Теория+энергоэффективность=успешная стратегия внедрения

В статье изложены основные положения новой прикладной дисциплины -теории энергоэффективности силовых трансформаторов. Сформулирован основной закон энергоэффективности совокупности конвенционально выделенной совокупности силовых трансформаторов. Описана онтология теории. Дана аксиоматика и выведены математические формулировки основных положений теории энергоэффективности силовых трансформаторов. Приведены примеры практического применения теории.

Введение

Как отмечают авторы работы [1], энергоэффективность является одним из фундаментальных принципов системы Глобальной энергетической безопасности, а потенциал России в энергосбережении составляет 40%-50% текущего энергопотребления. Однако разработка стратегий энергосбережения, стратегий внедрения энергоэффективных технологий, энергоэффективного оборудования должна основываться на соответствующем теоретическом базисе. Одним из элементов такого базиса является сформулированная автором и представленная ниже теория энергоэффективности силовых трансформаторов.

Основные положения теории энергоэффективности силовых трансформаторов

При формулировке теории энергоэффективности силовых трансформаторов использованы аксиоматический и гипотетико-дедуктивный подходы. Объектом исследования теории прикладной энергоэффективности является совокупность энергоэффективных трансформаторов, изготавливаемых в соответствии с требованиям европейских стандартов энергоэффективности, а также российских стандартов ГОСТ Р 52719-2007, ГОСТ Р 54728-2011, ГОСТ 16772-77, СТО 34.01-3.2-011-2017. Предметом исследования являются закономерности, позволяющие рассчитать параметры силовых трансформаторов и условия их эксплуатации, которые обеспечивают минимальную стоимость трансформации электроэнергии. Применяемые в сформулированной теории энергоэффективности силовых трансформаторов математические методы исследования основаны на следующих конструктах: 1) третья научная картина мира (технократический подход); 2) понятие техноценоза; 3) негауссова математическая статистика устойчивых безгранично делимых гиперболических распределений; 4) второе начало термодинамики в форме закона оптимального построения техноценоза.

В основу теории энергоэффективности силовых трансформаторов положены следующие аксиомы:

• Все функционирующие в рамках административного региона, региональной сетевой компании, страны в целом на конкретный момент времени силовые трансформаторы (являющиеся источниками электроэнергии каждый для своей обособленной группы потребителей), рассматриваются как конвенционально выделенная совокупность объектов исследования, связанных между собой слабыми связями; структура этой совокупности (зависимость количества трансформаторов от ранга), упорядоченной по определяющему видовому параметру (мощность трансформатора), описывается специальным математическим конструктом — гиперболическим распределением.
• Каждый из функционирующих в конкретный момент времени силовых трансформаторов, являющийся источником электроэнергии для своей обособленной группы потребителей, рассматривается в то же время как объект исследования, связанный сильными связями (электромагнитными) со своими потребителями электрической энергии и другими элементами конкретной электрораспределительной сети.
• Существует взаимно-однозначное соответствие максимальной энергоэффективности техноценоза «Силовые трансформаторы» с его номенклатурной и параметрической оптимальностью и оптимальностью параметров энергоэффективности силовых трансформаторов, входящих в рассматриваемый техноценоз.
• Таким образом, теория энергоэффективности силовых трансформаторов базируется на ценологической парадигме, в рамках которой совокупность объектов исследования, входящих в ЕНЭС России или обособленные электросети, предназначена для единой цели — распределение электрической энергии. Таким образом, совокупность всех установленных и функционирующих силовых трансформаторов в рамках конвенционально выделенных границ образует техноценоз «Силовые трансформаторы». Техноценозы исследуются на базе двух законов, открытых профессором, д. т. н. Борисом Ивановичем Кудриным: 1) закон инвариантности структуры техноценозов; 2) закон информационного отбора [2]. Для расчета оптимальных структурных параметров этого техноценоза используется закон оптимального построения техноценозов профессора д.т.н. В.И. Гнатюка [3].

Эта аксиома требует использовать законы электротехники для расчета основных параметров отдельных энергоэффективных трансформаторов (оптимальный коэффициент загрузки, мощность потерь холостого хода и короткого замыкания).

Данная аксиома позволяет сформулировать методологию расчета оптимальных структурных, экономических и электротехнических параметров, характеризующих энергоэффективность совокупностей объектов исследования на федеральном, региональном и местном уровнях.

Основной закон энергоэффективности силовых трансформаторов

Он формулируется в следующем виде:

Максимальной энергоэффективностью обладает такой техноценоз «силовые трансформаторы» любого уровня (федерального, регионального, местного), который является оптимальным номенклатурно и параметрически, с одной стороны, и с другой стороны, каждый элемент (особь) каждого вида (группы трансформаторов определенной мощности) которого имеют максимальный коэффициент энергетической эффективности с точки зрения трансформации электроэнергии.

Закон понятен интуитивно и логически следует из приведенных выше трёх основных аксиом. Он позволил сформулировать методологии применения и прогнозирования, а также ряд практически значимых методик расчета параметров энергоэффективности совокупностей энергоэффективных трансформаторов и отдельных силовых трансформаторов. В частности, автором созданы или находятся в стадии разработки:

• Методология прогнозирования динамики изменения объема техноценоза при увеличении электропотребления (проще говоря, прогнозирование спроса на энергоэффективные силовые трансформаторы).
• Оценка потенциала энергосбережения электроэнергии в России за счет замены обычных трансформаторов на энергоэффективные трансформаторы.
• Методология оптимизации энергетической эффективности техноценоза «Силовые трансформаторы» .
• Методология внедрения энергоэффективных силовых трансформаторов.
• Методология выбора поставщика энергоэффективных силовых трансформаторов.

Далее излагаются основные математические зависимости, используемые в указанных выше конструктах, которые являются предметом исследования теории энергоэффективности силовых трансформаторов.

Практическое применение теории энергоэффективности силовых трансформаторов

Методология прогнозирования динамики изменения объема техноценоза «Силовые трансформаторы» при увеличении электропотребления

Авторская математическая модель описания структуры техноценоза «Силовые трансформаторы» на основе ценологической парадигмы, используемая при прогнозировании динамики изменения объёма техноценоза [4], описана ниже.

Конвенционально можно рассматривать совокупности всех установленных и функционирующих трансформаторов в рамках административного региона, в рамках региональной сетевой компании, в рамках РФ. Основным видообразующим параметром, описывающим техноценоз «Силовые трансформаторы» является мощность трансформатора. Конструктивные особенности трансформаторов не рассматриваются.

Формализованное описание техноценоза «Силовые трансформаторы» составляется следующим образом:

1. формируются «виды» — группы трансформаторов одинаковой мощности;
2. этим видам присваивается порядковый номер — ранг; наименьший, первый ранг имеет группа трансформаторов наибольшей численности, наибольший ранг — группа трансформаторов наименьшей численности.

Основной математической зависимостью описания структуры рассматриваемого техноценоза является форма ранговидового распределения, определенная основателем теории техноценозов профессором, д. т. н. Кудриным Борисом Ивановичем [2].

В соответствии с [4] структура техноценоза «Силовые трансформаторы» определяется следующей формулой (1):

Параметр называется константой распределения и определяет количество трансформаторов наименьшей мощности и наибольшей численности; это «вид», которому присваивается первый порядковый номер (первый ранг).

• β — характеристический показатель ранговидового распределения.
• r_i — ранг (порядковый номер) каждого «вида» (каждой мощности) трансформаторов.
• N_i — количество трансформаторов ранга (порядкового номера) i.

В результате статистической обработки совокупности трансформаторов, установленных в «МРСК Цента», «МРСК Центра и Приволжья», характеристический показатель техноценоза «Силовые трансформаторы» β был найден равным β=1,44 [4].

Как предполагает автор — это число имеет фундаментальное значение для электрораспределительных сетей и отражает их сложившуюся структуру, как отдельного самостоятельного экономического региона, так и страны в целом. Но при этом вопрос об оптимальности структуры данного техноценоза остается открытым.

Устойчивость, т. е., по сути, надежность и работоспособность сетей МРСК, находится в полном согласии с выводами фундаментальной работы В. И. Гнатюка [3]. Как указано в этой работе, наилучшим является диапазон структур техноценоза, описываемый ранговидовыми распределениями с 0,5< β< 1.5. Полученное значение β=1,44 удовлетворяет данному условию.

Зависимость (1) применена автором для создания методологии прогнозирования динамики изменения объема техноценоза. В основу методологии положены следующие гипотезы:

• Рост электропотребления взаимно-однозначно связан с увеличением объема установленной трансформаторной мощности, т.к. электроэнергия может поступить к потребителю только после преобразования в силовом трансформаторе.
• Количество вновь устанавливаемых трансформаторов каждого вида (каждой мощности) подчиняется зависимости (1).
• Количество вновь устанавливаемых трансформаторов ранга 1 (наименьшей мощности, наибольшего количества) определяется из очевидного уравнения (W — суммарное увеличение установленной трансформаторной мощности, N_i — количество трансформаторов мощности W_i ранга i):

W=Σ(N_i*W_i) — формула 2

в котором величину N_i можно заменить по формуле (1). Тогда мы получаем следующую формулу для вычисления величины N₁:

N₁=W/Σ(W_i/r_i^β ) — формула 3

Данные расчета увеличения объема техноценоза «Силовые трансформаторы» в России в 2020 году

При росте электропотребления в России в 2018 году на уровне 1 055,6 млрд кВт⋅ч и с учетом замены 5 % от объема уже установленных и работающих силовых трансформаторов, количество установленных трансформаторов мощностью 25 кВА — 6300 кВА увеличится почти на 73 000 штук.

Потенциал энергосбережения в России за счет замены обычных силовых трансформаторов I — III габарита на энергоэффективные.

Потенциал энергосбережения электроэнергии в России, если иметь в виду замену всех обычных силовых трансформаторов на аналогичной мощности энергоэффективные трансформаторы, оценен в работах [5, 6].

Для расчета электротехнического эффекта (сэкономленной мощности) и финансового эффекта (стоимости сэкономленной мощности) сначала была выполнена оценка общего количества всех установленных в России силовых трансформаторов I — III габарита (мощностью от 25 кВА до 6300 кВА). Расчет выполнялся на основе модели, описываемой формулами (1) — (3). Количество установленных и функционирующих силовых трансформаторов указанного диапазона мощностей составляет ~2,6 миллиона штук. Электротехнический и экономический эффекты оценивались в предположении, что замена всех обычных трансформаторов произведена на трансформаторы класса энергоэффективности Х2К2 в соответствии с отраслевым стандартом СТО 34.01-3.2-011-2017.

Подробные результаты расчетов

Суммарные потери в трансформаторах мощностью 25 кВА — 6300 кВА при загрузке 100 % в финансовом выражении (при условии, что цена электроэнергии в среднем составляет 5 руб./кВт⋅ч), могут составить~400 млрд. руб. в год. Это составляет 2,2 % объема расходов госбюджета РФ на 2019 год. При замене всех установленных трансформаторов на энергосберегающие класса энергоэффективности Х2К2 ежегодная экономия за счет сокращения потерь в трансформаторах может равняться ~50 млрд руб. Это равноценно примерно 0,25 % доходов госбюджета РФ на 2019 год. Насколько эта сумма велика или мала? Для сравнения — расходная часть бюджета на 2019 города Екатеринбург с населением 1 483 119 человек составляет 49,6 миллиарда рублей.

Методология оптимизации энергетической эффективности техноценоза «Силовые трансформаторы»

Одним из главных результатов применения теории энергоэффективности силовых трансформаторов является оптимизация энергетической эффективности трансформаторного комплекса России и его отдельных частей. Эта задача решается с помощью основного закона теории энергоэффективности силовых трансформаторов, сформулированного выше. В соответствии с этим законом оптимизация должна выполняться в два этапа.

I-й этап

Из электротехнических закономерностей определяются оптимальные параметры энергоэффективности силовых трансформаторов, составляющих оптимальную структуру техноценоза.

Подробно оптимальные параметры энергоэффективности силовых трансформаторов рассмотрены в работе [6]. Здесь определены прямая и обратная задачи повышения энергоэффективности силовых трансформаторов. Под прямой задачей повышения энергоэффективности понимается расчет оптимальной загрузки трансформатора при известных потерях хх и кз. Обратная задача заключается в расчете потерь холостого хода и короткого замыкания, обеспечивающих энергоэффективность трансформации электроэнергии при заданной нагрузке. Полученные на первом этапе оптимизации энергоэффективности техноценоза параметры силовых трансформаторов являются основой для номенклатурной и параметрической оптимизации техноценоза, так как определяют главный ресурс, затрачиваемый на функционирование техноценоза «Силовые трансформаторы» — .затраты на его эксплуатации, т.е. затраты на трансформацию электроэнергии.

II-й этап

Оптимизируется структура техноценоза. Выполняется номенклатурная и параметрическая оптимизация. По её результатам мы будем иметь оптимальное количество силовых трансформаторов заданных мощностей (мощность — основной видообразующий параметр).

Основные этапы общего алгоритма оптимизации техноценоза приведены на рисунке 1 (заимствован из [3]).

Данный алгоритм является общим для всех типов техноценозов и на его основе автором в настоящее время разрабатывается методика оптимизации энергоэффективного техноценоза «Силовые трансформаторы».

Методология внедрения энергоэффективных силовых трансформаторов.

Как указывалось в начале настоящей статьи, внедрение энергоэффективного оборудования как раз и потребовало разработки теоретических основ. Основы методологии внедрения энергоэффективных силовых трансформаторов рассматривались автором в работе [6].

В развернутом виде эту методологию можно представить как совокупность следующих последовательных действий:

• Обследование всего установленного парка силовых трансформаторов в аспекте оценки оптимальности этой совокупности оборудования как техноценоза.
• Оценка остаточного ресурса всех функционирующих трансформаторов.
• Расчет параметров энергоэффективности всех трансформаторов и оптимизация техноценоза «Силовые трансформаторы» в масштабах выбранного территориального образования.
• Параллельная разработка законодательной и нормативной базы для глобального внедрения изменений техноценоза «Силовые трансформаторы» (функциональных, номенклатурных, параметрических).
• Параллельная разработка законодательной и нормативной базы для организации производства энергоэффективных трансформаторов.
• Параллельная подготовка специалистов всех уровней для эксплуатации оборудования энергоэффективного техноценоза «Силовые трансформаторы».

Методология выбора поставщика энергоэффективных силовых трансформаторов.

Широкое внедрение энергоэффективного оборудования в условиях рыночной экономики связано с закупками этого оборудования. Сложные вопросы выбора поставщиков энергоэффективных трансформаторов в условиях действия закона энергоэффективности силовых трансформаторов рассмотрены автором в работах [7–9].

Методология выбора поставщика энергоэффективных силовых трансформаторов включает пять основных положений:

1. Формирование оптимальных номинальных мощностей потерь хх и кз осуществляется на основании оптимального коэффициента загрузки трансформатора, который рассчитывается на основании максимального коэффициента энергоэффективности.
2. Предлагаемые поставщиком цены на энергоэффективные трансформаторы должны обязательно проверяться на адекватность. Для проверки адекватности автором получена математическая модель взаимосвязи цены распределительного трансформатора с его характеристиками потерь холостого хода и кроткого замыкания [10]. Методика поверки адекватности цен изложена в [7].
3. Выбор варианта поставки должен выполняться по критерию минимальной полной дисконтированной стоимости владения трансформатором [7].
4. Дополнительным ограничением выбора варианта поставки является срок окупаемости инвестиций в энергоэффективные трансформаторы.
5. В процедуру выбора поставщика обязательно должен включаться анализ перечня проводимых на заводе-изготовителе испытаний трансформаторов.

Только реализация в полном объеме предлагаемой методики выбора поставщика энергоэффективного оборудования обеспечит выполнение техноценозом «Силовые трансформаторы» своей целевой функции по обеспечению объектов качественным и надежным электроснабжением.

Выводы

В статье последовательно изложена онтология актуальной новой прикладной научной дисциплины — теории энергоэффективности силовых трансформаторов.

Описанные практические приложения теории обеспечивают решение широкого спектра задач повышения энергоэффективности электросетевого комплекса России.

Список литературы

• Данилов Н. И., Лисиенко В.Г., Щелоков Я. М. «Проблемы стратегии и теории энергоэффективности». Экономика региона. 2006 год, № 4 (8). — с. 78–87.
• Кудрин Б.И. «Два открытия: явление инвариантности структуры техноценозов и закон информационного отбора». Технетика. 2009 год. Стр. 82.
• Гнатюк В.И. «Закон оптимального построения техноценозов». [Электронный ресурс].
• Савинцев Ю.М. «Методология прогнозирования рыночного спроса на электрооборудование сетей электроснабжения на базе ценологической парадигмы» [Электронный ресурс].
• Савинцев Ю.М. «Анализ основных характеристик обычных и энергоэффективных распределительных трансформаторов основных заводов». [Электронный ресурс].
• Савинцев Ю.М. «Базовый принцип повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций в сетях электроснабжения». [Электронный ресурс].
• Савинцев Ю.М. «Надежный поставщик — ключ к безаварийности и энергоэффективности». Энергетика и промышленность России. 2019 год, № 09 (365). — с. 40–41.
• Савинцев Ю.М. «Мал трансформатор, да энергоэффективен». [Электронный ресурс].
• Савинцев Ю.М. «Сухие энергоэффективные трансформаторы: кто в тренде?». Энергетика и промышленность России. 2019 год, № 13-14 (369-370). — с. 40–41
• Савинцев Ю.М. «Монетизация» энергоэффективности в трансформаторостроении». Энергетика и промышленность России. 2019 год, № 05 (361). — с. 40–41.