CC BY
14
© К.Х. Гильфанов, Р.Н. Гайнуллин, Нгуен Тиен УДК 621.311
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
К.Х. Гильфанов1, Р.Н. Гайнуллин2, Нгуен Тиен1,
1Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия 2Казанский национальный исследовательский технологический университет,
г. Казань, Россия
[email protected], [email protected], [email protected]
Резюме: Целью работы является подтверждение возможности создания энергосберегающей системы теплоснабжения объектов электроэнергетики на основе компьютерного моделирования, анализ потенциала использования тепла потерь электромагнитной энергии в магнитопроводах и обмотках трансформаторов подстанций, а также разработка схем утилизации тепла потерь для теплоснабжения объектов электроэнергетики. Проведено компьютерное моделирование электромагнитных и теплофизических процессов в силовом маслонаполненном трансформаторе. Определены потери энергии в обмотках, на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе, а также поля температур и тепловых потоков в продольном и поперечном разрезах маслонаполненного силового трансформатора в режимах холостого хода и короткого замыкания. Произведена оценка работоспособности трансформатора в условиях утилизации тепла потерь. Определены возможные объемы отбора тепла для теплоснабжения в зависимости мощности трансформатора. Предложена автоматизированная масляно-водяная система утилизации тепла трансформатора для отопления объектов электроэнергетики. Значимость полученных результатов для энергетической отрасли, состоит в подтверждении возможности создания энергосберегающей системы теплоснабжения объектов электроэнергетики с сохранением эксплуатационных характеристик трансформатора на основе компьютерного моделирования; показан значительный потенциал использования тепла потерь силовых трансформаторов подстанций, предложена автоматизированная система теплоснабжения объектов электроэнергетики.
Ключевые слова: трансформаторная подстанция, потери трансформатора, компьютерное моделирование, схемы отбора тепла.
ENERGY-SAVING HEATING SYSTEM OF POWER FACILITIES KH. Gilfanov1, Nguyen Tien1, RN. Gaynullin2
1Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia 2Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia
Abstract: The aim of the work is to confirm the possibility of creating an energy-saving heat supply system for power facilities on the basis of computer modeling, analysis of the potential use of heat losses of electromagnetic energy in magnetic circuits and windings of transformers of substations, as well as the development of schemes for heat recovery losses for heat supply of power facilities. Computer simulation of electromagnetic and thermophysical processes in the power oil-filled transformer is carried out. Energy losses in windings, hysteresis and eddy currents in the magnetic circuit, as well as temperature and heat flux fields in the longitudinal and transverse sections of the oil-filled power transformer in idle and short-circuit modes were determined. The evaluation of the transformer performance in terms of heat recovery losses. The possible volumes of heat extraction for heat supply depending on the power of the transformer are determined. The automated oil-water system of heat recovery of the transformer for heating of electric power facilities is proposed. The significance of the obtained results for the construction industry is to confirm the possibility of creating an energy-saving heat supply system for electric power facilities while maintaining the operational characteristics of the transformer based on computer modeling; the significant potential of using the heat loss of power transformers of
substations is shown, an automated heat supply system for electric power facilities is proponed.
Keywords: transformer substation, the loss of the transformer, computer simulations, diagrams of heat
Введение
В системах преобразования и транспортировки электроэнергии используются повышающие и понижающие силовые трансформаторы, суммарная мощность которых, по данным [1], практически на порядок превышает установленную мощность всех генераторов энергосистемы России. В процессе преобразования в магнитопроводах и обмотках трансформатора энергия теряется и выделяется в виде тепла, которое необходимо отводить во избежание перегрева оборудования. В трансформаторах большой мощности тепловые потери могут достигнуть сотни киловатт, которые можно и нужно использовать для целей теплоснабжения объектов энергетики [2]. Отбор и утилизация тепла трансформатора, в том числе для обогрева помещений (общеподстанционных пунктов управления - ОПУ) является одним из путей энергосбережения. По данным АО «НТЦ ФСК ЕЭС» [3] потенциал этого направления энергосбережения составляет около 90 % силовых трансформаторов всех классов напряжения. Экономический эффект при этом достигается за счет снижения доли электроэнергии используемой на отвод тепла от трансформаторного оборудования в общих затратах электроэнергии на собственные нужды подстанции.
Технико-экономическая целесообразность и конкретный способ отвода и утилизации тепла трансформатора определяется такими факторами, как потребность и потенциал отбора тепла (зависит от мощности подстанции), удаленность отапливаемых помещений от трансформатора, наличие и близость источников централизованного теплоснабжения, стоимость коммуникаций и т.д., а также конкретные условия генерации и передачи электроэнергии в регионе. Актуальным использование тепла трансформаторов является для горных районов Вьетнама.
В зависимости от характеристик установленных трансформаторов (типа, количества, мощности), их режима работы, необходимой термической производительности, вида используемого теплоносителя в отопительной системе и расстояния до потребителей популярным является схема c нагревом воды в масловодяном теплообменнике (масляно -водяная система) отбора тепла [3-6]. В теплообменник «масло - вода», установленный рядом с трансформатором поступает горячее масло из верхней части бака трансформатора циркуляционным масляным насосом. В теплообменнике масло отдает тепло воде, которая подается циркуляционным насосом в систему отопления. При максимально допустимой температуре трансформаторного масла 60-70 °С, согласно ГОСТ Р 52719-2007 «Трансформаторы силовые. Общие технические условия» температура воды в теплообменнике в зависимости от теплопотребления может достигнуть 45-50 °С. Наибольшая реализация масляно-водяной системы возможна на подстанциях классов напряжения 110-400 кВ и трансформаторах типа МЦ (по классификации Международной электротехнической комиссии - OFAN) [7]. Предпочтительность данной системы обусловлена тем, что она позволяет использовать уже наличествующие приборы водяного отопления и передавать тепло на 500 - 1000 метров.
Компьютерное моделирование трансформатора преследует цель подтверждения сохранения рабочих характеристик трансформатора при различных нагрузках и позволяет убедиться в том, что стальные детали и изоляция не подвержены чрезмерному нагреву, а также в том, что внутри бака не образуются горючие газы.
Моделирование электромагнитного поля трансформатора осуществляется в программной среде комплекса ANSYS Workbench [8] с использованием модуля Maxwell 2D/3D [9, 10]. ANSYS Maxwell - интерактивный вычислительный пакет, использующий метод конечных элементов, который позволяет определять скалярные и векторные графики плотности потока, напряженности магнитного и электрического поля, плотности тока и мошность потерь в обмотках и магнитопроводе на основе четырех уравнений Максвелла с соответствующими граничными условиями: закона Гаусса для электрического поля
V-DD = р;
закона индукции Фарадея:
- дБ
V-E = -— ; dt
закона Гаусса для магнитного поля: закон Ампера для тока:
V-B = 0 ;
V-H = J + -
dD
dt
где р - объемная плотность электрического заряда, Кл/м ; 7 - плотность электрического тока, А/м2; Е - напряженность электрического поля, В/м; Н - напряженность магнитного поля, А/мс; В - электрическая индукция, Кл/м2; В - магнитная индукция, Тл; t - время.
В качестве источника тепла потерь для утилизации использован маслонаполненный трехфазный трансформатор ТМ-1600/10, параметры которого представлены в табл.1.
Таблица 1
Электрические характеристики трансформатора ТМ-1600/10
Тип трансформатора ТМ-1600/10
Номинальная мощность 1600 кВА
Частота 50 Гц
Число фаз 3
Первичное напряжение (10000 ± 3х2%) В
Вторичное напряжение и2 3150 В
Система охлаждения масляное естественное
Схема и группа соединения обмоток Y/Y
Напряжение короткого замыкания 6,5 %
Ток холостого хода 2,4 %.
Потери холостого хода 2,35 кВт
Потери короткого замыкания 18,0 кВт
Первым этапом моделирования электромагнитных полей является передача геометрической модели в среду ANSYS Workbench для препроцессинга. Далее задаются свойства материалов для основных компонентов трансформатора, таких как материалы магнитопровода (принимается сплошным), обмотки (медь), изоляции и трансформаторного масла, граничные и начальные условия. Следующим этапом является поручение программе решения задачи и контроль сходимости решения. Заключительный этап - постпроцессинг (обработка и анализ результатов).
Моделирование электромагнитных характеристик выполнено в диапазоне режимов холостого хода и короткого замыкания. Поскольку крайние режимы являются нерабочими, определено, что при нагрузке 84 % от короткого замыкания номинальной частоте 50 Гц основную часть паспортных потерь составляют потери Джоуля - Ленца, а также потери на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе. Остальные потери являются добавочными и составляют несколько процентов от основных. Согласно рис. 1 потери составляют 15100 Вт, что не превышают паспортные значения.
XY Plot 3 MajwsfBODaeignl jfa.
— GcreLasB Selupi : Trwrjient
Tima [rtisj
Рис. 1. Потери электромагнитной энергии в трансформаторе в при 84 % нагрузке
В масляных трансформаторах теплопередача главным образом имеет место путем теплопроводности и конвекции. Теплопередача излучением пренебрежимо мала, поскольку масло считается непрозрачной средой. Тогда охлаждение обмоток и магнитопровода трансформатора масленым теплоносителем описываются уравнениями [11]: энергии
движения (Навье-Стокса)
и неразрывности
где t - температура, температуропроводности.
Р
dt _ 2
--Ъ wgradt = aV t + qv ;
дт
Dw 2 -
p-= pg - Vp + ^V w;
d т
dp
--Ъ div I pw) = 0 ,
dt
K; т - время, с; w - скорость м/с; a - коэффициент м2/с; qV - интенсивность внутренних источников тепла, Вт/м3; плотность, кг/м3;p - давление, Па; ц - коэффициент динамической вязкости, Па-с.
Для однозначности решения системы дифференциальных уравнений необходимы краевые условия, т.е. задать форму и размеры, свойства среды и тел в трансформаторе и начальные условия - температура в момент времени т(0). Задача решается при граничных условиях II рода, т.е. на границе задается плотность теплового потока согласно расчетным значениям в диапазоне от режима холостого хода до короткого замыкания. При моделировании использована стандартная k-E модель турбулентности.
Для глубокого понимания процесса охлаждения трансформатора и отбора тепла проведено тепловое моделирование маслонаполненного силового трансформатора ТМ-1600/10. Моделирование теплообмена и гидродинамики выполнено в среде трансформатора в пакете программ свободно распространяемой версии Ansys 17.1 (ANSYS Free Student Product Downloads) [11]. Ввиду того, что точный расчет маслонаполненного трансформатора ограничен вычислительными ресурсами компьютера, использована упрощенная модель трансформатора ТМ-1600/10.
Выполнено компьютерное моделирование силового трансформатора в режимах холостого хода (рис. 2). Определены поля температур и тепловых потоков в продольном и поперечном разрезах маслонаполненного силового трансформатора.
Рис. 2. Распределение температур в трансформаторе в продольном разрезе при работе в режиме
холостого хода
Также проведено аналогичное моделирование работы в режиме короткого замыкания. Распределение плотности тепловых потоков показано на рис. 3.
Рис. 3. Распределение плотности теплового потока в трансформаторе в продольном при работе в
режиме короткого замыкания
Как видно из рисунков, при работе в режиме холостого хода параметры существенно ниже номинальных. Максимальная температура составляет всего 35 °С, а наибольшие тепловые потоки 90 Вт/м2 при общих потерях в режиме холостого хода 2350 Вт. Естественно, это нерабочий режим, хотя с точки зрения срока службы трансформатора, благоприятный. Работа, близкая к данному режиму является технически нецелесообразной, поскольку в этом случае трансформатор не будет эффективно выполнять свою основную функцию для потребителя.
При работе в режиме короткого замыкания температуры в активной части находятся в диапазоне 67-91 °С, которые не превышают предельно допустимые значения. Соответственно максимальные тепловые потоки достигают 620 Вт/м2 при общих потерях короткого замыкания 18000 Вт. Максимальные значения параметров при этом нерабочем режиме также не превышают допустимых значений. Система отопления позволяет обогревать в зимних условиях средней полосы России до комфортной температуры рабочее помещение построенное по современным технологиям площадью 120-140 м2.
Оценка потенциала отбора тепла
Потенциал отбора тепла зависит от мощности подстанции, режима работы, качества обмотки и магнитопроводов, конструкции трансформатора, и т.д. Оценка возможных объемов отбора тепла для отопления, в зависимости от мощности трансформаторов проведена по данным [12] с учетом отклонений +15 %. Результаты представлены в логарифмическом масштабе на рис. 4.
Р
кВт
102
10
1
10
10 102 103 104 105 5Т-
кВА
Рис. 4. Оценка возможных объемов отбора тепла для отопления в зависимости мощности
трансформатора: Р0 - потери холостого хода; Рк - потери короткого замыкания; заштрихованная область - рабочий режим
\
Л V
г / . ■ОО
(V Л \ \
-- ■■ N
Р
■■■
\
Автоматизированная масляно-водяная система утилизации
Масляно-водяная схема утилизации потерь трансформатора представлена на рис. 5. Из верхней части бака трансформатора масло подается в теплообменник «масло - вода», расположенный вблизи трансформатора. Подогретая вода в теплообменнике циркулирует в системе отопления здания посредством водяного насоса. Управление системой теплоснабжения осуществляется с помощью контроллера, который в зависимости от температуры масла, режима работы трансформатора и наружного воздуха включает или выключает приводы охладителей, меняет частоту вращения циркуляционных насосов с целью создания требуемых условий теплообмена. С целью учета используемого тепла в систему отопления может быть установлен тепловычислитель.
Рис. 5. Масляно-водяная система утилизации тепла трансформатора для отопления помещений Заключение
Способ отвода и утилизации тепла трансформатора зависит от мощности подстанции, потерь тепла отапливаемым зданием (архитектуры) и температуры наружного воздуха, удаленности отапливаемых помещений от трансформатора. Компьютерное моделирование показало вполне реальную возможность создания энергосберегающей системы теплоснабжения объектов электроэнергетики без снижения эксплуатационных характеристик трансформатора. Имеется значительный потенциал использования тепла потерь силовых трансформаторов подстанций в зависимости от мощности трансформатора. Предложена автоматизированная энергосберегающая масляно-водяная система теплоснабжения объектов электроэнергетики. Технико-экономическая эффективность предложенной системы отопления определяется исходя из конкретных климатических условий и схем теплоснабжения, генерации и передачи электроэнергии в регионе.
Литература
1. Современная электроэнергетика // Энергоконсультант. Доступно по:иКЬ: http://www.energocon.com/pages/id1176.html. Ссылка активна на: 6 марта 2019.
2. Использование тепла силовых масляных трансформаторов для теплоснабжения. URL: https://www.geoteplo.com.ua/company/85-portfolio/77-tn-na-podstancii.html (Ссылка активна на: 6 марта 2019).
3. Энергоэффективная подстанция // Доступно по URL: http://www.ntc-power.ru/field_of_activity/energoeffektivnost/center_for_energy_efficiency.php. Ссылка активна на 6 марта 2019.
4. Гридин С.В., Петренко А.Ф. Энергоэффективность способов утилизации отработанного тепла систем охлаждения силовых трансформаторов // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. 2013. №7.С. 11-18.
5. Zi-Jie Chien, Hung-Pin Cho, Ching-Song Jwo, Sih-Li Chen and Yi-Lun Lin. A Study of Waste-Heat Recovery Unit for Power Transformer // Advanced Materials Research. 2014. V. 875-87. pp 1661-Trans Tech Publications, Switzerland.
6. Mohammadali Salari., Pascal Bayrasy., Klaus Wolf. Thermal analysis of a three phase transformer with coupled simulation. Available at: // URL: https://www.researchgate.net/publication/276057920 17.09.2018. Accessed to:06 .March 2019.
7. Воротницкий В.Э. Системы утилизации тепла трансформаторов и автотрансформаторов 220-750 KB // Энергия единой сети. Изд. Научно-техн.центр ФСК ЕЭС (Москва). 2014. № 6. С. 32-42.
8. Использование технологии ANSYS Workbench для генерации конечно-элементных сеток // Доступно по :URL: https://sapr.ru/article/6779. Ссылка активна 30 мая 2019.
9. ANSYS Maxwell. URL: https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-maxwel_(дата
обращения: 30 мая 2019).
10. Ashvini Nagdewate, Trupti Paunikar. Computation of single phase distribution transformer faults by finite element method // Journal of Electrical and Electronics Engineering. 2019. pp 13-19. Available at:URL: http://www.iosrjournals.org/iosr-jeee/Papers/NCEERA/volume-2/EE023-14.pdf?id=7590. Accessed to:30 May 2019.
11. Моделирование процессов теплообмена средствами пакета конечно-элементного анализа ANSYS // Доступно по:URL: http://lib.knigi-x.ru/23raznoe/126936-1.php 17.09.2018. Ссылка активна: 6 марта 2009.
12. Проектирование силовых трансформаторов с использованием методов оптимизации // Доступно по: URL: https://cyberleninka.ru/article/n/proektirovanie-silovyh-transformatorov-s-ispolzovaniem-metodov-optimizatsii. Ссылка активна на: 6 марта 2019.
Авторы публикации
Гильфанов Камиль Хабибович - д-р. техн. наук, профессор кафедры Автоматизация технологических процессов и производств, Казанский государственный энергетический университет.
Гайнуллин Рустем Нусратуллович - д-р. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой Автоматизированных систем сбора и обработки информации, Казанский национальный исследовательский технологический университет.
Нгуен Тиен - аспирант, Казанский государственный энергетический университет.
References
1. Modern power engineering. Energokonsul. Available at: URL: http://www.energocon.com/pages/id1176.html. Accessed to: 6.03.2019.
2. The use of heat power oil transformers for heat supply. Available at: URL: https://www.geoteplo.com.ua/company/85-portfolio/77-tn-na-podstancii.html. Accessed to: 6.03.2019.
3. Energy efficient substation. Available at: URL: http://www.ntc-power.ru/field_of_activity/energoeffektivnost/center_for_energy_efficiency.php. Accessed to: 6.03.2019.
4. Gridin SV, Petrenko A.F. the efficiency of the methods of disposal of waste heat from the cooling systems of power transformers.Power Saving. Energy. Energy Audit.201;7:11-18.
5. Zi-Jie Chien, Hung-Pin Cho, Ching-Song Jwo, Sih-Li Chen and Yi-Lun Lin. A Study of Waste-Heat Recovery Unit for Power Transformer. Advanced Materials Research. 2014;875-877:1661-1665.Trans Tech Publications, Switzerland. doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.875-877.1661.
6. Mohammadali Salari, Pascal Bayrasy, Klaus Wolf. Thermal analysis of a three phase transformer with coupled simulation. Available at: URL: https://www.researchgate.net/publication/276057920 17.09.2018 Accessed to: 6 March 2019.
7. Vorotnitsky V. Heat recovery systems of transformers and autotransformers 220-750 KB energy of a single network. Ed. Science and technology. The centre of FGC UES (Moscow). 2014;6:32-42.
8. Using ANSYS Workbench technology to generate finite element grids. Available at: URL: https://sapr.ru/article/6779. Accessed to: 30 May 2019.
9. ANSYS Maxwell. Available at: URL: https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-maxwell Accessed to: 30 May 2019.
10. Ashvini Nagdewate, Trupti Paunikar. Computation of single phase distribution transformer faults by finite element method. Journal of Electrical and Electronics Engineering. Available at: URL: http://www.iosrjournals.org/iosr-jeee/Papers/NCEERA/volume-2/EE023-14.pdf?id=7590. Accessed to: 30 May 2019.
11. Modeling of heat transfer processes by means of ANSYS. Available at: URL finite element analysis package: http://lib.knigi-x.ru/23raznoe/126936-1.php 17.09.2018. Accessed to:6 March 2009.
12. Designing power transformers using optimization techniques. Available at: URL: https://cyberleninka.ru/article/n/proektirovanie-silovyh-transformatorov-s-ispolzovani metodov optimizatsii. Accessed to:6 March 2009.
Authors of the publication
Kamil H. Gilfanov - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia. Email: [email protected].
Rustem N. Gaynullin - Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia. Email: [email protected].
Nguyen Tien - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia. Email: [email protected] Поступила в редакцию 11 июля 2019г.
