CC BY
19ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И
ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ ГМЗ ТОО «СГХК» ЗА СЧЕТ МОДЕРНИЗАЦИИ СИЛОВЫХ
ТРАНСФОРМАТОРОВ
Иванова Е.В.,
докт. техн. наук, доцент Дымков К.Б.
магистрант гр. ЭЭ20(м)-202 Инновационный Евразийский Университет Инженерно-технологический факультет Казахстан г. Павлодар
IMPROVING THE EFFICIENCY OF THE POWER SUPPLY AND POWER CONSUMPTION SYSTEM OF GMZ LLP "SGKHK" DUE TO THE MODERNIZATION OF POWER
TRANSFORMERS
Ivanova E.,
doctor. technical sciences, associate professor
Dymkov K.
Master's studentgr. EE 20(m)-202 Innovative Eurasian University Faculty of Engineering and Technology Pavlodar, Kazakhstan DOI: 10.5281/zenodo.6616223
Аннотация
Доклад посвящен исследованию и анализу эффективности системы электроснабжения и электропотребления на предприятии по добыче и переработке полезных ископаемых. В работе рассматриваются параметры и характеристики различных типов трансформаторов, дана сравнительная оценка их энергетических КПД, и намечены пути повышения энергоэффективности.
Abstract
The dockland is devoted to the study and analysis of the efficiency of the power supply and power consumption system of GMZ LLP "SGKHK". The paper considers the parameters and characteristics of various types of electrical equipment, gives a comparative assessment of their energy efficiency, and outlines ways to improve energy efficiency.
Ключевые слова: энергоэффективность, процесс электропотребления, процесс электроснабжения, энерготехнологические характеристики, модернизация.
Keywords: energy efficiency, power consumption process, power supply process, energy technological characteristics, modernization.
Введение
Добыча многих полезных ископаемых производилась низко рентабельным шахтным способом, требующим выполнения большого объёма горнокапитальных и горноподготовительных работ, использования широкого арсенала горно-шахтного оборудования, буровзрывной техники и специальных инструментов [2].
В рамках реализации программы по индустриально-инновационному развитию разрабатывается технология переработки рудных и техногенных материалов, содержащих редкие и рассеянные элементы и пр. полезные компоненты. Вместе с вовлечением в работу свободных производственных площадей и оборудования планируется переработка новых видов сырья с получением новых видов готовой продукции.
Комплекс гидрометаллургического оборудования и процессов, позволяет осуществлять автоклавное выщелачивание любых минеральных ресурсов, отработано сорбционное извлечение практически всех металлов системы Менделеева,
безупречно работает система газоулавливания и хранения техногенных отходов [3].
Обсуждение
Но даже с учетом всех новшеств и реконструкций, силовые трансформаторы не удалось загрузить даже на половину от номинальной мощности. Вследствие чего, предприятие несет большие потери электроэнергии.
Системы электроснабжение многих предприятий, были спроектированы и введены в эксплуатацию в прошлом веке. В результате конверсии, потери государственного и оборонного заказа, объемы производства снизились до минимума, что привело к снижению потребления электроэнергии
[4].
Электроснабжение электроприемников промышленных предприятий напряжением до 1 кВ, осуществляется через одно и двух трансформаторные подстанции 6-10/0,4 кВ. Основным принципам построения рациональной схемы электроснабжения в наибольшей степени удовлетворяет система
двух трансформаторных подстанций с двумя питающими линиями с применением секционирования на вторичном напряжении. При этом на вторичной стороне может быть предусмотрена параллельная или раздельная работа силовых трансформаторов. Параллельная работа по экономическим соображениям является предпочтительной. Однако в большинстве случаев в основном из-за необходимости ограничения токов короткого замыкания трансформаторы работают раздельно на определенную часть общей нагрузки. При использовании одно трансформаторных подстанций резервирование электроснабжения осуществляется с помощью перемычек между соседними подстанциями, выполненными кабелями или шинопроводами.
При исследовании систем энергоснабжения было выявлено что некоторые силовые трансформаторы имеют коэффициент загруженности ниже 40%, что не целесообразно с экономической точки зрения.
Важным мероприятием по снижению потерь мощности и электроэнергии, а также по повышению коэффициента мощности являются своевременное отключение, вывод в резерв трансформаторов при снижении их нагрузок на достаточно длительный период и включение трансформаторов при росте нагрузок. Такие изменения нагрузок могут быть обусловлены производственными причинами (уменьшение поставок сырья, трудностями реализации продукции, изменением технологии производства, реконструкцией производственных установок и т. п.), сезонным характером электрических нагрузок и др.
Естественно, вывод в резерв трансформатора должен осуществляться после перевода его нагрузки на другие работающие трансформаторы. Для ответственных электроприемников должны быть предусмотрены устройства автоматического включения резерва (АВР) на напряжении до 1 кВ. Преднамеренные отключения трансформаторов с целью экономии энергоресурсов не должны отрицательно сказываться на надежности электроснабжения потребителей электроэнергии. Для определения целесообразности отключения одного из трансформаторов, работающих на общую нагрузку, необходимо использовать критерий оптимальности. Такими критериями могут быть минимум потерь мощности или электроэнергии за рассматриваемый период.
Но не только коэффициент загрузки влияет на снижение потерь в трансформаторах, все больше
Общие потери в кру]
фактов, подтверждающих, что с ростом срока службы силовых трансформаторов объективно увеличиваются потери холостого хода в результате старения магнитной системы, изменения структуры металла, ухудшения межлистовой изоляции, ослабления прессовки сердечника трансформатора. При вводе трансформаторов в эксплуатацию и после капитального ремонта этот показатель не должен отличаться от указанного в протоколе заводских испытаний (паспорте) более чем на 5%. Однако на практике потери холостого хода эксплуатируемых силовых трансформаторов значительно превышают паспортные. По мнению заводов-изготовителей, за срок 20-40 лет они могут увеличиться более чем на 5-10% от их паспортной величины.
В промышленно развитых странах, эту важную проблему, активно пытаются решить, заменой старых силовых трансформаторов, на новые, еще не выработавших свой ресурс, силовые трансформаторы с уменьшенными потерями холостого хода и короткого замыкания.
В США, где в настоящее время общие потери в силовых трансформаторах составляют около 2% производимой в стране электроэнергии (около 60 млрд. кВтч) проводится программа «EnergyStar» по внедрению высокоэффективных трансформаторов с пониженным уровнем потерь холостого хода и нагрузочных потерь. Снижение потерь в трансформаторах на 10 % дает ежегодную экономию 300 -500 млн дол. В Европе замена трансформаторов на современные, наиболее экономичные модели, может дать ежегодно экономию электроэнергии около 20 ТВт ч, что составило бы около 2 млрд. евро. Действенным средством стимулирования экономии электроэнергии является премия за использование трансформаторов с малыми потерями [5].
Потери, в сетях энергокомпании «№йопаЮпйна», 20 % определяются потерями в трансформаторах. На нагрев сетевых и блочных трансформаторов уходит около 1,6 % производимой электроэнергии.
Приведем для примера общие потери в крупных блочных и сетевых трансформаторах на разные напряжения (по данным компании Renzmann&Gruenewald GmbH, ФРГ) (табл.1).
В результате принятых в европейском транс-форматоростроении мер на базе совершенствования конструкции и материалов потери холостого хода для условного трансформатора 220 кВ мощностью 200 МВА снизились за последние 50 лет более чем втрое, а нагрузочные потери - вдвое.
Таблица 1.
ж трансформаторах
Блочные трансформаторы Сетевые трансформаторы
Мощность, МВА Напряжения, кВ Потери, кВт Мощность, МВА Напряжения, кВ Потери, кВт
850 415/27 1880 600 400/230 1775
850 420/21 2255 300 400/120 920
500 420/21 1600 500 245/21 1430
200 420/21 1080 200 245/21 845
150 400/33 640 300 230/120 1025
- - - 150 220/110 530
Потери холостого хода приносят ущерб, в несколько раз больший, чем нагрузочные потери, составляя основную часть капитализированных потерь. Ущерб потерь холостого хода особенно значителен для трансформаторов меньшей мощности. Так, если для современного трансформатора 500 кВ мощностью 1000 МВА потери составляют около 0,035 % полной мощности, то для трансформатора 11 кВ мощностью 1 МВА это уже 0,35 %. Основной ущерб энергетике по потерям приносят распределительные трансформаторы. На их совершенствование, снижение потерь холостого хода направлены значительные усилия зарубежных фирм. Для трансформаторов большой мощности выделение тепла потерь создает большие проблемы из-за высокой степени использования активных материалов и стремления к уменьшению габаритов. Выделение тепла усложняет систему охлаждения и во многом определяет конструкцию трансформатора.
Главной причиной потерь холостого хода являются потери в стали от перемагничивания, потери от вихревых токов в пластинах стали, от потоков рассеяния в других деталях трансформатора. Нагрузочные потери включают потери в меди обмоток, потери от вихревых токов, возникающих в массивных деталях трансформатора, лежащих рядом с токоведущими частями, потери от потоков рассеяния.
Снижение потерь холостого хода может быть достигнуто за счет:
• использования для сердечника материала с существенно сниженными потерями на перемагничивание и вихревые токи;
• оптимизации конструкции сердечника и технологии его изготовления;
• проектирования сердечника трансформатора для работы с низким уровнем индукции.
Качество электротехнической стали совершенствуется непрерывно. Для широко применяемых сортов холоднокатаной, ориентированной, с высокой магнитной проницаемостью стали с высоким содержанием кремния за рубежом 10-15 лет назад достигнут уровень удельных потерь около 1,05-1,10 Вт/кг при 50 Гц и 1,7 Тл. Лучшие сорта стали имеют удельные потери около 0,85 Вт/кг. Снижает потери также использование листов меньшей толщины. Так, сталь толщиной 0,23 мм, которую все чаще применяют за рубежом, имеет удельные потери на 20% меньше, чем сталь толщиной 0,3 мм [6].
Эффективной технологией обработки стали является лазерное скрайбирование с уменьшением длины ориентированных кристаллов. Таким путем в сочетании с использованием пластин уменьшенной толщины получен уровень удельных потерь 0,5 Вт/кг. Со снижением толщины листов до 0,18мм прогнозируется снижение удельных потерь до 0,3 Вт/кг [6].
Нагрузочные потери определяются протекающими по обмоткам токами и включают потери на активном сопротивлении проводников обмоток, потери на вихревые токи в проводниках, потери на
вихревые токи в массивных частях трансформатора, лежащих вблизи токоведущих частей.
В зарубежной практике медь почти совсем вытеснила алюминий благодаря малому сопротивлению и высокой прочности - это снижает потери и повышает надежность трансформатора.
Так как потери на вихревые токи в проводнике пропорциональны квадрату его сечения, снижение его сечения на 33% снижает потери более чем на 50%. Это успешно используется для снижения нагрузочных потерь в трансформаторе. Уменьшение сечения проводников достигается применением ленточных кабелей, которые свиваются из нескольких тонких проводников. Улучшение заполнения окна магнитопровода при использовании ленточного кабеля для разработанной в США серии трансформаторов 141 - 500 кВ мощностью 25 - 250 МВА позволило снизить массу на 6-15%, потери холостого хода на 8-15%, нагрузочные потери на 322%. Обмотка выполнена из ленточного кабеля, представляющего собой пучок изолированных друг от друга лент из фольги.
Снижение потерь на вихревые токи дает использование провода с непрерывной транспозицией. Для повышения их механической прочности применяются эпоксидное покрытие элементарных проводников в стержне и запечка стержня во время сушки обмотки.
В обмотках НН пытаются применить транспонированный провод без дополнительной изоляции для лучшего охлаждения [6].
Стремление к снижению потерь заставляет совершенствовать методы их расчета и оптимизации конструкции трансформатора. Расчет потерь является сложной задачей из-за необходимости определения полей в активных и пассивных узлах сложной конфигурации и вызываемых ими вихревых токов.
Преимущества ВТСП-трансформаторов: снижение нагрузочных потерь на 90%, уменьшение массы до 40%, ограничение токов КЗ, снижение реактивных сопротивлений, перегрузочная способность - 100% длительно, низкий уровень шума. При освоенном производстве такой трансформатор на 20% дешевле обычного той же мощности [8].
По расчетам, ВТСП-трансформатор мощностью 30 МВ^А будет иметь массу 20 т и не будет иметь масла, тогда как обычный имеет массу 45 т, в том числе 23 т масла [9].
Очень важно отсутствие маслохозяйства со всеми вытекающими положительными экологическими последствиями. Снижение размеров и экологические преимущества (нет масла, пожаробезопас-ность) расширяет возможность выбора более оптимальных мест для подстанций в зонах с ограничениями по окружающей среде, например в крупных зданиях.
Применение в будущем сверхпроводниковых трансформаторов даст новые возможности для развития энергосистем, снижения стоимости оборудования, повышения эффективности передачи электроэнергии.
Капитализированные потери. Основой для расчета рентабельности трансформатора, а также замены старого трансформатора на новый с уменьшенными потерями стала оценка стоимости электроэнергии, расходуемой на потери в трансформаторе за весь срок службы (капитализированные потери). Это понятие, введенное за рубежом в последние 10-15 лет, позволяет оценить экономичность трансформатора. Приближенно считают трансформатор неэкономичным, если капитализированные потери превышают его стоимость.
Трудность расчета стоимости капитализированных потерь за весь срок службы трансформатора определяется изменением во времени цен на электроэнергию и на сами трансформаторы.
Выводы
1. Одним из важных мероприятий, не требующих дополнительных капиталовложений и инвестиций, по снижению потерь мощности и электроэнергии, а также по повышению коэффициента мощности, может стать своевременное отключение, вывод в резерв трансформаторов при снижении их нагрузок на достаточно длительный период и включение трансформаторов при росте нагрузок.
2. При расчете нормативов потерь электроэнергии в электрических сетях и в оборудовании открытых распредустройств необходимо учитывать влияние срока службы силовых трансформаторов на потери электроэнергии холостого хода.
3. С ростом стоимости потерь электроэнергии в электрических сетях становится все более актуальной замена старых силовых трансформаторов с повышенными потерями (холостого хода и нагрузочными) новыми, технически более совершенными с уменьшенными потерями. Очевидно, что такая замена должна выполняться на основе тщательного технико-экономического анализа с учетом «капитализированных» потерь электроэнергии в трансформаторе за весь срок его службы.
4. С учетом большого срока окупаемости и значительных капиталовложений, модернизацию (замену) трансформаторов целесообразно производить в несколько этапов, с привлечением инвестиций, с учетом финансового состояния предприятия.
Список литературы
1. Интернет ресурс: http://toosghk.kz/page/history
2. Интернет ресурс: http://toosghk.kz/news/view/283
3. Интернет ресурс: http://toosghk.kz/news/view/5
4. Интернет ресурс: http://toosghk.kz/news/view/17
5. Janardhan V., Galloway D. 10 путей снижения потерь в распределительных трансформато-рах//ElectricLight& Power, v. 79, № 10, 2001. - С. 26.
6. Baehr R. Современная технология трансфор-маторостроения и тенденция разработок на будущее //Electra, № 198, 2001. С. 13-19.
7. Beckley Ph. Современная электротехническая сталь // PowerEngen., v.13, № 4, 1999. - С. 190200.
8. Проблемы создания и применения в электрических сетях устройств, использующих явления сверхпроводимости // В.В. Дорофеев, В.А. Чер-ноплеков, В.Е. Кейлин и др.// Электричество, № 7, 2005. - С. 22-30.
9. ShahidenpourM. Прогресс в применении сверхпроводников для передачи электроэнергии // IEEEPower&ndEnergyMagazine, v. 3, № 2, 2005. -С.17-19.
10. Цырук С.А., Киреева Э.А. Повышение эксплуатационной надежности силовых трансформаторов, отработавших нормативный срок службы // Промышленная энергетика, № 3, 2008.
11. Алексеев Б.А. Крупные силовые трансформаторы. Конструкции и производство // Энергетика за рубежом. Приложение к журналу «Энергетик», вып. 2, 2007.
