Jan FULNEČEK1 NÁVRH HOSPODÁRNÉHO VYUŽITÍ TRANSFORMÁTORŮ A KOGENERAČNÍCH JEDNOTEK V TECHNOLOGII TONAK NOVÝ JIČÍN Abstrakt Obsah příspěvku se týká výpočtu ztrát v elektrických stanicích firmy TONAK. První část popisuje postup, který byl použit pro výpočet ztrát v transformátorech a kabelových vedeních v areálu firmy. Další části popisují možnosti snížení ztrát. Cílem práce je určit v současnosti nejvýhodnější konfiguraci rozvodny vn a navrhnout případnou výměnu stávajících transformátorů novými. Klíčová slova ztráty, transformátor, účinnost, elektrická stanice
1
ÚVOD
V areálu firmy TONAK se nachází elektrická stanice 22/0,4 kV, která slouží k zajištění napájení vlastního závodu a také kotelny, ze které je teplo distribuováno do sítě dálkového vytápění. V kotelně jsou nainstalovány plynové kotle a tři kogenerační jednotky o celkovém výkonu 520 kWe. Cílem projektu bylo vypočítat ztráty elektrické energie a navrhnout opatření k jejich snížení. Při tom musel být zohledněn chod kogeneračních jednotek (ty jsou v provozu v pracovních dnech mezi 6:00 a 16:00) a možnost jejich výpadku z důvodu poruchy.
2
POPIS ROZVODEN
Napájení kotelny a závodu je zajištěno pomocí dvou rozvoden – vn a nn. Přívodní vedení je vyústěno v rozvodně vn, která tvoří samostatný objekt v areálu závodu. Rozvodna nn se nachází v budově kotelny. Propojení rozvoden je realizováno kabely.
2.1 Rozvodna vn V této rozvodně se nachází tři transformátory BEZ 22/0,4 kV, každý o jmenovitém výkonu 1 MV∙A. Výkon každého z transformátoru je vyveden pomocí pěti kabelů CYKY 1
Bc. Jan Fulneček, Katedra elektroenergetiky, Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava - Poruba, e-mail:
[email protected].
1
3x240+120 do rozvodny nn. Stanoviště transformátorů jsou oddělena od vlastních kobek pomocí zděné příčky.
Obrázek 1: Zapojení rozvodny vn
Primární strany těchto strojů jsou jištěny pomocí nadproudových ochran AT21, sekundární strany pak pomocí AT31. Odpojování/připojování transformátorů k síti vn je provedeno vakuovými vypínači. Hlavní vypínač v kobce č.2 je v provedení SF6.
2
2.2 Rozvodna nn Tato rozvodna je tvořena třemi hlavními přípojnicemi (A) a jednou přípojnicí pomocnou (B). Na každý z transformátorů připadá jedna hlavní přípojnice a každá odbočka tak může být napájena ze dvou stran pomocí kloubového přepínače. Přívod z každého transformátoru je zde jištěn jističi BL 1600SE 301. V rozvodně jsou nainstalovány tři kompenzační jednotky (RK) o celkovém výkonu 1715 kvar. Výkon kogeneračních jednotek je vyveden přes jistič na pomocnou přípojnici B.
Obrázek 2: Zapojení rozvodny nn
3
MĚŘENÍ
Při výpočtech jsem vycházel z naměřených hodnot, jelikož jsou rozvodny vybaveny měřícím systémem a pomocí A/D převodníků jsou snímány některé veličiny. Naměřené hodnoty jsou exportovány do sešitu aplikace Excel. V rozvodně vn se zaznamenává celkový činný příkon všech tří transformátorů pomocí převodníku MTP 313. V současnosti bohužel není možné měřit dodávky energie do sítě. Pokud k dodávkám do sítě dochází, převodník vykazuje nulové hodnoty na výstupu. Dále jsou snímány sekundární proudy transformátorů pomocí převodníků MTP 105. Měřen je proud pouze jednou fází, zaznamenávána je jeho procentuální hodnota vzhledem ke jmenovitému proudu stroje. Vzorkovací perioda byla nastavena na 1 minutu, což za týden představuje 10082 hodnot pro každou měřenou veličinu.
3.1 Zátěžový diagram Na následujícím grafu je znázorněn týdenní zátěžový diagram, změřený mezi 24. – 30.6.2013. Vzorky byly snímány v intervalu jedné minuty. V zimním období je příkon vyšší, jelikož v kotelně jsou nainstalovány technologie, které jsou v provozu pouze v topné sezóně. V grafu jsou patrná místa s nulovou hodnotou, ve skutečnosti zde však dochází k dodávkám energie do sítě z kogeneračních jednotek.
3
Obrázek 3: Zátěžový diagram
3.1 Zatížení transformátorů Při výpočtu jsem vycházel z naměřených hodnot proudů jednotlivých transformátorů. Stejně jako u měření výkonu byly i zde hodnoty vzorkovány po jedné minutě.
4
Obrázek 4: Průběh zatížení jednotlivých transformátorů
Hodnoty zatížení byly vypočteny z naměřeného proudu. Jsou tedy platné za předpokladu symetrického zatížení a konstantního účiníku 0,98 (ten je udržován pomocí kompenzátorů). Míra nesymetrie zatížení je bohužel neznámá. Rovněž nebyl uvažován vliv vyšších harmonických.
4
VÝPOČET ZTRÁT
Veškeré výpočty ztrát jsem provedl na základě výsledků týdenního měření. Byly určeny ztráty v transformátorech a ztráty na kabelech mezi rozvodnou vn a nn za předpokladu konstantního účiníku, symetrického zatížení a jmenovitého napětí.
4.1 Určení ztrát transformátorů Ztráty v transformátoru se skládají ze ztrát naprázdno a ztrát nakrátko. Ztráty naprázdno jsou způsobeny nedokonalostí magnetického obvodu a jsou nezávislé na zatížení (rostou však s kvadrátem napětí). Ztráty nakrátko jsou způsobeny zejména činným odporem vinutí a rostou s kvadrátem proudu dle Ohmova zákona (patří sem ovšem také ztráty vířivými proudy a rozptylovými magnetickými toky). Pro konstantní napětí jmenovité hodnoty tak lze napsat tento vztah pro výpočet ztrát (za předpokladu že proud je přímo úměrný zdánlivému výkonu):
s pT P0 SN
2
PK
kde:
pT jsou okamžité ztráty transformátoru [kW] P0 jsou jmenovité ztráty naprázdno (v tomto případě 2,45 kW) 5
S N je jmenovitý zdánlivý výkon transformátoru (v tomto případě 1000 kV∙A)
s je okamžitý zdánlivý výkon [kV∙A]
PK jsou jmenovité ztráty nakrátko (v tomto případě 17,155 kW) Tento vztah byl aplikován na každý naměřený vzorek pomocí tabulkového kalkulátoru. Dále bylo nutné určit "dodanou energii" na sekundární straně. Při intervalu mezi vzorky o délce jedné minuty energii vypočteme dle: 10082
E
p n 1
60
kde: p je okamžitá změřená hodnota výkonu na sekundární straně [kW]
E je celková dodaná energie na sekundární straně ve sledovaném období [kWh] Tento vztah jsem použil pro přepočet všech okamžitých hodnot výkonů na energii. Hodnota "Dodaná energie E" je vypočítaná ze sekundárního proudu transformátoru. Tuto skutečnost je třeba vzít v úvahu při výpočtu účinnosti!
Obrázek 5: Schéma pro výpočet účinnosti
Účinnost je vypočtena z poměru energií na primáru a sekundáru transformátoru. Vztah je proto nepřesný, dochází-li k dodávce energie přes transformátor do rozvodny vn (tj. dojde ke změně smyslu primár – sekundár v důsledku obrácení toku energie). Jelikož ovšem k dodávce energie dochází pouze po relativně krátkou dobu a pouze u transformátoru T2, je vzniklá chyba malá a nebyla tak ve výpočtu nijak korigována. Následuje příklad výpočtu účinnosti transformátoru T1:
6
E1 0,964 E1 PT 1
T1
kde:
T 1
je účinnost transformátoru T1 [-]
E1 je dodaná energie T1 [kWh] PT 1 jsou ztráty, vzniklé v T1 [kWh] Výsledné účinnosti jednotlivých transformátorů: Tabulka 1: Účinnosti transformátorů
Transformátor
T (%)
T1
T2
T3
96,4
97,9
95,2
Obdobným způsobem jsem určil i celkovou účinnost transformace všech tří strojů: 3
T
E n 1
3
E n 1
n
n
0,969
PTn
4.2 Určení ztrát na kabelech K vyvedení výkonu transformátorů do rozvodny nn je použito kabelů. Každý transformátor je připojen pomocí kabelu AYKY 3x240+120 mm² v délce 150 m (vždy 5 kabelů paralelně pro jeden transformátor). Parametry kabelu byly určeny dle katalogu následovně:
Vztažná induktivní reaktance: LK = 0,246 mH/km Vztažný činný odpor: RK= 0,129 Ω/km Výkonové ztráty vznikají pouze na činné složce impedance kabelu (na jeho elektrickém odporu). Víme-li, že je činný odpor kabelu 0,129 Ω/km, bude tento odpor pro kabel o délce 150m roven 0,019 Ω. Pro pět kabelů paralelně je pak roven 3,87 mΩ. Při průtoku jmenovitého proudu transformátoru (1443 A, který odpovídá výkonu 1 MVA) vzniká na kabelech výkonová ztráta:
PKABM
3 R I 22M 24,208 kW 1000
kde:
PKABM je maximální ztrátový výkon kabelu [kW] R je činný odpor [Ω]
I 2 M je jmenovitý proud sekundárního vinutí [A] 7
Pokud je známa tato hodnota, lze při výpočtu ztrát na kabelu postupovat obdobně jako při výpočtu ztrát v transformátoru (pouze odpadají ztráty naprázdno):
s SN
p KAB
2
PKABM
kde:
pKAB je okamžitý ztrátový výkon na kabelu [kW] Účinnost je opět vypočtena jako poměr energií na konci/začátku kabelů. I zde tedy vzniká určitá chyba při dodávce energie do rozvodny vn, která stejně jako v předchozím případě není korigována.
E1 PKAB1 0,994 E1
K1 kde:
PKAB1 jsou celkové ztráty na kabelu K1 [kWh]
K1
účinnost přenosu energie kabelem K1 [-] Tabulka 2: Účinnosti kabelů
Kabel
K1
K2
K3
K (%)
99,4
99,6
99,6
Celková účinnost přenosu energie kabely je pak rovna: 3
K
E n 1
PKABn
n 3
E n 1
0,995
n
4.3 Celková účinnost Celkovou účinnost zařízení pak lze určit jakou součin účinností kabelů a transformátorů, nebo opět z poměru energií. 3
T K
E n 1 3
n
E n 1
PKABn n
PTn
0,964
Ztráty tedy představují 3,6 % z celkové odebrané energie. Složení ztrát a účinnost přívodu rozvodny nn na zatížení jsou následující:
8
Obrázek 6: Účinnost přívodu rozvodny nn
Obrázek 7: Složení ztrát
5
MOŽNOSTI SNÍŽENÍ ZTRÁT
Maximální dovolený příkon rozvodny vn je dle dokumentace 2 050 kW. Tuto spotřebu lze plně pokrýt pouze dvěma transformátory, i když by byly mírně přetěžovány. Paralelní chod dvou strojů do jedné přípojnice není možný, jelikož by byly překročeny
9
dovolené zkratové proudy. Možnosti změny konfigurace jsou tedy omezené (přestavba systému přípojnic by byla velmi nákladná a byla proto odmítnuta).
5.1 Odpojení jednoho ze stávajících transformátorů Odpojením jednoho z transformátorů snížíme celkové ztráty naprázdno za cenu navýšení ztrát nakrátko (zbývající transformátory budou více zatěžovány) a ztrát na kabelech. Z grafu složení ztrát je i bez výpočtu naprosto jasné, že lze takto zvýšit účinnost. V následujícím výpočtu bude uvažováno odpojení transformátoru T2 a převzetí jeho zatížení transformátorem T3. Všechny odbočky na přípojnici A2 budou přepojeny na pomocnou přípojnici B, napájenou T3 (opačný případ – tj. odpojení T3 a provoz přípojnice B z T2 není možný, jelikož jeden z kompenzátorů je připojen přímo k přípojnici A3 bez možnosti jeho přepnutí na B). Je možné i odpojení T1, přičemž výsledná účinnost bude podobná (dominantní jsou ztráty naprázdno, takže samotné zatížení transformátorů v tomto případě nehraje velkou roli). Odpojený transformátor by byl stále na svém stanovišti a sloužil by jako záloha. Dlouhodobé odpojení ovšem způsobí rychlejší degradaci olejové náplně (ztrátami naprázdno se olej částečně vysušuje). Pro rovnoměrné opotřebení by bylo vhodné, aby funkci záložního kusu plnily střídavě všechny stroje. To ovšem není možné, jelikož T3 musí být stále v provozu kvůli kompenzaci RK3 (tu nelze přepojit na jinou přípojnici a nemohl by tak být zaručen nastavený účiník). Funkci zálohy by proto musely střídavě plnit T1 a T2.
Obrázek 8: Zatížení zbylých transformátorů po odpojení T2
Při vlastním výpočtu ztrát jsem uvažoval převzetí zatížení transformátoru T2 transformátorem T3. Postup výpočtu je jinak naprosto identický s kapitolou 4.
10
Tabulka 3: Navýšení účinnosti při odpojení T2
Současná konfigurace
Účinnost transformátorů a kabelů ηT (%)
Po úpravě
T1
T2
T3
K1
K2
K3
T1
T3
K1
K2
96,4
97,9
95,2
99,4
99,6
99,6
95,8
97,7
99,4
99,5
Celková účinnost transformátorů a kabelů η (%)
96,9
Celková účinnost zařízení
99,5
97,7
96,4
99,4
97,1
Pouhým odpojením jednoho stroje (tudíž bez jakýchkoliv investičních nákladů) tak lze zvýšit účinnost o 0,7 %.
5.2 Výměna transformátorů Jednou z požadovaných variant byla i kalkulace ztrát v případě použití nových transformátorů. Při případné výměně transformátorů je zapotřebí určit počet a výkon nových strojů. Maximální přetok výkonu ze sítě je 2050 kW, potřebný výkon transformátoru/ů musí tedy být alespoň 2000 kVA (vezmeme-li v úvahu jejich možnou přetížitelnost). V tomto případě by ale nebyla možná záloha v případě poruchy transformátoru, nebo KJ. Proto doporučuji zachovat stávající konfiguraci, tzn. tři stroje o 1000 kVA. I při výpadku jednoho z transformátorů (nebo KJ) je totiž stále možné plně pokrýt dodávku elektrické energie. Jelikož mají transformátory oddělené stání mimo vlastní rozvodnu, lze stávající stroje opět nahradit transformátory olejovými, které jsou levnější a mají menší ztráty než tzv. suché transformátory. Po prostudování několika cenových nabídek byl jako nejvhodnější zvolen transformátor DOTXL, vyráběný firmou SGB Neumark. V následující tabulce jsou jeho parametry srovnány se stávajícími transformátory BEZ 392/22. Tabulka 4: Srovnání parametrů transformátorů BEZ a DOTXL
Typ
P0 (kW)
PK (kW)
uK (%)
LT (dB)
Celková Hmotnost (kg)
Množství oleje (kg)
BEZ
2,45
17,155
6,01
-
4 000
1250
DOTXL
0,6
7,5
6
32
4 180
760
Stroje DOTXL jsou v tzv. hermetizovaném provedení. Plnění olejem při výrobě probíhá ve vakuové komoře a víko je následně hermeticky uzavřeno. Olejová náplň transformátorů se tak nemůže ani v průběhu výroby dostat do kontaktu se vzduchem. Použitý izolační olej (MIDEL 7131) je syntetický, nehořlavý a biologicky odbouratelný. Je schopen absorbovat veškerou vlhkost, vzniklou chemický procesy při stárnutí izolací v průběhu jeho životnosti. Tyto stroje proto nevyžadují žádnou zvláštní údržbu, dokonce ani běžnou tribodiagnostiku. Pořízením těchto transformátorů by tak došlo k úspoře jak na ztrátách, tak na údržbě.
11
Při výpočtu jsem uvažoval jak provoz všech tří strojů (viz. kapitola 4), tak provoz pouze dvou (kapitola 5.1). Výsledné hodnoty v tabulce tak již zahrnují ztráty v kabelech, hodnoty tedy představují účinnost řetězce transformátor - kabel. Tabulka 5: Srovnání BEZ a DOTXL v různých konfiguracích
Účinnost při současné konfiguraci
Účinnost po odpojení T2
η1 (%)
η2 (%)
η3 (%)
η (%)
η1 (%)
η3 (%)
η (%)
BEZ
95,9
97,6
94,8
96,5
95,9
97,8
97,1
DOTXL
98,5
99,1
98,4
98,8
98,5
99
98,9
Z tabulky je patrné, že v současnosti je nepatrně výhodnější provoz pouze dvou strojů. Není ovšem jisté, jestli by to platilo také pro období topné sezóny – v kotelně jsou totiž umístěna čerpadla, která v průběhu měření nebyla v provozu. V letním období by byla celková účinnost zařízení 98,9 %, což je oproti současnému stavu nárůst o 2,4 %. Složení ztrát při provozu pouze dvou strojů DOTXL zobrazuje následující graf:
Obrázek 9: Graf Složení ztrát při chodu dvou strojů DOTXL
Jak je z grafu patrné, v tomto případě již budou dominovat ztráty na kabelech. Přidáním dalšího kabelu ke stávajícím by bylo možné tyto ztráty snížit. V současnosti je ale doba návratnosti takovéto investice delší než životnost kabelu.
5
ZÁVĚR
Výpočtem bylo dokázáno, že rozvodna je vzhledem k poklesu výroby firmy TONAK dnes v již nevyhovující konfiguraci - pouhým odpojením jednoho z transformátorů lze
12
teoreticky snížit ztráty téměř o jedno procento. Znatelnější úsporu by pak přinesla výměna současných transformátorů za nové, což je ovšem investičně nákladná varianta. Poděkování Příspěvek byl realizován za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky, č. projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0080. CONTRIBUTION TITLE IN ENGLISH Keywords electric power losses, transformer, electric station, efficiency Summary Post content covers the calculation of losses in electric stations of the TONAK company. The first section describes the procedure which was used to calculate the losses in transformers and cable lines. Other sections describe how to reduce losses. The aim is to determine the best configuration of electric stations.
13
