Оценка возможности использования сбросного тепла силовых трансформаторов для отопления и горячего водоснабжения электрических подстанций

Байшев Анатолий Викторович; Торопов Андрей Сергеевич

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 621.314:[621.311:(628.1+628.81)]

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СБРОСНОГО ТЕПЛА СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОДСТАНЦИЙ

А. В. Байшев, А. С. Торопов

Хакасский технический институт — филиал Сибирского федерального университета

В статье рассматривается возможность применения сбросного тепла силовых электрических трансформаторов, которое можно направить на отопление и горячее водоснабжение зданий подстанции (или зданий, находящихся в непосредственной близости к ней). Проанализированы различные достоинства и недостатки (с указанием путей их возможного устранения) метода энергосбережения. Рассчитан примерный экономический эффект от использования сбросного тепла трансформаторов. Обоснованы перспективы использования сбросного тепла трансформаторов для отопления близлежащих зданий. Показано, что имеющиеся риски возможно снизить путём разработки единого стандарта по применению сбросного тепла трансформаторов.

Ключевые слова: трансформатор, отопление, водоснабжение, собственные нужды подстанции, сбросное тепло.

На фоне повсеместной оптимизации расходов на производство и передачу электроэнергии перспективной идеей по снижению расходов на собственные нужды подстанций (ПС) является использование сбросного тепла трансформаторов и автотрансформаторов электрических ПС.

Использование сбросного тепла трансформатора в целях отопления и горячего водоснабжения реализуется путём установки в систему охлаждения трансформатора теплообменника, который производит передачу тепла от трансформаторного масла к теплоносителю. В качестве теплоносителя обычно используется вода, которая обладает большой теплоёмкостью и, что немаловажно, низкой стоимостью. Далее по тепловой сети вода поступает в испаритель теплового насоса, где испаряется жидкий хладагент - озонобезопасный фреон. После этого необходимое для испарения тепло отбирается от нагретой воды, при этом температура воды снижается на несколько градусов. Далее пары испарившегося хладагента сжимаются компрессором до высокого давления, их температура повышается, и они поступают в конденсатор теплового насоса. Через конденсатор протекает водяной теплоноситель контура отопления здания. Вода в системе отопления нагревается до 40-60 оС и через выравнивающую ёмкость (гидравлический разделитель) сетевыми насосами доставляется в систему отопления зданий.

В качестве успешного примера по использованию сбросного тепла трансформаторов может выступать ПС-330 кВ «Гродно» в Белоруссии, где сбросным теплом отапливаются здания оперативного пункта управления подстанцией (ОПУ), мастерская и проходная подстанции. Нужно отметить, что система использования сбросного тепла трансформаторов на ПС-330 кВ «Гродно» окупила себя за 6 лет и 4 месяца, при этом она имеет малые эксплуатационные расходы, что предполагает возможность применения таких систем на подстанциях в РФ [1].

Помимо видимой экономической эффективности на отопление помещений ПС, важным преимуществом использования сбросного тепла трансформатора является более эффективное охлаждение трансформатора. Как известно, потери энергии в трансформаторе будут минимальны при температуре масла от +20 до +40 оС [2]. Соответственно, удерживая температуру масла в указанных пределах, можно добиться более эффективной работы трансформатора.

В настоящее время охлаждение трансформатора осуществляется при помощи масляных насосов и вентиляторов, которые потребляют на эти цели немалое количество электроэнергии, соответственно обеспечение их работоспособности сказывается на расходах на собственные нужды ПС. При этом чем выше мощность трансформатора, тем большее количество тепла он выделяет, и соответственно тем большее количество электроэнергии требуется для его охлаждения в силу использования на них более мощных вентиляторов и масляных насосов.

Достоинством системы отбора тепла трансформатора состоит в том, что с её помощью можно обеспечить полное отключение вентиляторов (останов масляного насоса недопустим). Учитывая тот факт, что на постоянное охлаждение вентиляторами трансформатора марки АТДЦТН-200000/220/110/10, работающего в нормальном режиме, требуется приблизительно электроэнергии в объёме 2,2 кВт ч, соответственно такая экономия ресурса весьма привлекательна.

Для оценки экономического эффекта от внедрения системы отопления помещений ПС сбросным теплом сравним затраты на электрическое отопление с затратами на отопление сбросным теплом. В качестве примера возьмём типовую ПС напряжением 220 кВ с двумя трансформаторами, на которой имеются четыре отапливаемых помещения (рис.), в каждом из которых установлены электроотопительные радиаторы мощностью 1,5 кВт каждый. Общее количество электроотопительных радиаторов отопления на подстанции - 63 штуки. Для даль-

нейших расчётов примем длительность отопительного сезона равным 200 дней, что соответствует числу дней отопительного сезона в Республике Хакасия [3].

Рис. Отапливаемые помещения подстанции: (1) - оперативный пункт управления станцией (ОПУ); (2) - закрытое распределительное устройство (ЗРУ);

(3) - охранный пост (ОП); (4) - мастерская; (5) - автотрансформатор.

Затраты электроэнергии на отопление определим по формуле:

W= Р х п х t х D,

где W - электроэнергия, потребляемая за отопительный период, кВт/ч; Р - мощность радиаторов отопления, кВт; п - количество радиаторов отопления, шт.; t - время работы радиаторов, часов в сутки; D - длительность отопительного сезона, дней.

Стоимость электроэнергии на отопление вычисляется по формуле Z = W х К, где К - цена за 1 кВт/ч электроэнергии, которая меняется ежемесячно. Для расчётов принимаем ставку тарифа, равного 1,70 руб. по тарифу апреля 2018 года [4]. Таким образом, затраты за отопительный период при постоянном включении радиаторов отопления (радиаторы без регулирования температуры, время работы принимаем равным t = 24 часа в сутки) составят:

W = 1,5 х 63 х 24 х 200 = 453 600 кВт/ч;

Z = 453 600 х 1,70 = 771 120 руб.

Для дальнейших расчётов примем величину собственного потребления теплового насоса равной 25 кВт/ч электроэнергии, выдача же тепловой энергии составляет при этом 100 кВт/ч. Коммуникации отопления с жидкостным носителем по территории ПС предполагается выполнять теплоизолированными, в результате чего они будут характеризоваться незначительными тепловыми потерями, которыми можно пренебречь.

Исходя из того, что общая мощность установленных электроотопительных радиаторов без терморегуляторов составляет 63 х 1,5= 94,5 кВт/ч можно сказать о том, что выбранной мощности теплового насоса будет достаточно для отопления зданий рассматриваемой ПС.

Для того, чтобы примерно оценить эффективность использования системы отопления сбросным теплом, определим экономию от её внедрения после наступления срока окупаемости. Для этого сравним затраты на электроэнергию стандартной системы отопления и системы отопления сбросным теплом:

1. Стандартная система отопления без терморегуляторов: потребление электроэнергии в час - 94,5 кВт/ч; потребление электроэнергии в день - 2 268 кВт/ч; затраты на электроэнергию в день - 3 856 руб.

2. Система отопления сбросным теплом: потребление электроэнергии в час - 25 кВт/ч; потребление электроэнергии в день - 600 кВт/ч; затраты на электроэнергию в день - 1 020 руб.

Как видим, экономия при отоплении помещений ПС сбросным теплом значительная и составляет примерно 2 836 руб. в день и 567 200 руб. за отопительный сезон.

Рассчитаем дополнительную экономию от остановки вентиляторов охлаждения трансформаторов. На выбранной ПС установлены два трансформатора марки АТДЦТН-200000/220/110, охлаждение которых осуществляется четырьмя охладительными группами, в состав каждой из которых входят по два вентилятора, радиатор и

масляный насос. В нормальном режиме постоянно работают одна охладительная группа, вентиляторы которой потребляют около 2,2 кВт/ч, и масляный насос.

Предполагаем останов вентиляторов, которые потребляют в сутки 52,8 кВт/ч, что в денежном выражении составит: 52,8 х 1,7 = 89,76 руб./день. Таким образом, отключение вентиляторов позволяет сэкономить: 89,76-х 200 = 17 952 руб./год.

Общая экономия за отопительный сезон составит:

567 200 +17 952 = 585 152 руб.

Несмотря на значительную экономию, на пути применения сбросного тепла для отопления ПС имеются весьма серьёзные проблемы. В частности, они связаны с тем, что капитальная переделка системы отопления под отопление сбросовым теплом требует врезки теплообменника в действующую систему охлаждения трансформатора и создаёт дополнительный контур, по которому циркулирует трансформаторное масло. Это при некачественном исполнении врезки в систему охлаждения снижает надёжность эксплуатации трансформатора, а также повышает вероятность утечки трансформаторного масла из системы охлаждения, что является серьёзной аварийной ситуацией. Поэтому целесообразно, чтобы трансформаторы изначально были рассчитаны на использование сбросного тепла. Говоря другими словами, должны быть разработаны заводские модификации трансформаторов, в которых система охлаждения будет укомплектована теплообменником. Возможен и другой путь: осуществление заводами (или аккредитованными подрядными организациями) доработки уже эксплуатируемых трансформаторов под использование сбросного тепла с обеспечением гарантии нормальной работоспособности такового трансформатора после исполнения врезки.

Ещё одна проблема на пути повсеместной установки на подстанциях систем утилизации тепла - это коммуникации на территории ПС, которые необходимы для отведения тепла трансформатора к тепловому насосу. Выполнить эти коммуникации под землёй на территории действующей ПС достаточно сложно и дорого. Кроме того, на большинстве ПС используется безжидкостная система отопления с помощью электроконвекторов, и соответственно внедрение системы сбросного тепла потребует переделки её под систему с жидкостным носителем, что трудоёмко и дорого. Таким образом, использование сбросного тепла больше подходит для вновь сооружаемых ПС, для которых на проектной стадии существует менее трудоёмкая возможность заложить необходимые коммуникации по территории ПС.

Помимо этого, следует указать ещё на такую проблему, как использование сбросного тепла летом, когда отопление зданий не производится. Решить эту проблему можно путём направления сбросного тепла на нагрев воды. Однако вследствие того, что горячая вода используется на подстанциях в небольших количествах, то большая часть сбросного тепла останется не использованной. Поэтому максимально эффективно использовать сбросное тепло можно на подстанциях, соседствующих с хозяйственными зданиями (автоцехами, цехами по ремонту электрооборудования и т. д.), где горячая вода активно используется круглогодично.

Нельзя не сказать и о такой проблеме, которая связана с надёжной эксплуатацией трансформаторов после внедрения системы отбора сбросного тепла, обязательно предполагающей наличие комплекса релейной защиты, который в случае неисправности системы отбора тепла включит вентиляторы для охлаждения трансформатора.

Всё выше сказанное позволяет прийти к следующему выводу. Использование сбросного тепла трансформаторов возможно при грамотном подходе к его применению на объектах, где круглогодично используется горячая вода. Кроме того, имеется потребность в разработке стандарта по отоплению ПС сбросным теплом, в котором указывались бы рекомендуемые мощности теплового насоса, варианты прокладки коммуникаций, а также особенности эксплуатации системы, что создаст унификацию ПС, использующих сбросное тепло трансформаторов, и упростит их эксплуатацию.

Библиографический список

1. Сделаем жизнь светлее и теплее / Грозненское республиканское унитарное предприятие электроэнергетики «Гродноэнерго» (RUE

GRODNOENERGO). - URL: http://www.energo.grodno.by/ (дата обращения: 28.04.2018).

2. Татинцян, А. А. Использование частотного регулирования в системе охлаждения автотрансформатора / А. А. Татинцян,

О. С. Головкина // Достижения науки и образования. - 2016. - № 9 (10). - С. 13-14.

3. Климатический атлас СССР. Ч. 1, 2. - М., 1960, 1962. - URL: http://www.sci.aha.ru/biodiv/npd/2_05.htm (дата обращения: 28.04.2018).

4. Администратор торговой системы оптового рынка электроэнергии. - URL: https://www.atsenergo.ru/ (дата обращения: 28.04.2018).