Сравнение углеродного следа и анализа общей стоимости владения для проектирования силовых трансформаторов

1. Обзор

В связи с глобальным потеплением, снижение выбросов парниковых газов является критически важной задачей. Значительная часть потерь в системах передачи электроэнергии приходится на силовые трансформаторы. Для уменьшения выбросов парниковых газов в энергетических системах необходимо устанавливать более эффективные трансформаторы. Однако, более эффективные трансформаторы часто требуют большего количества материалов для производства. Для определения оптимального соотношения потерь и стоимости производства трансформаторов метод полной стоимости владения (TCO) является стандартной практикой в отрасли. Формула TCO учитывает стоимость покупки (PP) и стоимость потерь в течение планируемого срока службы продукта (PPL). Этот метод учитывает стоимость потерь через коэффициенты капитализации (A, B).

Однако, этот подход учитывает только прямые затраты на электроэнергию трансформаторов в течение их планируемого срока службы. Косвенные воздействия, связанные с экологическими ресурсами, производственной инфраструктурой, установкой и поддерживающими системами, не учитываются. Например, эти электрические продукты часто ремонтируются и/или повторно используются после выхода из эксплуатации. В качестве примера можно взять силовые трансформаторы, 73% используемых материалов которых могут быть переработаны, и этот процент может быть увеличен при использовании натуральных эфиров в качестве изоляционного масла. Преимущества переработки и восстановления материалов не учитываются.

Углеродный след — это еще один показатель для определения экологического воздействия электрического оборудования в течение его срока службы. В настоящее время нет широко принятого метода расчета углеродного следа энергетического оборудования. Различные инструменты расчета часто дают значительно отличающиеся результаты. В этой статье предлагается метод анализа углеродного следа и его применение к оптимизации трансформаторов. Полученные трансформаторы сравниваются с теми, которые основаны на методе TCO.

2. Метод полной стоимости владения

Формула TCO представляет собой жизненный цикл стоимости продукта от покупки до окончательного вывода из эксплуатации. Другой часто используемый термин — это стоимость жизненного цикла (LCC). Основная цель — сравнить трансформаторы на равных основаниях для принятия решений о покупке. Стандартизированная форма метода TCO на этапе тендера выглядит следующим образом:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Где A — коэффициент безнагрузочной потери (€/кВт), B — коэффициент нагрузочной потери (€/кВт), PNLL (кВт) — безнагрузочная потеря трансформатора за весь срок службы, и PLL (кВт) — нагрузочная потеря трансформатора за весь срок службы.

С точки зрения энергетических компаний или промышленных и коммерческих пользователей, расчеты TCO также различаются. Процедуры оценки потерь трансформаторов энергетических компаний включают понимание и оценку общей стоимости генерации, передачи и распределения потерь трансформаторов, что приводит к сложным формулам расчета. С другой стороны, процедуры оценки потерь трансформаторов промышленных и коммерческих пользователей требуют понимания и оценки цен на электроэнергию в течение планируемого времени использования трансформатора.

A. Подробности сценария анализа

Коэффициенты (A, B) были рассчитаны для силового трансформатора мощностью 16 МВА, подключенного к солнечной электростанции (Рисунок 1). Мы использовали стандартизированный метод для определения значений A и B в наших расчетах.

Для этого необходимо решить следующее уравнение:

3. Анализ углеродного следа

Наша цель — создать методологию для определения и сравнения оптимального углеродного следа (CF) для силовых трансформаторов. "Углеродный след измеряет общее количество выбросов углекислого газа, вызванных напрямую или косвенно деятельностью или накопленное в течение жизненного цикла продукта." Он также может представлять собой общее количество выбросов углекислого газа (CO2) и других парниковых газов (например, метана, закиси азота и т. д.), связанных с продуктом. Углеродный след является подмножеством данных, покрываемых более всеобъемлющим анализом жизненного цикла (LCA). LCA — это международно стандартизированная методология (ISO 14040, ISO 14044), используемая для оценки экологической нагрузки и потребления ресурсов в течение всего жизненного цикла продукта. Поэтому углеродный след — это анализ жизненного цикла, ограниченный исключительно выбросами, влияющими на изменение климата.

Существует два основных метода расчета углеродного следа: процессный анализ снизу вверх (PA) или экологический анализ вход-выход сверху вниз (EIO). Процессный анализ (PA) — это подход снизу вверх, который учитывает экологическое воздействие отдельного продукта от производства до утилизации. Экологический анализ вход-выход (EIO) основан на подходе сверху вниз для оценки углеродного следа.

Метод Product Attribute to Impact Algorithm (PAIA) предоставляет универсальный метод для расчета углеродного следа различных типов электрических продуктов, таких как осветительные приборы, вращающиеся электрические машины и т. д. Этот метод рассчитывает углеродный след двигателей на этапах производства, эксплуатации и переработки. Однако метод PAIA пока не применялся для оценки углеродного следа силовых трансформаторов.

Кроме того, экономические модели обычно сравниваются для произвольно выбранных существующих дизайнов (Рисунок 2), а не для двух оптимально спроектированных трансформаторов. Из-за длительного срока службы силовых трансформаторов, затраты на техническое обслуживание, связанные с плановой заменой, требуют дополнительных запчастей и запланированных простоев. Все эти затраты не включены в этап тендера. После внедрения принципов Industry 4.0 — предиктивного технического обслуживания — эти затраты можно рассчитывать с самого начала проектирования оборудования.

3.1 Коэффициенты капитализации

Для этих целей коэффициенты капитализации следующие:

где r представляет собой ставку дисконтирования для инвестиций. Обычно она варьируется от 5% до 10%, и для наших расчетов мы выбрали 6,75%. В данном случае ожидаемый срок службы трансформатора (t) составляет 25 лет. В уравнении (4) p представляет собой годовую стоимость электроэнергии за кВт максимального спроса. Коэффициент спроса представляет собой соотношение максимального спроса к номинальной мощности трансформатора (0,65). Коэффициент восстановления капитала (f) показывает общую будущую стоимость ежегодных платежей, рассчитанную в текущей валюте. Текущая цена на электроэнергию в Центральной Европе составляет 0,05 евро (€/кВт·ч). Фактор потерь нагрузки (LLF) определяется как соотношение средней мощности потерь за период к потерям при пиковой нагрузке. Коэффициент загрузки (LF) представляет собой среднюю нагрузку трансформатора на протяжении всего его жизненного цикла, выраженную в процентах от средней к максимальной нагрузке. В нашем случае, для фотovoltaических электростанций, LF=25%, следовательно, LLF равен 0,15625 (Рисунок 1).

Из уравнений (4,5) можно рассчитать коэффициенты капитализации (A, B). В уравнениях (4,5) фактор 8760 представляет собой количество часов работы трансформатора в году. В уравнении (B) рассчитывается стоимость потерь нагрузки. Среди всех трансформаторов наиболее экономически эффективным и энергоэффективным является тот, который минимизирует TCO (Рисунок 2).

A. Целевая функция анализа углеродного следа

Аналогично формуле TCO, можно ввести целевую функцию для оценки углеродного следа (CF) силовых трансформаторов:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

где TCO2 представляет собой рассчитанный углеродный след (г), BCP — углеродный след, рассчитанный во время процесса производства машины. A* и B* — это коэффициенты капитализации для расчета выбросов углекислого газа (кг/кВт) в течение планируемого срока службы трансформатора.

Для расчета этих аналогичных коэффициентов капитализации учитываются три парниковых газа (ПГ): углекислый газ (CO2), метан (CH4) и закись азота (N2O) для каждого типа топлива, используемого в энергетической сети. Это связано с тем, что если мы рассчитываем с использованием нулевых выбросов от солнечных электростанций, то полученный трансформатор теоретически будет иметь минимальную массу и максимальные потери. Выбросы метана и закиси азота преобразуются в эквивалентные выбросы CO2 путем умножения их на соответствующие коэффициенты глобального потепления (I):

где ei — это коэффициент выбросов в единицах (тCO2/МВт·ч), а eCO2,i, eCH4,i и eN2O,i — это коэффициенты выбросов углекислого газа, метана и закиси азота соответственно для изучаемого типа топлива (i), все в единицах (т/ГДж). Фактор 0,0036 используется для перевода ГДж в МВт·ч. Для топлива i, ni представляет собой КПД преобразования топлива i в системе передачи (в процентах %), а λi — это процент потерь мощности для топлива i в системе передачи. В этой статье используется λi = 8% для расчетов каждого типа топлива.

Используя данные по энергетической структуре венгерской энергосистемы, были рассчитаны значения A*=425 кгCO2/кВт и B*=66,5 кгCO2/кВт.

4 Модель трансформатора

Моделирование силового трансформатора использует упрощенную двухобмоточную активную часть (сердечник и обмотки). Этот подход широко используется на этапах предварительной оптимизации проектирования, так как размеры активной части определяют общий размер трансформатора. Геометрические и электрические характеристики трансформатора моделируются с использованием ключевых параметров проектирования. Эти допущения широко принимаются в промышленности, обеспечивая достаточную точность при оценке потерь меди и сердечника, одновременно значительно упрощая различные возможные конфигурации сердечника и обмоток.

Предварительная модель трансформатора четко определяет внешние границы основных активных компонентов, что достаточно для ранних этапов расчета стоимости. Понимание этих ключевых параметров проектирования ускоряет работу инженеров, а детальные параметры проектирования могут быть легко определены с использованием стандартных практик (Рисунок 2). Производители трансформаторов в Европе и Америке используют методы оптимизации, основанные на метаэвристике, на практике.

5 Метаэвристический поиск

Модель трансформатора использует геометрическое программирование, решаемое алгоритмами метаэвристики, для решения математической модели задачи предварительной оптимизации проектирования. Два фактора определяют превосходство решателей геометрического программирования. Во-первых, современные решатели GP на основе внутренних точек 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 с помощью специальных математических формул, называемых моно- и полиномиальными (10, 11).

Где ck>0, параметры α — действительные числа, а значения переменных x должны быть положительными. Задача оптимизации стоимости для трансформаторов типа бак может быть сформулирована в специальной геометрической структуре. Однако этот математический метод оптимизации не может быть применен к трансформаторам типа сердечник, так как они имеют строгие требования к импедансу короткого замыкания. Поэтому, комбинируя метод GP с методом ветвей и границ, был получен быстрый и точный метод решения.

6 Результаты и обсуждение

A. Технические характеристики испытательного трансформатора

Оптимизационные испытания были проведены на силовом трансформаторе мощностью 16 МВА с напряжением 120 кВ/20 кВ. Целями оптимизации в первом случае являлись общая стоимость владения (TCO), а во втором случае минимальный углеродный след (CF). Частота сети составляла 50 Гц, с требуемым сопротивлением короткого замыкания 8,5%. Параметры выбирались в соответствии со стандартами. Метод охлаждения трансформатора был выбран как ONAN, при температуре окружающей среды 40°C. Поэтому допустимый предел плотности тока обмотки для основной обмотки был установлен на уровне 3 А/мм², а для обмотки переключателя ответвлений на уровне 3,5 А/мм².

Низковольтная (первичная) обмотка моделировалась как спиральная обмотка с CTC (непрерывно транспонированный кабель), а высоковольтная (вторичная) обмотка моделировалась как дисковая обмотка с двойными проводниками. Учитывая насыщение материала сердечника и перенапряжение в сети, максимальная индукция была ограничена до 1,7 Т. Минимальные изоляционные расстояния выбирались на основе эмпирических правил. Стоимость электротехнической стали была установлена на уровне 3,5 €/кг, а стоимость материала обмотки на уровне 8 €/кг. Углеродный след для производства электротехнической стали составил 1,8 кг CO2/кг, а для меди 6,5 кг CO2/кг.

Результаты оптимизации представлены в таблице 2. Из результатов видно, что оптимальная эффективность трансформатора при оптимизации CF ниже, чем эффективность после анализа TCO. Напряжение на виток трансформатора связано с соотношением меди и железа, и значения практически одинаковы в обоих случаях. Потери в сердечнике относительно малы в обоих случаях, без значительных различий. В связи с низким коэффициентом загрузки (LLF) солнечных электростанций, затраты на потери в сердечнике относительно высоки по сравнению с затратами на нагрузочные потери. Основное различие заключается в медных потерях, которые значительно меньше, чем в случае TCO. Поскольку соотношение цен на выплавку цветных и черных металлов выше, чем соотношение цен на материалы для сердечника и меди, а CF применяемых материалов относительно выше, чем CF электроэнергетических потерь, алгоритм оптимизации склоняется к использованию дизайна с меньшим количеством меди для снижения CF трансформатора. Из-за значительной разницы между CF цен на электроэнергию и выплавку меди/железа, алгоритм предпочитает меньший, менее эффективный дизайн по сравнению с расчетами, основанными на TCO.

7 Заключение

В настоящее время не существует готового, широко принятого метода определения углеродного следа силовых трансформаторов. В постэкономическую эпоху в литературе проводились анализы углеродного следа на произвольно выбранных парах трансформаторов. Однако крупные силовые трансформаторы изготавливаются на заказ для различных экономических сценариев. Для сравнения оптимизированных дизайнов было проведено два оптимизационных дизайна на практическом примере. В первом случае была выполнена оптимизация TCO; во втором случае минимизировался углеродный след трансформатора. Результаты показывают, что анализ углеродного следа может привести к созданию трансформаторов с более низкой эффективностью, чем традиционные методы TCO. Это может быть связано с тем, что экологическая стоимость больших двигателей во время производства выше, чем их потери в сети. Дальнейшие исследования могли бы оценить экологическое воздействие времени производства, обслуживания, использования новых биоразлагаемых изоляционных масел или переработки трансформаторов.