В статье сформулированы теоретические основы, позволяющие выбирать оптимальные режимы эксплуатации современных энергоэффективных масляных распределительных трансформаторов — коэффициент загрузки. Загрузка впервые определяется для всего трансформаторного комплекса распределительной электросети. Критерием оптимальности загрузки является минимум удельной стоимости трансформации электроэнергии. Приведены данные расчетов, полученные на основе разработанного метода.
Введение
6 апреля 2020 года была утверждена «Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года», в которой определено: «(...) Главной задачей электроэнергетики ... является повышение надежности и качества энергоснабжения потребителей до уровня, сопоставимого с лучшими зарубежными аналогами, с обеспечением экономической эффективности таких услуг. (...).».
Кроме того, в разделе «Пространственное и региональное развитие сферы энергетики» указывается, что " (...) Задачей электроэнергетики ... является повышение эффективности электросетевого комплекса.
В комплекс ключевых мер, обеспечивающих решение поставленной задачи, входят:
- а) повышение качества разработки схем и программ развития электроэнергетики, в том числе прогноза спроса на электрическую энергию и мощность на основании данных о реализации на территориях субъектов Российской Федерации инвестиционных проектов;
- б) повышение эффективности, в том числе экономической, технологий передачи электрической энергии ... «
В разделе 3.3. «Достижение технологической независимости ТЭК и повышение его конкурентоспособности» сказано, что " (...) на основе анализа результатов пилотных проектов будут намечены меры по широкомасштабному распространению эффективных цифровых технологий в отраслях ТЭК (...)«.
Как видно, для успешной реализации стратегии, для скорейшей цифровизации электроэнергетики требуется серьезнейший фундамент, а именно:
- современные диагностические системы;
- аппаратно-программные комплексы по типу цифрового двойника на базе самого современного методологического и математического аппарата;
- современное энергоэффективное оборудование, в том числе, энергоэффективные распределительные трансформаторы.
Потенциал энергосбережения России на сегодняшний день, рассчитанный автором, представлен в таблице 1. В модели расчета предполагается, что все установленные распределительные трансформаторы одномоментно заменены на энергоэффективные класса энергоэффективности Х2К2. Средняя загрузка трансформаторов по России принята равной 0,7. В финансовом выражении, полученный таким образом экономический эффект составляет ~13 миллиардов рублей в год. Для сравнения значительности этой суммы можно привести пример бюджета среднего российского города, например, бюджет города Орёл на 2020 год составил 6 миллиардов рублей. Несмотря на то, что суммарные потери в распределительном трансформаторном комплексе (только в трансформаторах) составляют ~1 % от передаваемой мощности, потенциал энергосберегающих мероприятий достаточно велик.
Однако максимально эффективное функционирование распределительных электросетей требует дополнительной проработки и новых решений, в частности, по следующим проблемам:
- Эффективное управление структурой распределительного трансформаторного комплекса, в том числе, прогнозирование ежегодной номенклатурной и количественной потребности в закупке новых силовых и распределительных трансформаторов.
- Эффективное управление затратами на функционирование распределительных электросетей, в частности, минимизация удельной стоимости трансформации электроэнергии в рамках отдельных региональных распределительных компаний и в масштабах ЕЭС страны в целом.
- Оптимальное управление режимами эксплуатации распределительного трансформаторного комплекса, в том числе, выбор оптимальной загрузки силовых и распределительных трансформаторов для обеспечения минимальной удельной стоимости трансформации электроэнергии.
- Оптимальное управление энергоэффективностью распределительного трансформаторного комплекса, в том числе, нормирование потерь холостого хода и короткого замыкания всех силовых и распределительных трансформаторов в зависимости от требований глобальной экологии и макроэкономических параметров, в частности, энергоемкости внутреннего валового продукта. Управление энергоэффективностью, в конечном счете, связывает все предыдущие проблемы.
| Таблица 1. Потенциал энергосбережения в России (источник: расчеты автора) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Мощность, кВА | Штук | >Рхх, Вт обычные | Суммарные потери, Вт. обычные трансформаторы | Рхх, Вт энергоэфф. Х2 | Суммарные потери, Вт. Энергоэфф. трансформаторы> | Ркз, Вт обычные | Суммарные потери КЗ, Вт обычные трансформаторы | Ркз, Вт э/эфф К2 | Суммарные потери КЗ, Вт Энергоэфф. трансформаторы |
| 25 | 1399732 | 115 | 1410090017 | 115 | 1410090017 | 600 | 7356991392 | 600 | 7356991392 |
| 40 | 515895 | 155 | 700482842 | 155 | 700482842> | 880 | 3976934845> | 880 | 3976934845 |
| 63 | 287733 | 220 | 554519817,4 | 160 | 403287139,9 | 1280 | 3226297119 | 1270 | 3201091673 |
| 100 | 190142> | 270 | 449724320,4 | 217 | 361445101,9 | 1970 | 3281321893 | 1591 | 2650042199 |
| 160 | 137889 | 410> | 495240379,8 | 300 | 362371009,6 | 2650 | 3200943918 | 2136 | 2580081588 |
| 250 | 106049 | 30 | 492364879> | 425 | 394820893,5 | 3700 | 3437264249> | 2955 | 2745166448 |
| 400 | 84938 | 870 | 647331994,3 | 565 | 420393766,4 | 5600 | 4166734676 | 4182 | 3111657931 |
| 630 | 70080 | 1240 | 761239125 | 696 | 427276154,1 | 7600 | 4665659153> | 6136 | 3766905864 |
| 1000 | 59147 | 1600 | 829009994,8 | 957 | 495851603,2 | 10800 | 5595817465> | 9545 | 4945562750 |
| 1600 | 50821 | 2100 | 934906743,2 | 1478 | 657996269,8 | 16500 | 7345695840 | 15455 | 6880468437 |
| 2500 | 44304 | 2750 | 1067274725 | 2130 | 826652787,1 | 27000 | 10478697301 | 23182 | 8996931883 |
| 4000 | 39086 | 4000 | 1369581858 | 3600 | 1232623672 | 34400 | 11778403979 | 31000 | 10614259399 |
| 6300 | 34831 | 5400 | 1647647600 | 4900 | 1495087637> | 46500 | 14188076553 | 42000 | 12815036887 |
| Итого | 3020649 | 11359414295,61 | 9188378893,26 | 82698838384,50 | 73641131296,43 | ||||
| Суммарные потери в руб. | 2 718 828 591,21 | Суммарные потери в руб. | 18 376 757 786,53 | Суммарные потери в руб. | 165 397 676 768,99 | Суммарные потери в руб. | 47 282 262 592,86 | ||
| Объём потерь в финансовом выражении | 103 763 690 208,02 ₽ | ||||||||
| Потенциал энергосбережения при переходе на класс энергоэффективности Х2К2 в финансовом выражении | 13 218 623 750,99 ₽ | ||||||||
Первая и четвертая проблемы подробно рассмотрены в статьях [1, 2]. Настоящая статья посвящена проблеме оптимального управления режимами эксплуатации — оптимизации загрузки трансформатора в аспекте обеспечения энергоэффективности распределительного трансформаторного комплекса.
Вопросам оптимальности загрузки трансформаторов посвящена монография Радия Яковлевича Федосенко [3], вышедшая в 1963 году, все выводы которой актуальны и сегодня. Однако она не учитывала требования к энергоэффективности трансформаторов, потому как на тот период развития электроэнергетики вопросы энергосбережения не поднимались. Методологически выверенный подход к анализу энергоэффективности трансформаторов изложен в статье [4]. В данной работе всесторонне рассмотрено определение характеристик потерь распределительных трансформаторов в зависимости от их загрузки. Здесь отмечено также существенное отставание российских требований по энергоэффективности от европейских.
Отметим важнейший методологический аспект работы [4]. В ней энергоэффективность трансформатора отождествляется с его коэффициентом полезного действия. И энергоэффективные характеристики потерь предлагается рассчитывать, исходя из максимума значения КПД трансформатора и его загрузки. Однако общеизвестным фактом является то, что загрузка трансформатора, рассчитанная из условия максимума КПД, является крайне низкой: она составляет ~0,3...0.4. При том, что конструкция трансформатора допускает перегрузку до 1,2, крайне низкая загрузка — это крайне неэффективное использование капитальных вложений, ведь трансформаторы — достаточно дорогостоящее оборудование.
Есть и другой методический момент. Если загрузку трансформатора можно задать на основании требований технологического процесса потребителя (будь то завод или частный коттедж), то значение КПД трансформатора — это гипотетический показатель. Вряд ли он поддается нормированию применительно к энергоэффективным трансформаторам. На текущий момент мы можем оценить наибольший КПД, достигнутый при изготовлении трансформатора. Ведь, в конечном счете, этот показатель характеризует совершенство машины с энергетической точки зрения, определяется уже после ее изготовления и по результатам теоретических расчетов, а не прямых измерений. А на основании чего следует назначать КПД еще более совершенных трансформаторов?
Автор предлагает новую парадигму энергоэффективности силовых и распределительных трансформаторов.
Энергоэффективность отдельного трансформатора или распределительного трансформаторного комплекса — это динамичное состояние и оно определяется степенью согласованности конструктивных параметров отдельных трансформаторов и режимов их эксплуатации. Режимы эксплуатации, обеспечивающие энергоэффективность трансформаторного комплекса, должны выбираться из условия минимума удельной стоимости трансформации электроэнергии. Характеристики потерь энергоэффективных трансформаторов автор предложил определять на основе взаимосвязи суммарных потерь трансформаторного комплекса с энергоемкостью валового внутреннего продукта [2].
Можно исходить и из других критериев, с которыми связано суммарное тепловыделение трансформаторного комплекса, например, с требованиями глобальной экологии. Таким образом, появляется возможность определить суммарную мощность потерь при работе трансформаторов, независимо от их загрузки. А затем уже, получив тем или иным способом требования к загрузки трансформаторов, можно «разделить» суммарные потери между потерями холостого хода и потерями короткого замыкания, так как потери КЗ зависят от загрузки трансформатора, а потери ХХ — нет.
Теоретические основы выбора оптимальных режимов эксплуатации
В соответствии с новой парадигмой энергоэффективности трансформаторных комплексов и отдельных трансформаторов, режим эксплуатации трансформаторов, прежде всего, коэффициент загрузки, является функционалом от характеристик трансформаторов (в частности, их потерь) и затрат на эксплуатацию трансформатора. Экстремум этого функционала и определяет оптимальное значение коэффициента загрузки трансформаторов. В работе [5] таким функционалом названа удельная стоимость трансформации электроэнергии. Её минимум и определяет оптимальное значение коэффициента загрузки. В настоящей статье в качестве методической иллюстрации нового подхода рассматривается средний коэффициент загрузки. Хотя корректнее вести расчет максимума загрузки.
Таким образом, в отличие от работы [4], в предлагаемой авторской модели оптимизация характеристик потерь отделена от оптимизации режимов работы распределительных трансформаторов.
Ниже по результатам многочисленных расчетов удельной стоимости трансформации выявлены её зависимости от мощности от номинальной мощности трансформаторов, их мощности потерь и коэффициента загрузки.
Предварим анализ изменения удельной стоимости трансформации исследованием зависимости коэффициента полезного действия трансформаторов для стандартных (обычных) трансформаторов и энергоэффективных трансформаторов с потерями уровня Х2К2 по СТО 34.01-3.2-011-2017 от 12.04.2017г.
Результаты расчётов представлены в таблицах 2 и 3, а также на графиках рис.1 и рис. 2.
Рисунок 1. Коэффициент полезного действия обычных трансформаторов в зависимости от загрузки.
Таблица 2.
Таблица 3.
Рисунок 2. Коэффициент полезного действия энергоэффективных трансформаторов в зависимости от загрузки.
Таблицы расчетов КПД и графики для всего диапазона номинальных мощностей показывают, что на основе методологического подхода авторов работы оптимум загрузки составляет 0,3...0,4.
Очень важной является также закономерность, которую можно видеть из сравнения строк в обеих таблицах, выделенных зелёным цветом. Для трансформаторов номинальной мощностью 1000 кВА (равно как и для любой другой мощности) оптимум коэффициента загрузки для энергоэффективного трансформатора оказывается меньше оптимума для трансформатора с обычными потерями. То есть, купив существенно более дорогой энергоэффективный трансформатор, потребитель должен будет нагружать его меньше, чем обычный трансформатор, который дешевле. С точки зрения экономики эксплуатации имеет место явное противоречие.
В соответствии с авторской парадигмой энергоэффективности трансформаторного комплекса, оптимальная загрузка должна будет определена, исходя из минимума удельной стоимости трансформации электроэнергии.
Базовой принята следующая формула для ее расчета:
где:
- Цтруд — удельная стоимость трансформации электроэнергии;
- Цтр — стоимость трансформатора, руб.;
- Цпотерь — стоимость потерь, руб./квт⋅час;
- pxx — мощность потерь хх, кВт;
- α — коэффициент загрузки трансформаторов;
- pкз — мощность потерь кз, Квт;
- Sтр — номинальная мощность трансформатора, кВА.
Исходные данные и результаты расчета приведены в таблицах 4 и 5 , а также на рисунках 3 и 4.
Как видно из таблиц 4, 5 и из рисунков 3 и 4, минимум стоимости трансформации электроэнергии для энергоэффективных трансформаторов ожидаемо смещается в сторону больших загрузок по сравнению с обычными трансформаторами. Здесь нет противоречия, отмеченного выше для загрузки, найденной из условия максимума КПД. Оптимальные загрузки для обычных трансформаторов могут составлять 0,7-1,1. Однако для энергоэффективных трансформаторов эти значения могут составлять уже 0,8-1,2. Так как значения загрузки, превышающие 1, свидетельствуют о нахождении оптимума в перегрузочном режиме, то это свидетельствует о необходимости изменения параметров трансформаторов. Полученные данные могут являться основой для принятия соответствующих управленческих решений.
Выводы
Новая авторская парадигма энергоэффективности позволяет определить экономически оптимальные режимы эксплуатации трансформаторов распределительного комплекса с учетом характеристик трансформаторов и особенностей условий эксплуатации (в частности, стоимости потерь в регионе эксплуатации). Применение предложенных методов расчета обеспечит дальнейшее совершенствование управлением эксплуатацией электроэнергетического оборудование, в частности, распределительных трансформаторов.
Выражаю искреннюю благодарность руководству и ведущим специалистам ООО «Трансформер» за многочисленные предоставленные технические и другие данные о распределительных трансформаторах и за конструктивное обсуждение тезисов статьи.
Список литературы
- Савинцев Ю. М. Основные положения теории энергоэффективности силовых трансформаторов [Электронный ресурс]. Дата обращения 24.04.2020.
- Савинцев Ю. М. Разумная энергоэффективность — новый подход к нормированию потерь энергоэффективных распределительных трансформаторов [Электронный ресурс]. Дата обращения 24.04.2020.
- Федосенко Р. Я. «Трансформатор в местной распределительной сети». Издательство Министерства коммунального хозяйства РСФСР. — 1963 год. Стр. 87.
- Ивакин В. Н., Ковалев В. Д., Магницкий А. А. "Нормирование энергоэффективности распределительных трансформаторов"/"Энергия единой сети". 2017 год. № 5 (34). Стр. 20 — 31.
Автор: кандидат технических наук Савинцев Ю. М.
