Karbon izi va TCO tahlili transformator dizayni uchun

1. Umumiy ma'lumot

Qlobal ovozish sababli, qit'alar gazlarini kamaytirish muhim masala hisoblanadi. Elektr energiya uzatish tizimidagi zararlarining katta qismi transformatorlardan kelib chiqadi. Elektr tizimlaridagi qit'alar gazlarini kamaytirish uchun, aniqroq ishlaydigan transformatorlarni o'rnatish kerak. Ammo, aniqroq ishlaydigan transformatorlar ko'pincha ko'proq ishlab chiqarish materiallarini talab qiladi. Transformatorlar uchun optimal zarar nisbatini va ishlab chiqarish narxini aniqlash uchun, Jamiy xarajatlar (TCO) usuli sohada standart amaliyotdir. TCO formulasi sotib olingan narx (PP) va mahsulotning rejalashtirilgan faoliyat davri muddatida bo'lgan zararlar narxini (PPL) hisobga oladi. Bu usul zararlarni kapitallash faktorlari (A, B) orqali hisobga olish orqali zararlar narxini hisobga oladi.

Bu yondashuv, transformatorlarning rejalashtirilgan ish muddati davomida to'g'ridan-to'g'ri elektr energiya xarajatlarini faqatgina hisobga oladi. Ekologik resurslar, ishlab chiqarish infratuzilmasi, o'rnatish va qo'llab-quvvatlash tizimlari bilan bog'liq bo'lgan dolzarb ta'sirlar hisobga olinmaydi. Misol uchun, bu elektr mahsulotlari ko'pincha ishdan chiqarilgandan so'ng takomillashtiriladi yoki qayta foydalaniladi. Quyidagi misolda, elektr transformatorlari haqida gap ketayapti, ularning 73% qo'llangan materiallari qayta ishlatilishi mumkin, bu foiz natural ester asosidagi izolyatsiya yog'i ishlatilganda yuqoriga oshirilishi mumkin. Materiallarni qayta ishlash va takomillashtirishning afzalliklari hisobga olinmaydi.

Ug'ur noq'asi boshqa bir hisob-kitob usuli bo'lib, elektr jihozlarning ish muddati davomida atrof-muhitga beriladigan ta'sirni aniqlash uchun ishlatiladi. Hozirgi paytda, quvvat jihozlarining ug'ur noq'asini hisoblash uchun qabul qilingan umumiy usul mavjud emas. Turli hisob-kitob vositalari odatda radikal ravishda farqli natijalarni beradi. Bu maqola ug'ur noq'asi tahlili usulini taklif etadi va uni transformatorlarni optimallashtirishda qo'llaydi. Natija sifatida hosil bo'lgan transformatorlar TCO usuli asosida hosil bo'lgan transformatorlar bilan solishtiriladi.

2. Jamiy xarajatlar usuli

TCO formula mahsulotning sotib olinishidan oxirgi ishdan chiqarilishigacha bo'lgan jamiy xarajatlarni ifodalaydi. Boshqa qo'llaniladigan term Life Cycle Cost (LCC) bo'lib, asosiy maqsadi transformatorlarni teng shartlarda solishtirish va xarid qilish qarorlarini qabul qilishdir. TCO usuli rejalashtirilgan faoliyat muddatida standartlangan formasi quyidagicha:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Bu yerda A - bos bo'lgan paytdagi zarar koeffitsienti (€/kVt), B - yukka tushgan paytdagi zarar koeffitsienti (€/kVt), PNLL (kVt) - transformatorning umumiy hayoti boyicha bos bo'lgan paytdagi zarari, PLL (kVt) - transformatorning umumiy hayoti boyicha yukka tushgan paytdagi zarari.

Quvvat kompaniyalari yoki sanoat va savdo foydalanuvchilar perspektivasidan, TCO hisob-kitoblari ham farqlanadi. Quvvat kompaniyalarining transformatorlar zararlarini baholash jarayonlari, transformatorlarning ishlab chiqarish, uzatish va tarqatish zararlarining umumiy xarajatlarini tushunish va baholashni talab qiladi, bu juda murakkab hisob-kitob formulalariga olib kelaydi. Biroq, sanoat va savdo foydalanuvchilar transformatorlar zararlarini baholash jarayonlari, transformatorning rejalashtirilgan foydalanish muddati davomida elektr energiya narxlari tushunish va baholashni talab qiladi.

A. Tahlil stsenariyining tafsilotlari

Koeffitsientlar (A, B) quyidagi rasmga ulangan 16 MVA quvvat transformatori uchun hisoblandi (Rasm 1). Hisob-kitoblarimizda A va B qiymatlarini aniqlash uchun standart usuldan foydalandik.

Bu maqsadda, quyidagi tenglamani hal qilish kerak:

3. Ug'ur noq'asi tahlili

Bizning maqsadimiz, quvvat transformatorlari uchun optimal ug'ur noq'asini (CF) aniqlash va solishtirish usullarini yaratish. "CF - bir faoliyat yoki mahsulotning hayoti davomida to'g'ridan-to'g'ri yoki to'g'riga bog'liq ravishda yetkilantirilgan CO2 ijtimoiy harakatlari miqdorini o'lchaydi." Bu esa mahsulot bilan bog'liq bo'lgan CO2 va boshqa qit'alar gazlari (metan, azotmonoksidda kabi) ijtimoiy harakatlari umumiy miqdorini ifodalaydi. CF, eng umumiy Life Cycle Assessment (LCA) ma'lumotlarining qismi hisoblanadi. LCA - bu dunyo miqyosida standartlashtirilgan metodologiya (ISO 14040, ISO 14044) bo'lib, uning yordamida mahsulotning hayoti davomida atrof-muhitga beriladigan ta'sir va resurslar sarflanishi ba'zi holatlarda baholaydi. Demak, CF - bu iklim o'zgarishiga ta'sir qiladigan ijtimoiy harakatlari cheklanadigan hayoti tahlilidir.

CF hisob-kitobi uchun ikki asosiy usul mavjud: pastdan yuqoriga qarab protsess asosidagi tahlil (PA) yoki tepadan pastga qarab ekologik o'zgartirilgan kirish-chiqish (EIO) tahlili. Protsess tahlili (PA) - bu pastdan yuqoriga qarab yuritiladigan usul, uning yordamida maxsus mahsulotning ishlab chiqarishidan tortib, yo'q qilinishigacha bo'lgan ekologik ta'siri hisobga oladi. Ekologik kirish-chiqish (EIO) tahlili esa tepadan pastga qarab yuritiladi va CF ni taxmin qilish uchun ishlatiladi.

Product Attribute to Impact Algorithm (PAIA) turli turdagi elektr mahsulotlari, masalan, osmonroqqa, aylanma elektr mashinalari va hokazo uchun CF hisoblash uchun universal usulni taqdim etadi. Bu usul PAIA metodi yordamida motorlarning ishlab chiqarish, ish va qayta ishlash jarayonlari davomida CF ni hisoblaydi. Biroq, PAIA metodi hali quvvat transformatorlari uchun CF baholashda qo'llanilmagan.

Qo'shimcha, iqtisodiy o'tpechatlar tipik ravishda bevosita tanlangan mavjud dizaynlar (Rasm 2) orqali solishtiriladi, ikki optimallashtirilgan transformatorlar orqali emas. Quvvat transformatorlarining uzun ish muddati sababli, rutin almashtirish bilan bog'liq bo'lgan ehtiyot ishlar narxi qo'shimcha qism va rejalashtirilgan to'xtatish talab qiladi. Barcha ushbu xarajatlar tender fase dasida hisobga olinmaydi. Industry 4.0 printsiplarini joriy qilish orqali, bu xarajatlar avvaldan ishlab chiqarish jarayonidan boshlab hisoblanishi mumkin.

3.1 Kapitallash faktorlari

Bu maqsadda, kapitallash faktorlari quyidagicha:

Bu yerda r investitsiya uchun chegirma stavkasini ifodalaydi. Bu odatda 5-10% orasida o'zgaradi va biz hisob-kitoblarni bajarish uchun 6.75% ni tanladingiz. Ushbu holatda, transformatorning kutariladigan omillari (t) 25 yil. Tenglama (4) da p maksimal talabga mos keluvchi yillik elektr energiyani ifodalaydi. Talab faktori maksimal talabni transformatorning reyting kapasitetiga nisbatini (0.65) ifodalaydi. Kapital tiklash koeffitsienti (f) joriy pul birligida hisoblangan yillik to'lovlar umumiy kelajak moliyaviy xarajatlari bilan ifodalangan. Markaziy Evropadagi joriy elektr energiyasi narxi 0.05 euro (€/kWh). Yüklilik yo'qotish faktori (LLF) bir davrda o'rtacha quvvat yo'qotishlar nisbatini ifodalaydi. Yüklilik faktori (LF) transformatorning butun omillar muddati boyicha o'rtacha yuklanishini, maksimal yuklanishning o'rtacha yuzdasi shaklida ifodalaydi. Bizning holatimizda, fotogeneratorli elektr stansiyalari uchun LF=25%, shuning uchun LLF 0.15625 ga teng (Rasm 1).

Tenglama (4,5) dan kapitalizatsiya faktorlari (A, B) hisoblanishi mumkin. Tenglama (4,5) da faktor 8760 transformatorning yillik ishlash soatlari bilan ifodalangan. Tenglama (B) da yüklilik yo'qotish xarajatlari hisoblanadi. Barcha transformatorlar orasida eng arzon va energiya samarali transformator TCO (Rasm 2) ni minimallashtiradigan bo'ladi.

A. Ugurchilik izining tahlili maqsadli funksiyasi

TCO formulaga o'xshash ravishda, ugurchilik izini (CF) baholash uchun maqsadli funksiya kiritilishi mumkin:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

Bu yerda TCO2 hisoblangan ugurchilik izini (g) ifodalaydi. BCP mashinaning ishlab chiqarish jarayonida hisoblangan ugurchilik izini ifodalaydi. A* va B* transformatorning rejalashtirilgan xizmat ko'rsatish muddatida karbondioksid ichki tortishlarini (kg/kW) hisoblash uchun kapitalizatsiya faktorlari.

Bu analog kapitalizatsiya faktorlarni hisoblash uchun, elektr tarmog'ida foydalaniladigan har bir yog' turiga qarab uchta iklimni muhofaza qiladigan gazlar (GHG) e'tiborga olinadi: karbondioksid (CO2), metan (CH4) va azotmonoksidda (N2O). Chunki, agar quyosh elektr stansiyalaridan nol ichki tortishlarini hisoblashsa, natijada transformator teoretik ravishda minimal massaga va maksimal yo'qotishlarga ega bo'lib qoladi. Metan va azotmonoksiddagi ichki tortishlar ularning mos global issiqsizlash potentsial koeffitsientlari (I) bilan ko'paytiriladi:

Bu yerda ei (tCO2/MWh) birligida ichki tortish faktorini ifodalaydi, eCO2,i, eCH4,i va eN2O,i esa o'rganilayotgan yog' turiga (i) qarab karbondioksid, metan va azotmonoksidda ichki tortish faktorlarini (t/GJ) ifodalaydi. Faktor 0.0036 GJ ni MWh ga o'zgartirish uchun ishlatiladi. Yog' i uchun ni yog' i ning uzatish tizimidagi konvertatsiya samaradorligini (foiz %) ifodalaydi, λi esa yog' i ning uzatish tizimidagi quvvat yo'qotish foizini ifodalaydi. Bu maqola har bir yog' turini hisoblash uchun λi = 8% ni ishlatadi.

Vengriya elektr tarmog'idagi energiya struktura ma'lumotlari yordamida A*=425 kgCO2/kW va B*=66.5 kgCO2/kW qiymatlari hisoblandi.

4 Transformator modeli

Quvvat transformatorlari modelirovka soddalashtirilgan ikki vinchli aktiv qism (yadro va vinchlar) yordamida amalga oshiriladi. Bu yondashuv ilk bosqichli dizayn optimallashtirish jarayonlari uchun keng qo'llaniladi, chunki aktiv qismning o'lchamlari umumiy transformator hajmini aniqlaydi. Transformatorning geometrik va elektr xarakteristiklari asosiy dizayn parametrlaridan foydalanib modeldan o'tkaziladi. Bu farazlar industriyada keng qabul qilingan, mis'arlari va yadro vinch konfiguratsiyalarini aniqroq taxmin qilish uchun yetarli samaradorlikni ta'minlaydi.

Preliminariy dizayn transformator modeli asosiy aktiv komponentlarning tashqi chegaralarini aniq ravishda belgilaydi, bu esa ilk bosqichli xarajatlar hisob-kitoblari uchun yetarli. Bu asosiy dizayn parametrlarini tushunish inzhenerlar ishini tezlashtiradi va standart usullar yordamida aniq dizayn parametrlari oson aniqlanishi mumkin (Rasm 2). Evropa va AQSh transformator ishlab chiqaruvchilari amaliyotda metaeuristika asosidagi optimallashtirish usullaridan foydalanishadi.

5 Metaeuristikalash qidiruvi

Transformator modeli geometrik dasturlash orqali hal etiladi, bu esa metaeuristikalash algoritmlari yordamida bajariladi. Geometrik dasturlash echimlarining ustuvorligi ikki faktordan iborat. Birinchi, modern ichki nuqtalarga asoslangan GP echimlar tez va barqaror. Ikkinchi, geometrik dasturlash matematik modellashtirish qoidalari olingan echimning butun jahonda optimal ekanligini ta'minlaydi. Tenglik va teng emas shartlar ifodalarini maxsus matematik formulalar - monomlar (10) va pozinomlar (11) orqali ifodalash kerak.

Bu yerda ck>0, α parametrlari haqiqiy sonlar, x o'zgaruvchilarining qiymatlari musbat bo'lishi kerak. Qutuqli quvvat transformatorlari uchun xarajat optimallashtirish masalasi maxsus geometrik strukturaviy shaklda ifodalash mumkin. Ammo bu matematik optimallashtirish usuli yadroli quvvat transformatorlari uchun qo'llanilishi mumkin emas, chunki yadroli quvvat transformatorlari qisqa zanjir impedansiga strict talablar bor. Shuning uchun, GP usulini branch-and-bound usuli bilan biriktirish orqali tez va aniq echim usuli olingan.

6 Natijalar va muhokama

A. Sinov transformatorining texnik xususiyatlari

120kV/20kV kuchlanish nisbati bo‘yicha 16 MVA quvvatli kuchlanish transformatorida optimallashtirish sinovlari o‘tkazildi. Birinchi holatda optimallashtirish maqsadlari umumiy egallash xarajatlari (TCO) va minimal karbon izi (CF) edi. Tarmoq chastotasi 50 Gs bo‘lib, qisqa tutashuv impendansi 8,5% talab etildi. Parametrlar standartlarga muvofiq tanlandi. Transformator sovutish usuli ONAN sifatida tanlandi, atrof-muhit harorati esa 40°C sifatida belgilangan. Shu sababli, asosiy o‘ram uchun ruxsat etilgan o‘ram tok zichligi chegarasi 3A/mm², tarmoq o‘zgartirgich o‘rami uchun esa 3,5A/mm² qilib belgilangan.

Past kuchlanishdagi (birinchi) o‘ram CTC (Davomli ravishda almashtiriladigan kabel) bilan spiral o‘ram sifatida modellashtirildi, yuqori kuchlanishdagi (ikkinchi) o‘ram esa ikki o‘tkazgichli disk o‘ram sifatida modellashtirildi. Yadro materialining to‘yinishi va tarmoqdagi ortiqcha kuchlanishni hisobga olgan holda, maksimal oqim zichligi 1,7T chegarasiga qisqartirildi. Minimal izolyatsiya masofalari empirik qoidalar asosida tanlandi. Elektr po‘latining narxi 3,5€/kg sifatida, o‘ram materiali narxi esa 8€/kg sifatida tanlandi. Elektr po‘lat ishlab chiqarish uchun karbon izi narxi 1,8kgCO2/kg, mis uchun esa 6,5kgCO2/kg ni tashkil etdi.

Optimizatsiya natijalari Jadvall 2-da umumlashtirilgan. Natijalardan ko'rinadi, CF optimizatsiyasida optimal transformatorning samaradorligi TCO tahlili keyin kelgan samaradorlikdan pastroq. Transformatorning har bir o'qqa to'g'ri keluvchi voltaj metalla (misol uchun moliy) nisbatiga bog'liq bo'lib, ikkita holatda qiymatlari qo'shni bo'lgan. Yadro yo'qotmalar ikkita holatda nisbiy ravishda kam, farqi katta emas. Quyosh energiyasi elektr stansiyalarining LLF si kamligi sababli, yadro yo'qotma narxlar yuk yo'qotma narxlari bilan solishtirganda nisbiy ravishda yuqori. Asosiy farq moslash maydonidagi yo'qotmalarda, bu yerda TCO holati bilan solishtirganda aniqroq kamroq. Metall metallurgiyasi va moliy materiallarning narx nisbati nonmetall metallurgiyasi va moliy materiallar narx nisbatidan yuqoriroq bo'lgani, shuningdek, ishlatilayotgan materiallarning CF si transformatorning elektr yo'qotmalarining CF dan yuqoriroq bo'lgani uchun, optimizatsiya algoritmi kamroq moliy bilan ishlab chiqarilgan dizaynlarni tanlashga meyllik ko'rsatadi. Elektr narxlarining CF si va moliy/temir metallurgiyasining CF si orasidagi katta farq sababli, algoritm TCO asosidagi hisob-kitoblardan solishtirganda kichikroq, kam samaradorroq dizayn ni tanlaydi.

7 Xulosa

Hozirgi paytda, elektr transformatorlari uchun hazirda ishlatiladigan, keng qabul qilingan karbon izini aniqlash usuli mavjud emas. Posh-economy davrida, adabiyotdagi karbon izi tahlillari tasodifiy tanlangan transformatorlar juftligi uchun amalga oshirilgan. Ammo katta elektr transformatorlari turli iqtisodiy scenariyalarga mos tarzda ishlab chiqariladi. Optimizatsiya dizaynlarni solishtirish uchun, amaliy misolda ikki optimizatsiya dizayni amalga oshirildi. Birinchi holatda, TCO optimizatsiyasi bajarildi; ikkinchi holatda, transformatorning karbon izi minimal qilindi. Natijalar, karbon izi tahlili traditsionel TCO usullaridan solishtirganda kamroq samaradorlikka ega bo'lgan transformatorlarni berishi mumkin, deb ko'rsatadi. Bu, katta motorlar ishlab chiqarish jarayonidagi atmosferaga ta'siri, tarmoqda yo'qotmalariga solishtirganda, yuqori bo'lishi sababli bo'lishi mumkin. Ko'proq tadqiqot, ishlab chiqarish vaqti, xizmat ko'rsatish, yangi biyojaraylovchilik yog'laridan foydalanish yoki transformatorlarni qayta ishlashning atrof-muhitga ta'sirini baholash uchun amalga oshirilishi mumkin.