CC BY
1Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ» № 2 (83) Том 4. ФЕВРАЛЬ 2025 г. УДК 621.311.42
Воробьёв П.В.
Нижневартовский государственный университет (г. Нижневартовск, Россия)
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛА ОТ АВТОТРАНСФОРМАТОРА
Аннотация: в статье представлено исследование возможностей утилизации тепловой энергии от автотрансформатора АТДЦТН-125000/220/110/35/6. Разработано техническое решение по использованию тепловых потерь трансформатора для нужд теплоснабжения подстанции, основанное на двухконтурной схеме с промежуточным теплоносителем. Проведены расчеты тепловых процессов, определены оптимальные параметры теплообменного оборудования и режимы работы системы утилизации тепла в условиях сурового климата.
Ключевые слова: автотрансформатор, утилизация тепла, энергоэффективность, система охлаждения, теплоснабжение, пластинчатые теплообменники, тепловые потери, энергосбережение, двухконтурная система, подстанция.
В современном мире, где электроэнергетическая отрасль переживает стремительное развитие, одной из наиболее актуальных задач является повышение энергоэффективности уже существующих объектов.
Силовые трансформаторы и автотрансформаторы - это ключевые элементы систем передачи и распределения электроэнергии, которые характеризуются значительными тепловыми потерями, которые обычно рассеиваются в окружающую среду.
Тепловой расчет крупного трехфазного автотрансформатора с принудительным охлаждением, такого как АТДЦТН-125000/220/110/35/6, представляет собой один из важнейших аспектов его безопасной эксплуатации. Этот трансформатор, состоящий из трех обмоток, способен регулировать напряжение под нагрузкой.
Важно отметить, что в процессе работы потери холостого хода составляют 34 кВт, а потери короткого замыкания достигают 277 кВт при номинальной нагрузке. Это свидетельствует о значительном потенциале тепловой энергии, который может быть использован для различных целей [2].
Этот расчет представляет собой сложный процесс, который охватывает электромагнитные, масляные и тепловые характеристики устройства. Поэтому тепловой расчет требует учета множества физических факторов и представляет собой многогранный этап проектирования.
В данной статье представлен тепловой анализ, цель которого - выявить возможности для полезного использования тепла. Предлагается подход, который позволяет более точно оценить тепловой режим трансформатора. Благодаря тщательному анализу электромагнитных, тепловых и жидкостных свойств трансформатора, мы достигаем высокой производительности и точности в наших расчетах.
В регионах с продолжительным отопительным сезоном остро стоит вопрос рационального использования тепловой энергии, выделяемой при работе силовых трансформаторов. Это связано с постоянной потребностью в тепле для отопления служебных помещений и технологических нужд.
Традиционно системы охлаждения трансформаторов считаются лишь вспомогательными техническими средствами, которые обеспечивают надежную эксплуатацию оборудования. Однако современные тенденции в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности требуют переосмысления роли систем охлаждения с точки зрения возможности полезного использования отводимого тепла.
Целью данного исследования является разработка технических решений по утилизации тепла от системы охлаждения автотрансформатора, направленных на повышение энергетической эффективности подстанции.
В исследовании применялись теоретические методы. В частности, был проведён анализ научно-технической литературы [1,4-7], выполнено математическое моделирование тепловых процессов, проведены инженерные
расчёты теплотехнических параметров оборудования, а также выполнена статистическая обработка эксплуатационных данных.
Достоверность полученных результатов была обеспечена использованием апробированных методик расчёта и современных средств измерения и контроля параметров работы оборудования. Анализ тепловых процессов в автотрансформаторе АТДЦТН-125000/220/110/35/6 показывает, что основными источниками тепловыделения являются потери холостого хода ДРх (потери в стали), составляющие 34 кВт, и потери короткого замыкания ДРк (потери в меди обмоток), достигающие 277 кВт при номинальной нагрузке. Суммарные потери активной мощности при различных коэффициентах загрузки трансформатора в определяются уравнением [3]:
ДР = ДРх + р2 ■ ДРк (1)
Результаты расчета потерь мощности при различных коэффициентах загрузки приведены в таблице 1.
Таблица 1 . Результаты расчета потерь мощности при различных коэффициентах загрузки.
Коэффициент загрузки Р, о.е. Нагрузочные потери ДРк, кВт Потери холостого хода ДРх, кВт Суммарные потери ДР, кВт
0,3 24,95 34 36,25
0,4 44,32 34 41,09
0,5 69,25 34 51,31
0,6 99,52 34 69,83
0,7 135,59 34 100,44
0,8 177,28 34 147,46
0,9 224,59 34 215,92
1 277,00 34 311,00
На основании выполненных расчетов можно сделать вывод о значительном потенциале использования тепловой энергии от системы охлаждения трансформатора.
Система охлаждения автотрансформатора типа ДЦ обеспечивает отвод тепла за счет принудительной циркуляции масла через охладители с обдувом их поверхности вентиляторами [5]. Тепловой поток, отводимый системой охлаждения, определяется выражением:
Q = кт ■ F ■ (0м - 0в), (2)
где:
кт - коэффициент теплопередачи, принимаемый 12 Вт/(м2К),
Б - площадь поверхности теплообмен, принимаем 245 м2,
0м - средняя температура масла, составляет 55°С,
0в - температура охлаждающего воздуха.
Анализ существующих методов утилизации тепла от систем охлаждения трансформаторов позволяет выделить три основных направления:
Применение промежуточного теплоносителя, циркулирующего в замкнутом контуре между маслоохладителями трансформатора и теплообменными аппаратами системы теплоснабжения [1]. Данное решение обеспечивает коэффициент полезного использования тепла до 75-80 %.
Использование тепловых насосов для повышения потенциала утилизируемого тепла до уровня 60-70 °С, необходимого для горячего водоснабжения и отопления. При правильном выборе параметров коэффициент преобразования может достигать 3,5-4,0.
Прямое использование нагретого воздуха от системы охлаждения для воздушного отопления помещений. Метод характеризуется простотой реализации, но имеет ограниченную эффективность (50-60 %) из-за значительных потерь при транспортировке воздуха.
Расчеты показывают, что при температуре наружного воздуха -43°С (характерной для климатических условий г. Нижневартовска) и коэффициенте
эффективности утилизации тепла кэф = 0,8 располагаемая тепловая мощность, определяется уравнением (3):
Qут = АР ■ кэф (3)
При среднем коэффициенте загрузки в = 0,7 можно достичь тепловой мощности в 80,4 кВт. Это означает, что в течение отопительного периода, который длится 257 дней, годовое количество утилизируемой тепловой энергии составит 426,2 Гкал. Что полностью покрывает потребности подстанции в тепловой энергии.
На основании проведенных исследований разработано техническое решение по утилизации тепла от системы охлаждения автотрансформатора АТДЦТН-125000/220/110/35/6, учитывающее специфику эксплуатации подстанции 220 кВ "Факел" в условиях сурового климата Западной Сибири. В качестве базового варианта принята двухконтурная схема с промежуточным теплоносителем, обеспечивающая эффективный теплосъем от маслоохладителей трансформатора при сохранении надежности работы основного электротехнического оборудования.
На рисунке 1 представлена принципиальная схема подключения теплообменников в системе утилизации тепла от силового трансформатора. Схема отражает два основных контура: контур циркуляции трансформаторного масла (показан красным цветом) и контур промежуточного теплоносителя (показан синим цветом).
Рисунок 1. Принципиальная схема подключения теплообменников.
Первичный контур системы включает пластинчатые теплообменники, устанавливаемые параллельно существующим маслоохладителям трансформатора. В качестве промежуточного теплоносителя используется 45 % водный раствор этиленгликоля, обеспечивающий работоспособность системы при температуре наружного воздуха до -45°С. Основные расчетные параметры теплообменников первичного контура:
греющая среда (трансформаторное масло): tвх = 55 °С, tвых = 40 °С, G = 14,5 т/ч,
нагреваемая среда (этиленгликоль): tвх = 35 °С, tвых=45°С, G = 18,7 т/ч, тепловая мощность Q = 80,4 кВт.
Вторичный контур выполнен на основе независимой схемы присоединения к существующей системе теплоснабжения подстанции через разделительные теплообменники. Циркуляция теплоносителей обеспечивается насосами с частотным регулированием.
Эффективность теплообмена в пластинчатых теплообменниках характеризуется следующими показателями:
коэффициент теплопередачи к = 1870 Вт/(м2-К),
средний логарифмический температурный напор Дtср = 7,2°С,
коэффициент тепловой эффективности е = 0,5.
Система автоматизации обеспечивает поддержание оптимальных режимов работы оборудования при различных температурах наружного воздуха и нагрузках трансформатора. Предусмотрены следующие эксплуатационные режимы:
основной режим (-43°С < Ш < -5°С): максимальная теплопроизводительность,
экономичный режим (-5°С < Ш < +8°С): снижение производительности насосов до 40-60 %,
режим максимальной нагрузки (Ш < -43°С): включение всех теплообменников,
аварийный режим: быстрое отключение системы утилизации тепла.
Результаты расчета энергетической эффективности разработанной системы показывают, что на каждый киловатт-час затраченной электрической энергии приходится 22,7 киловатт-часов полезно использованной тепловой энергии, с учетом уравнения (4):
кэф = Qгод/Wгод, (4)
где:
Qгод - годовое количество утилизированной тепловой энергии, кВтч,
Wгод - годовое потребление электроэнергии на привод насосов, кВтч.
Принимая во внимание расмотренные факторы, можно с уверенностью сказать, что система обеспечивает ежегодную экономию тепловой энергии в размере 426,2 Гкал. В ценах 2024 года это соответствует сумме 1044,19 тыс. рублей.
Проведенное исследование теплового режима работы автотрансформатора АТДЦТН-125000/220/110/35/6 выявило значительный потенциал для утилизации тепловой энергии. Установлено, что при характерном для данного оборудования среднем коэффициенте загрузки суммарные потери активной мощности достигают 80,4 кВт, причем большая часть этой энергии может быть эффективно использована для нужд теплоснабжения подстанции вместо бесполезного рассеивания в окружающую среду.
Разработанное в ходе исследования техническое решение базируется на использовании двухконтурной схемы с промежуточным теплоносителем, что обеспечивает надежную работу системы в широком диапазоне температур наружного воздуха. Применение современных пластинчатых теплообменников позволило достичь высоких показателей теплопередачи при минимальных гидравлических потерях. Особое внимание при проектировании уделено вопросам безопасности и сохранения надежности работы основного электротехнического оборудования подстанции.
Дальнейшее развитие исследований в данном направлении связано с совершенствованием алгоритмов управления системой утилизации тепла и
поиском решений по интеграции подобных систем с возобновляемыми источниками энергии. Это позволит создать фундамент для развития концепции энергоэффективных подстанций будущего, где каждый вид энергии используется максимально рационально. Полученные результаты вносят значимый вклад в решение актуальной задачи повышения энергетической эффективности объектов электроэнергетики и снижения их воздействия на окружающую среду.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Аракелян Э.К. Оптимизация систем энергоснабжения и управления теплотехническими объектами: монография. Москва: Инфра-Инженерия, 2020. 304 c. ISBN 978-5-9729-0451-0;
2. Гольстрем В.А. Справочник по экономии топливно-энергетических ресурсов. Санкт-Петербург, Москва, Краснодар: Лань, 2022. 400 с. ISBN 978-58114-1964-5;
3. Утилизация низкопотенциального тепла для производства электроэнергии на основе вихревой турбины / И.И. Кожухов, В.В. Кузьмин, И.А. Сокол [и др.] // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. Т. 21, № 6. С. 17-29. DOI 10.30724/1998-9903-2019-21-6-17-29;
4. Христинич Р.М., Христинич Е.В., Христинич А.Р. Исследование модели повышения энергетической эффективности системы собственных нужд трансформаторной подстанции // Электротехнические системы и комплексы. 2023. №. 2 (59). С. 11-19;
5. Элайн - Екатеринбург. Каталог продукции // Трансформаторы.и подстанции: [сайт]. URL: https://элайн.рф/product/skidki/atdcztn-125000/ (дата обращения: 18.02.2025);
6. Kharseh M. Heat Recovery Systems. Design, Applications, and Calculations / Mohamad Kharseh. - Academic Press, 2022. 450 p;
7. Li L. et al. Comprehensive thermal analysis of oil-immersed auto-transformer based on multi-physics analyses // I.E.E.E. Transactions on Applied Superconductivity. 2021. T. 31. №. 8. C. 1-5
Vorobyov P.V.
Nizhnevartovsk State University (Nizhnevartovsk, Russia)
RATIONAL USE OF HEAT FROM AN AUTOTRANSFORMER
Abstract: the article presents a study of the possibilities for utilizing thermal energy from the ATDTSN-125000/220/110/35/6 autotransformer. A technical solution has been developed for using transformer heat losses for substation heating needs, based on a two-circuit scheme with an intermediate heat carrier. Calculations of thermal processes were carried out, and optimal parameters of heat exchange equipment and operating modes of the heat recovery system in severe climate conditions were determined.
Keywords: autotransformer, heat utilization, energy efficiency, transformer cooling system, heat supply, plate heat exchangers, heat losses, energy saving, two-circuit heat supply system, substation.
