктот од купување до финално пензионирање. Уште еден често користен термин е Life Cycle Cost (LCC). Главната цел е да се споредат трансформаторите на еднакви основи за донесување на одлуки за купување. Стандардизираната форма на методот TCO за време на фазата на понуда е следнава:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Каде што А е коефициентот на загуба без нагласување (€/кВ), В е коефициентот на загуба со нагласување (€/кВ), PNLL (кВ) е загубата без нагласување на трансформаторот за неговиот целосен живот, а PLL (кВ) е загубата со нагласување на трансформаторот за неговиот целосен живот.

Од гледна точка на електропривредните компании или индустријските и трговските корисници, пресметките на TCO се различни. Процедурите за проценка на загубите на трансформаторите во електропривредните компанија вклучуваат разбирање и проценка на тоталната цена на генерирањето, преносот и дистрибуцијата на загубите на трансформаторите, што доведува до комплексни формули за пресметка. Од друга страна, процедурите за проценка на загубите на трансформаторите за индустријски и трговски корисници бараат разбирање и проценка на цените на електричната енергија за време на планираниот период на користење на трансформаторот.

А. Подробности на анализа на сценарио

Коефициентите (А, В) беа пресметани за трансформатор од 16MVA поврзан со сончево електропроизводилнишко завод (Слика 1). Користевме стандардизиран метод за определување на вредностите на А и В во нашите пресметки.

За оваа цел, потребно е да се реши следнава равенка:

3. Анализа на карбонскиот отпечаток

Нашата цел е да создадеме методологија за одредување и споредување на оптималниот карбонски отпечаток (CF) за електричните трансформатори. „CF мерува тоталната количина на емисии на углени диоксид направено директно или индиректно од активноста или накопано за време на жизнен циклус на производот.“ Тоа исто така може да претставува тоталната количина на углени диоксид (CO2) и други парникови гасови (GHG) (како метан, оксид на азот, итн.) поврзани со производот. CF е подмножество на податоците покривани од погенералната Life Cycle Assessment (LCA). LCA е интернационално стандардизирана методологија (ISO 14040, ISO 14044) користена за проценка на еколошките тешкотии и консумацијата на ресурси за време на жизнен циклус на производот. Поради тоа, CF е проценка на жизнен циклус ограничен само до емисии кои имаат влијание врз климатските промени.

Постојат две основни методи за пресметка на CF: анализа на процесот од долу надвор (PA) или анализа на еколошки проширени влез-излез (EIO) од горе надвор. Процесна анализата (PA) е пристап од долу надвор кој ги разгледува еколошките влијания на поединечниот производ од производство до отстраница. Еколошката анализа на влез-излез (EIO) е базирана на пристап од горе надвор за проценка на CF.

Продуктската атрибутна алгоритамска методологија (PAIA) пружа универзален метод за пресметка на CF за различни видови на електрични производи, како светлински уреди, ротациони електрични машини итн. Овој метод пресметува CF на моторите за време на фазите на производство, операција и рециклирање. Меѓутоа, PAIA методот до сега не е применет за проценка на CF на електричните трансформатори.

Дополнително, дизајните на економски отпечатоци типично се споредуваат за произволно избрани постојни дизајни (Слика 2), наместо за два оптимално дизајнирани трансформатори. Забележано е дека поради долг период на служба на електричните трансформатори, трошоците поврзани со редовната замена и поддршка бараат дополнителни делови и планирани паузи. Сите овие трошоци не се вклучени во фазата на понуда. Последно, после примената на принципите на Индустрија 4.0 - предвидлива поддршка - овие трошоци можат да се пресметаат од самото почеток на дизајнирањето на опремата.

3.1 Фактори на капитализација

За оваа цел, факторите на капитализација се следниве:

Каде што r претставува каматна стапка за инвестиција. Обично варира помеѓу 5-10%, а ние изберавме 6,75% за нашите пресметки. Во овој случај, очекуваната длабочина на трансформаторот (t) е 25 години. Во равенката (4), p претставува годишно електрично потребление по кВт на максималната потреба. Факторот на потреба претставува однос на максималната потреба спроти номиналната капацитет на трансформаторот (0,65). Коефициентот на опоравување на капитал (f) покажува целосниот бидечки трошок на годишни плаќања пресметани во моментална валута. Моменталната цена на електричество во Централна Европа е 0,05 евра (€/кВх). Факторот на губиток на напон (LLF) е дефиниран како однос на просечен губиток на моќ над период спроти губитокот на врвната потреба. Факторот на напон (LF) е просечниот напон на трансформаторот низ целата негова животна временска период, изразен како еквивалентен процент на просечен спроти максимален напон. Во нашиот случај, за фотovoltaчки системи за производство на енергија, LF=25%, па LLF еднаков е на 0,15625 (Слика 1).

Од равенките (4,5), може да се пресметаат факторите на капитализација (A, B). Во равенките (4,5), факторот 8760 претставува годишни работни часови на трансформаторот. Во равенката (B), се пресметува цената на губиток на напон. Меѓу сите трансформатори, најефикасниот и најенергетски ефикасен трансформатор е онај кој минимизира TCO (Слика 2).

А. Анализа на црниот отпечаток на целта функција

Аналогно со формулата за TCO, може да се воведе целта функција за проценка на црниот отпечаток (CF) на електричните трансформатори:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

каде што TCO2 претставува пресметаниот црниот отпечаток (г), BCP претставува црниот отпечаток пресметан во процесот на производство на машината. A* и B* се фактори на капитализација за пресметка на емисии на углени диоксид (кг/кВ) за плануваната служебна временска период на трансформаторот.

За пресметка на овие аналогни фактори на капитализација, се разгледуваат три парникови гасови (GHG): углен диоксид (CO2), метан (CH4) и оксид на азот (N2O) за секој тип гориво користено во електричната мрежа. Ова е затоа што, ако пресметаме со нултите емисии од соларните системи, теоретски резултантниот трансформатор би имал минимална маса и максимални губитоци. Емисиите на метан и оксид на азот се конвертираат во еквивалентни емисии на CO2 со множење со нивните респективни фактори на глобално загревање (I):

каде што ei е факторот на емисија во единици од (тCO2/МВх), додека eCO2,i, eCH4,i и eN2O,i се факторите на емисија за углен диоксид, метан и оксид на азот соодветно за проучениот тип гориво (i), сите во единици од (т/ГЈ). Факторот 0,0036 се користи за конверзија од ГЈ во МВх. За горивото i, ni претставува ефикасноста на конверзија на горивото i во системот за пренос (во процент %), а λi претставува процентот на губиток на моќ за горивото i во системот за пренос. Оваа работа користи λi = 8% за пресметки за секој тип гориво.

Користејќи податоци за енергетската структура на угарската електрична мрежа, се пресметаа вредностите A*=425 кгCO2/кВ и B*=66,5 кгCO2/кВ.

4 Модел на трансформатор

Моделирањето на електричниот трансформатор користи поедноставена активна дел со две намотки (језгро и намотки). Овој пристап е широко користен во фазата на оптимизација на првичниот дизајн бидејќи размерите на активниот дел одреѓаат целосната големина на трансформаторот. Геометриските и електричните карактеристики на трансформаторот се моделираат со клучни параметри на дизајн. Овие претпоставки се широко прифатени во индустријата, што обезбедува доволна точност во проценка на губитоци на мед и језгро, додека значајно поедноставува различните можни конфигурации на језгро и намотки.

Моделот на предизвиканиот дизајн на трансформаторот јасно дефинира спојните границите на главните активни компоненти, што е доволно за ранните пресметки на трошоци. Разбирањето на овие клучни параметри на дизајн забрзува работата на инженерите, а деталните параметри на дизајн лесно може да се определат со стандардни практики (Слика 2). Производителите на трансформатори во Европа и Америка користат методи на оптимизација базирани на метахевристички пристапи во практика.

5 Метахевристичко пребарување

Моделот на трансформаторот користи геометриско програмирање решено со метахевристички алгоритми за решавање на математичкиот модел на проблемот за оптимизација на првичниот дизајн. Две фактори одлучуваат за превозноста на решавачите на геометриско програмирање. Прво, современите решавачи на GP базирани на интерно-точковни методи се брзи и чврсти. Второ, правилата за математичко моделирање на геометриско програмирање гарантираат дека добиеното решение е глобално оптимално. Изразите за равенства и нееднаквости мораат да се претстават со специјални математички формули наречени мономи (10) и полиноми (11).

Каде што ck>0, α параметрите се реални броеви, а вредностите на x променливи мораат да бидат позитивни. Проблемот на оптимизација на трошоци за трансформатори со облик на шкофа може да се формулира во специјален геометриски облик. Меѓутоа, овој математички метод на оптимизација не може да се применува на трансформатори со облик на језгро бидејќи тие имаат строги барања за импеданса на кратко поврзување. Затоа, со комбинирање на методот GP со методот на гранка и граница, се доби метод кој е брз и точен.

6 Резултати и дискусија

А. Технички спецификации на тест трансформатор

Оптимизациски тестови беа изведени на трансформатор со моќност од 16MVA и врска на напон од 120kV/20kV. Целите на оптимизацијата во првиот случај беа тоталната цена на сопственост (TCO) и минималниот углески отпечаток (CF). Фреквенцијата на мрежата беше 50Hz, со потребна импеданса при кратко поврзување од 8.5%. Параметрите беа избрани според стандарди. Методот за хладење на трансформаторот беше избран како ONAN, со температура на околината од 40°C. Затоа, дозволената граница на густината на струјата во обмотката за главната обмотка беше поставена на 3A/mm², а за обмотката за менување на позиции на 3.5A/mm².

Нисконапонската (примарна) обмотка беше моделирана како спирална обмотка со CTC (Continuously Transposed Cable), додека високонапонската (секундарна) обмотка беше моделирана како диск обмотка со двојни проводници. Со оглед на наситувањето на материјалот на јадрото и прекомерниот напон на мрежата, максималната густина на потокот беше ограничена на 1.7T. Минималните раздалегнувања на изолацијата беа избрани според емпирички правила. Цена на електричната сталь беше избрана како 3.5€/kg, а цена на материјалот за обмотка како 8€/kg. Углескиот отпечаток за производство на електрична сталь беше 1.8kgCO2/kg, а за меди 6.5kgCO2/kg.

Резултатите од оптимизацијата се сумирираат во Табела 2. Од резултатите може да се види дека оптималната ефикасност на трансформаторот под CF оптимизација е помала од ефикасноста постoenata после TCO анализа. Напонот на трансформаторот по обиколка е поврзан со односот мед-железо, и вредностите се скоро идентични во двете случаи. Губитките во јадрото се релативно малечки во двете случаи, без значаен разлик. Зборувајќи за мали LLF на сончеви发电过程被意外中断，我将立即继续完成翻译。 Напонот на трансформаторот по обиколка е поврзан со односот мед-железо, и вредностите се скоро идентични во двете случаи. Губитките во јадрото се релативно малечки во двете случаи, без значаен разлик. Зборувајќи за мали LLF на сончевите електростанции, цената на губитките во јадрото е релативно поголема споредена со цената на губитките при оптоварување. Главната разлика е во медните губитки, кои се значително помали од тоа што е случајот при TCO. Бидејќи пропорционалната цена на неферозни и ферозни метали е поголема од пропорционалната цена на материјали за јадро и мед, и CF на применетите материјали е релативно поголема од CF на електричните губитки, оптимизациониот алгоритам се наклонува кон дизајни со помалку мед за намалување на CF на трансформаторот. Зборувајќи за значителната разлика меѓу CF на цени на електричество и CF на лејарски процеси за мед/железо, алгоритамот ја благоволи помалата, помалку ефикасна дизајн споредено со пресметките базирани на TCO.

7 Заклучок

Сега, не постои готов, широко прифатен метод за определување на углеродниот отпечаток на силни трансформатори. Во пост-економската ера, анализи на углероден отпечаток во литература се извршувале на произволно избрани парови трансформатори. Меѓутоа, големите силни трансформатори се специјално направени за различни економски сценарија. За компаративна цел, две оптимизацииски дизајни беа изведени во практични примери. Во првиот случај, беше изведена TCO оптимизација; во вториот случај, углеродниот отпечаток на трансформаторот беше минимизиран. Резултатите покажуваат дека анализа на углероден отпечаток може да доведе до трансформатори со помала ефикасност од традиционалните методи TCO. Ова може да се должи на тоа дека околинскиот трошок на големите мотори при производство е поголем од нивните губитоци во мрежата. Дополнителни истражувања можат да оценат околинскиот влијание на времето на производство, одржување, користење на нови биологички распадливи изолантни масла или повторна употреба на трансформатори.