В Бангладеш счет за электроэнергию управляющего операциями текстильного парка уже шестой месяц подряд представляет ту же проблему. Четыре трансформатора по 1,000 кВА парка работали на среднем уровне нагрузки 40% в течение нескольких лет, что привело к потерям в сердечнике, которые являются потерями без нагрузки, происходящими на той же частоте, и обходились дороже, чем $18,000–$26,000 в год за ненужное и непродуктивное потребление электроэнергии. Энергетический аудит показал, что в парке есть два распределительных трансформатора, датируемых 1990-ми годами, с характеристиками потерь, аналогичными самым современным моделям. Реальная дилемма заключалась не в том, должен ли менеджер предпринимать действия, а в том, какие действия предпринять. Менеджер получил сообщение от своих консультантов, в котором говорилось, что энергосберегающий ретрофит является самым быстрым вариантом на всем заводе.
Эта публикация посвящена концепции энергосберегающего ретрофита в отношении силовых трансформаторов, тому, как он соотносится с заменой, типам экономических практик эксплуатации, связанным с ними затратам и способам точного расчета срока окупаемости.
Термин энергосберегающий ретрофит трансформаторов обычно обозначает замену энергоемких сердечников или обмоток на энергоэффективные или, в большинстве случаев, полную замену трансформатора на новый энергосберегающий тип в соответствии с GB 20052 или согласно классификации IEC. Хотя ретрофит может стоить 60-80% нового трансформатора, его производительность не лучше, чем у нового трансформатора, что делает такое решение редким для проектов по энергосбережению. Тем не менее, экономические меры эксплуатации, такие как правильный выбор размеров, управление нагрузкой, регулировка отводов и захват потерь, могут окупить инвестиции менее чем за один год.
Что означает энергосберегающий ретрофит трансформаторов
Термин энергосберегающий ретрофит относится к любым изменениям или замене, которые уменьшают потери трансформатора. Существует два типа потерь: первый — это потери без нагрузки, которые происходят, когда трансформатор загружен тем или иным образом и не зависят от нагрузки, а потери нагрузки зависят от квадрата нагрузки. В случае трансформаторов оба типа потерь имеют значение, хотя их стоимость различна, так как она сильно зависит от того, как работает трансформатор.
Ретрофит включает в себя следующие действия: первый способ — купить новый трансформатор, второй — перемотать или заменить сердечник существующего трансформатора, третий — добавить управление нагрузкой или методы охлаждения, а последний — переосмыслить рабочую точку (что требует нагрузки или работы параллельно или иным образом).
Понимание потерь трансформатора: потери без нагрузки против потерь нагрузки
Это называется потерей без нагрузки (или железной потерей), поскольку потеря происходит только из-за намагничивания сердечника. Независимо от того, работает ли он на полной нагрузке или нет, эта потеря энергии происходит в течение 8760 часов каждый год, что делает ее самым важным фактором в усилиях по экономии энергии. Потеря нагрузки (или медная потеря) происходит из-за прохождения тока через обмотки и варьируется в зависимости от квадрата тока, или, другими словами, когда трансформатор работает на нагрузке 50%, только 25% зарегистрирована как потеря номинальной нагрузки.
| Размер трансформатора | Потеря без нагрузки старого дизайна | Современный стандарт GB 20052-2, класс 2 | Аморфный сердечник (класс 1) |
|---|---|---|---|
| 100 кВА | 270–350 Вт | 130–180 Вт | 60–90 Вт |
| 400 кВА | 800–1,100 Вт | 400–520 Вт | 180–260 Вт |
| 1,000 кВА | 1,500–2,100 Вт | 700–1,100 Вт | 350–500 Вт |
| 2,500 кВА | 3,200–4,500 Вт | 1,600–2,400 Вт | 800–1,200 Вт |
Как показано, потеря сердечника старого трансформатора обычно в два раза выше, чем у современных моделей, и в три-пять раз по сравнению с моделями с аморфным сердечником. Учитывая, что эти потери происходят 24/7, годовая разница в стоимости значительна: при тарифе на кВтч, равном 0.10, общая разница потерь составляет $876 ежегодно в случае без потерь нагрузки.
Ретрофит на месте против полной замены
Перемотка и повторная коронка существующего трансформатора возможны для производителей и могут быть правильным решением, если бак и аксессуары в хорошем состоянии, а трансформатор имеет необычный рейтинг или если сетевые нормы или ограничения площадки не позволяют провести замену на аналогичный.
Но в большинстве случаев цифры будут говорить против этого решения.
- Перемотка на месте стоит около 60-80% нового трансформатора, но в итоге вы все равно получаете устройство со старым баком, старыми прокладками, втулками и маслом без каких-либо сокращений прошлых сбоев.
- Замена на современное устройство означает получение всех преимуществ эффективности современного стали, нового бака, изоляции, гарантии и сниженных затрат на обслуживание.
- Стандарты меняются: трансформатор, купленный в 2005 году, не может соответствовать GB 20052, поскольку современный стандарт отличается, не говоря уже о трансформаторах, приобретенных в 1995 году и ранее. Невозможно соответствовать стандарту со старым сердечником, который все равно будет показывать потери около 1.8 кВт вместо требуемых 0.9 кВт.
Практическое правило: ретрофит только в том случае, если вы не можете провести замену по физическим причинам или ограничениям площадки. В противном случае вам нужно заменить его на трансформатор с самым высоким классом эффективности, который вам разрешено.
| Опция | Стоимость против нового устройства | Результат потери без нагрузки | Гарантия | Лучше всего, когда |
|---|---|---|---|---|
| Перемотка на месте | 60–80% нового | Старый сердечник остается; небольшая выгода | Только перемотка | Необычный рейтинг, фиксированные ограничения площадки |
| Повторная коронка на месте | 70–90% нового | Новый сердечник, но старый бак/втулки | Только сердечник | Редко экономически целесообразно |
| Полная замена, класс 2 | 100% | Уменьшено вдвое по сравнению с устройствами 1990-х годов | Полный блок, 12–24 месяца | Стандартный случай окупаемости |
| Полная замена, аморфное ядро | 120–140% | 60–70% ниже обычного | Полный блок, 12–24 месяца | Нагрузочные приложения 24/7 |
Причина, по которой консультанты выступают за замену систем, иллюстрируется на графике; разница между стоимостью модернизации и тем, что она достигает, как правило, больше, чем разница между стоимостью нового устройства и экономией, которую оно генерирует.
Технологии энергосбережения для спецификации
Когда вы покупаете новый трансформатор для энергосбережения, важны четыре технологических выбора:
| Технология | Типичное сохранение потерь без нагрузки | Дополнительные первоначальные затраты | Лучшие условия окупаемости |
|---|---|---|---|
| Высокопроницаемый GOES (0.23 мм) | 15–25% против стандартного класса | +3–6% | Почти всегда положительно по TCO |
| Аморфный металлический сердечник | 60–70% против обычного ядра | +20–40% | Высокий коэффициент нагрузки, работа 24/7 |
| Дизайн обмотки с низкими потерями (большая масса меди) | 10–20% снижение потерь при нагрузке | +2–5% | Сильно нагруженные трансформаторы |
| Натуральное эфирное (растительное) масло | То же, что и минеральное масло с электрической точки зрения | +10–15% | Приоритеты пожарной безопасности и устойчивого развития |
Аморфный сплав следует тщательно изучить, когда мы рассматриваем 24-часовые приложения, такие как центры обработки данных, больницы или непрерывные производственные предприятия, потому что трансформатор будет под нагрузкой круглосуточно. Более высокие первоначальные затраты компенсируются экономией за счет меньших потерь в ядре; в среднем, трансформатор с аморфным ядром мощностью 1,000 кВА окупает свои дополнительные затраты за 4–8 лет по сравнению с любым стандартным высокоэффективным трансформатором.
Экономическая эксплуатация: оптимизация того, что у вас уже есть
Экономическая эксплуатация заключается в управлении трансформаторами, которые находятся в собственности, наиболее эффективным образом. Это требует очень небольших затрат и часто имеет период окупаемости, измеряемый в месяцах:
- Определите оптимальный размер парка: проанализируйте схему загрузки и рассмотрите возможность замены двух трансформаторов с нагрузкой менее 40% на один трансформатор. Эксплуатационные расходы трансформаторов снижаются.
- Контроль параллельной работы: если два трансформатора работают одновременно, нет большого смысла держать первый трансформатор работающим в случае легкой нагрузки второго трансформатора.
- Правильно установите отводы: выбор положения отводов, которое будет поддерживать напряжение на нижней границе допустимой области, приводит к снижению тока намагничивания и тока возбуждения.
- Держите трансформатор в работе при низких температурах: это важно, потому что забитые радиаторы повышают температуру масла и ускоряют старение изоляции.
- Наблюдайте за потерями трансформаторов с помощью плана учета: измеряйте потери без нагрузки в период остановки и потери при нагрузке в пиковые моменты, затем используйте это в модели капитализации потерь.
Распределительные компании, которые успевают отключить один из двух работающих трансформаторов за ночь, обычно экономят 40-60% потерь из-за этого процесса — таким образом, становится очевидным, что изменение одного переключателя может сэкономить тысячи долларов.
| Мера экономической эксплуатации | Капитальные затраты | Типичная экономия | Окупаемость |
|---|---|---|---|
| Отключите избыточный параллельный блок при легкой нагрузке | Ничего | 40–60% потерь банка без нагрузки за ночь | Немедленно |
| Оптимизируйте положения отводов для диапазона напряжения | Ничего | 1–3% потерь трансформатора | Немедленно |
| Чистите радиаторы, восстанавливайте охлаждение | Работы по обслуживанию | Снижение старения горячих точек, продленный срок службы | <1 год |
| Заменить два слабо загруженных устройства на одно | Новое устройство | Устранены потери в режиме холостого хода одного устройства | 3–8 лет |
| Добавить измерение потерь и обзор тенденций | $500–$2,000 | Выявленные проблемы потерь на сумму $1,000s/год | <1 год |
Наблюдается, что тот же шаблон сохраняется: операционные меры могут быть возмещены с немедленным эффектом. Однако капитальные меры следуют шаблону капитализации потерь. Установка, применяющая оба подхода, получает полные преимущества.
Расчет окупаемости и капитализации потерь
Капитализация потерь — это профессиональный подход к оценке альтернатив: необходимо провести расчеты, чтобы получить текущую стоимость каждого ватта потерь без нагрузки и потерь при нагрузке, происходящих в течение срока службы трансформатора, затем добавляется первая стоимость, и выбирается самая низкая общая стоимость. Для этой цели можно использовать предоставленные формулы:
- Годовая стоимость потерь без нагрузки = потери без нагрузки (кВт) × 8,760 ч × тариф ($/кВтч).
- Годовая стоимость потерь при нагрузке = потери при нагрузке (кВт) × часы в году × коэффициент нагрузки² × тариф.
- Текущая стоимость за 20 лет должна быть примерно равна годовой стоимости, умноженной на 9.8 (при ставке дисконтирования 8%).
В качестве примера можно сравнить устройство GB 20052 класса 2 1,000 кВА (с потерями без нагрузки 1,000 Вт и потерями при нагрузке 10,000 Вт) с использованием устройства аморфного класса 1 (с потерями без нагрузки 500 Вт и потерями при нагрузке 10,000 Вт) и с тарифом $0.10/кВтч при коэффициенте нагрузки 40%. В этой ситуации можно утверждать, что устройство класса 1 поможет сэкономить $438 только по потерям без нагрузки; таким образом, текущая стоимость составит около $4,300 за 20 лет, в то время как первая стоимость составит около $2,000-3,000, что демонстрирует очевидные преимущества аморфного устройства в случае эксплуатации.
Пошаговый процесс модернизации
- Аудит: Учитывайте данные с таблички, записи тестов, кривые нагрузки и структуру тарифов трансформатора.
- Тест: Везде, где это применимо, проводите тесты на потери без нагрузки и проверяйте DGA и состояние масла во время остановки.
- Модель: Сравните методы сохранения, модернизации на месте и замены на устройства класса 1/2 с точки зрения капитализации потерь.
- Бюджет: Подтвердите бюджет и проверьте, применимы ли программы стимулов по эффективности (многие регионы субсидируют аморфные сердечники и трансформаторы класса 1).
- Закупка: Уточните требования стандарта испытаний IEC 60076, стандарта GB 20052 для оценки эффективности и требуйте отчеты о тестах.
- Установите и проверьте: Проверьте соотношение на месте и проведите тесты на потери без нагрузки, затем отрегулируйте настройки трансформатора и установки.
- Мониторинг: Ведите журналы потребления энергии и сравнивайте их с базовой моделью в течение одного года.
Невыполнение шага аудита — самая распространенная ошибка, совершаемая организациями, поскольку эта практика приводит к замене трансформаторов, работающих уже эффективно, и одновременно сохраняет неэффективные устройства.
Затраты по брендам и классам эффективности
Цены на новый 1,000 кВА 10/0.4 кВ энергосберегающий распределительный трансформатор, FOB по брендам и классам эффективности:
| Бренд | Происхождение | Стандартная эффективность | Высокая эффективность (класс 1 / аморфный) |
|---|---|---|---|
| Hitachi Energy | Япония/Глобальный | $8,500–$12,000 | $12,000–$17,000 |
| ABB | Швейцария/Глобально | $8,000–$11,500 | $11,500–$16,500 |
| Siemens Energy | Германия/Глобально | $7,500–$11,000 | $11,000–$15,500 |
| Schneider Electric | Франция/Глобально | $7,000–$10,500 | $10,500–$15,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Китай | $4,000–$6,500 | $5,500–$8,500 |
Цены могут варьироваться в зависимости от класса потерь, переключателей отводов, аксессуаров, цен на медь и условий доставки. Рассматривайте их как диапазоны для планирования, а не как фиксированные котировки.
Известные бренды подтверждают свое качество через глобальные сервисные сети и обширные типовые испытания. Аргумент в пользу китайского уровня заключается в том, что их продукция имеет те же результаты испытаний в соответствии с IEC 60076 и ту же эффективность в соответствии с GB 20052, но на 40%-50% дешевле по первоначальной стоимости. Jiangsu Subian Electric Power — китайский производитель трансформаторов с жидким погружением с классами эффективности GB 20052 мощностью до 63 MVA. Subian поставил энергосберегающие модернизации для коммунальных служб и промышленных парков по всей Азии, Африке и на Ближнем Востоке, и его ассортимент задокументирован на subian-electric.com.
Часто задаваемые вопросы
Сколько стоит энергосберегающий трансформатор?
Высокоэффективный трансформатор на 400 кВА стоит от $2,500 до $4,500, а трансформатор на 1,000 кВА стоит от $4,000 до $8,500, с доставкой на условиях FOB от поставщиков в Китае. Последние включают трансформаторы со средними характеристиками, в то время как модели с наилучшим качеством (класс 1 с аморфным сердечником) стоят дороже. Европейские и японские трансформаторы, как правило, стоят на 50-80 процентов дороже, чем произведенные в Китае. Стоимость трансформаторов варьируется в зависимости от их классов потерь и аксессуаров, а также цен на сырье.
Дешевле ли перемотать старый трансформатор или купить новый?
Перемотка обычно стоит от 60 до 80 процентов от стоимости нового устройства, но обеспечивает такую же или худшую производительность, чем старое устройство, используя старые прокладки и втулки и без новой гарантии, кроме процесса перемотки. Если новый трансформатор не может быть установлен по техническим причинам, замена его на современный низкопотерьный обычно оказывается более жизнеспособным экономическим вариантом.
Сколько электроэнергии теряет старый трансформатор?
Обычно трансформатор мощностью 1,000 кВА 1990-х годов имеет потери в диапазоне 1,500-2,100 Вт в условиях без нагрузки, что приводит к 13,000-18,000 кВтч в год, стоимостью от $1,050 до $1,800 (при условии тарифа на электроэнергию в диапазоне от $0.08 до $0.10/кВтч). Современный трансформатор класса 2 снизит эти потери вдвое, что можно дополнительно уменьшить с помощью конструкции с аморфным сердечником.
Какой срок окупаемости является хорошим для замены трансформатора?
Обычно время замены старого традиционного оборудования на новое энергосберегающее составляет 3–8 лет в рабочем режиме. Это время может определяться тарифами на стоимость и коэффициентами нагрузки. Экономические методы управления, такие как подбор оборудования, параллельные операции и отводы, обычно возвращают инвестиции в течение 1-2 лет, при этом минимальные или нулевые капитальные вложения не требуются.
Как мне узнать, какой класс эффективности купить?
Выполните капитализацию потерь на основе текущего тарифа и коэффициента загрузки. На участках с высокой нагрузкой и высоким коэффициентом загрузки выбирайте лучший доступный продукт (класс 1 GB 20052-2 или аморфное ядро). На слабо загруженных и сезонных участках класс 2 часто является лучшим вариантом, поскольку разница в потерях при холостом ходе не оправдывает разницу в цене.
Ссылки
- IEA Энергоэффективность 2023 — Глобальный контекст по эффективности трансформаторов и политике снижения потерь.
- IEC 60076-1: Силовые трансформаторы – Общие сведения — Основы оценки и испытаний для проверки потерь.
- GB 20052: Классы энергоэффективности для силовых трансформаторов (Китай) — Стандарт класса эффективности, используемый в отрасли.
- Программа повышения эффективности трансформаторов Министерства энергетики США — Правила эффективности Северной Америки и экономика потерь.
- Портфель трансформаторов Hitachi Energy — Справочник по предложениям премиум трансформаторов для экономии энергии.
- Официальный сайт Jiangsu Subian Electric Power — Ассортимент трансформаторов с аморфным сердечником и отчетами о тестах на экономию энергии.
Заключение
Энергоэффективные модернизации трансформаторов и их эффективная эксплуатация являются одними из самых выгодных энергетических проектов для производителей электроэнергии и промышленных компаний. Это не связано с тем, что эта технология сложна, а скорее с тем, что устаревшие трансформаторы работают на пределе, расходуя электроэнергию, едва замечая это. Изучая технологию на структурном уровне, подход к капитализации потерь и энергоэффективную эксплуатацию, можно легко достичь срока окупаемости 3–8 лет для замены и 1–2 года для модификаций эксплуатации.
Основные выводы, которые можно сделать из этого, следующие:
- Потери без нагрузки составляют 8,760 часов в год, и замена трансформатора, произведенного в 1990-х годах, на современный низкопотерьный агрегат обычно позволяет достичь снижения потерь на 50 процентов.
- Модификации на месте вряд ли смогут обеспечить более низкие общие затраты на владение (TCO), чем замена.
- Наиболее быстрая окупаемость инвестиций может быть достигнута за счет использования энергоэффективной эксплуатации без инвестиций.
- Трансформаторы с аморфным сердечником имеют хорошую окупаемость в случае высокого спроса на оборудование.
Если ваше предприятие оценивает возможность энергосберегающей модернизации, Jiangsu Subian Electric Power поставляет трансформаторы класса 1–2 по стандарту GB 20052 с документированными результатами тестов на потери без нагрузки, включая конструкции с аморфным сердечником, по ценам, удобным для экспорта. Начните с аудита — ассортимент представлен на subian-electric.com.