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        一種新的電力變壓器效率評(píng)價(jià)方法

        2021-08-27 07:36:18鄭黎明
        機(jī)電工程技術(shù) 2021年7期
        關(guān)鍵詞:變壓器效率成本

        鄭黎明

        (中山ABB變壓器有限公司,廣東中山 528449)

        0 引言

        2019年12月27日,由國(guó)務(wù)院國(guó)資委、工信部、中國(guó)電力科學(xué)研究院、中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司等多個(gè)部門聯(lián)合組成的國(guó)家節(jié)能變壓器調(diào)研組在沈陽(yáng)變壓器研究院進(jìn)行了調(diào)研[1],由此可看出,變壓器的節(jié)能減耗對(duì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展意義重大。變壓器節(jié)能一方面體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行上,為了能讓用戶選擇到節(jié)能型的變壓器,在招標(biāo)階段對(duì)變壓器的效率評(píng)價(jià)方法尤為重要。朱英杰[2-3]論述了電力變壓器損耗比的兩種概念及其與效率的關(guān)系,指出應(yīng)將無(wú)功損耗折算到有功損耗后再計(jì)算損耗比和節(jié)能效果更為合適;鐘月梅等[4]提出了電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行應(yīng)考慮電壓的波動(dòng)因素。目前常用的電力變壓器效率評(píng)價(jià)方法見(jiàn)第1節(jié),其中存在一些不足,即未區(qū)分空載損耗及負(fù)載損耗的權(quán)重,換言之,在電力變壓器效率評(píng)價(jià)時(shí),空載損耗和負(fù)載損耗的貢獻(xiàn)值是一樣的,但是在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)階段空載損耗及負(fù)載損耗對(duì)成本的影響是不一樣的,空載損耗相對(duì)于負(fù)載損耗對(duì)電力變壓器成本的影響更大;在運(yùn)行階段,空載損耗比負(fù)載損耗對(duì)電力變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響也更大??蛰d損耗存在于電力變壓器通電運(yùn)行的整個(gè)階段,而負(fù)載損耗跟負(fù)載率近似成正比關(guān)系,在電力變壓器的實(shí)際運(yùn)行工況中,電力變壓器在一天中有較長(zhǎng)時(shí)間處于空載運(yùn)行狀態(tài),通常不會(huì)滿負(fù)荷運(yùn)行,平均負(fù)荷為50%左右[5],因此不管是在設(shè)計(jì)階段還是在運(yùn)行階段電力變壓器空載損耗均比負(fù)載損耗更重要,在電力變壓器招標(biāo)階段引入有空、負(fù)載損耗權(quán)重的評(píng)價(jià)方法非常有必要。

        IEC60076-20提出了PEI(最高效率指標(biāo))用于評(píng)價(jià)電力變壓器的效率,本文詳細(xì)介紹了PEI,從設(shè)計(jì)成本的角度出發(fā)說(shuō)明了空載損耗及負(fù)載損耗對(duì)變壓器成本的影響,比較了傳統(tǒng)的電力變壓器效率計(jì)算方法與PEI計(jì)算方法,指出了PEI的優(yōu)勢(shì),并考慮到電力變壓器的運(yùn)行成本,最后建議采用簡(jiǎn)化PEI作為電力變壓器招標(biāo)時(shí)效率評(píng)價(jià)的新方法。

        1 電力變壓器效率的傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法

        在國(guó)內(nèi)電力變壓器的招標(biāo)協(xié)議中規(guī)定的效率評(píng)價(jià)方法通常考慮功率因素為1,負(fù)載率為1時(shí),電力變壓器效率η計(jì)算如下:

        式中:S 為電力變壓器的額定容量,kVA;Po為空載損耗(不考慮冷卻設(shè)備的損耗),kW;Pk為負(fù)載損耗(基于溫度75 ℃),kW。

        式(1)與湯蘊(yùn)璆[6]介紹的效率計(jì)算公式略有區(qū)別,當(dāng)功率因素為1,負(fù)載率為1時(shí),電力變壓器的效率η為:

        式(1)與式(2)的區(qū)別在于對(duì)變壓器額定容量的定義不同,式(1)中額定容量定義為輸入側(cè)的容量,式(2)中額定容量定義為輸出側(cè)的容量。

        2 最高效率指標(biāo)PEI

        2.1 PEI推導(dǎo)過(guò)程

        當(dāng)功率因素為1、負(fù)載率為1時(shí),電力變壓器的效率[7]:

        式中:L 為變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗(含冷卻設(shè)備損耗)之和。

        進(jìn)一步,當(dāng)功率因素為1,負(fù)載率為k時(shí),效率計(jì)算公式為:

        式中:k為負(fù)載率。

        為了得到效率的最大值,將式(4)對(duì)k進(jìn)行求導(dǎo)得:

        當(dāng)效率最大時(shí)有:

        式(6)化簡(jiǎn)可得:

        根據(jù)式(7)可知,當(dāng)電力變壓器的空載損耗及負(fù)載損耗確定時(shí),電力變壓器的負(fù)載率為何值時(shí)可獲得最高效率,以50 MVA/110 kV 三相雙繞組有載調(diào)壓電力變壓器為例,根據(jù)GB/T 6451,空載損耗為38.2 kW,負(fù)載損耗為194 kW。根據(jù)式(7)可計(jì)算出最佳負(fù)載率為44.37%,即當(dāng)電力變壓器年平均負(fù)載率為44.37%左右時(shí),若空載損耗為38.2 kW、負(fù)載損耗為194 kW,則電力變壓器可獲得最高運(yùn)行效率,此負(fù)載率與GB/T 6451中的推薦值45%~50%相吻合。

        根據(jù)以上推導(dǎo)過(guò)程可知:在空載損耗和負(fù)載損耗確定的情況下,PEI說(shuō)明了電力變壓器在多大負(fù)載率時(shí),可達(dá)到最高運(yùn)行效率。

        將式(7)代入式(8)中可得:

        式中:Pco為空載狀態(tài)下冷卻設(shè)備的損耗;為負(fù)載率為kPEI時(shí)冷卻設(shè)備相對(duì)于空載狀態(tài)下額外消耗的損耗,這一部分冷卻設(shè)備產(chǎn)生的損耗被歸類至空載損耗(根據(jù)IEC60076-20)。

        幾點(diǎn)說(shuō)明如下。

        (2)用kPEI替換k得到的效率值即為PEI。

        (4)對(duì)于自冷式變壓器,式(9)可簡(jiǎn)化為:

        PEI 的優(yōu)勢(shì)在于不需要指定負(fù)載率,負(fù)載率由實(shí)際應(yīng)用情況決定,變化較大。PEI是變壓器的固有參數(shù),當(dāng)變壓器有幾級(jí)冷卻方式,對(duì)應(yīng)不同容量時(shí),不會(huì)因?yàn)橛捎诶鋮s方式的變化而改變PEI值,因?yàn)槿萘颗c負(fù)載損耗是以一定關(guān)系同時(shí)變化的。

        2.2 國(guó)標(biāo)損耗效率與PEI對(duì)比

        根據(jù)式(10)可知,空載損耗比負(fù)載損耗對(duì)PEI 的影響更大,下面以1臺(tái)50 MVA/110 kV三相雙繞組有載調(diào)壓電力變壓器為例來(lái)說(shuō)明空載損耗及負(fù)載損耗對(duì)PEI 的影響,比較結(jié)果如表1 所示。該臺(tái)變壓器的基準(zhǔn)損耗根據(jù)GB/T 6451 選取,即空載損耗為38.2 kW,負(fù)載損耗為194 kW。

        表1 不同損耗方案的效率及成本比較Table.1 The efficiency and cost comparison of various loss

        對(duì)于表1的幾點(diǎn)說(shuō)明如下。

        (1)k 表示負(fù)載率,表中效率計(jì)算基于功率因素為1 的情況。

        (2)材料成本僅考慮銅及硅鋼片的成本。

        (3)運(yùn)行成本定義為單臺(tái)變壓器每年消耗的電費(fèi),假定運(yùn)行工況:功率因素為1,變壓器年平均負(fù)載率為50%,電費(fèi)單價(jià)為1元/(kW·h)。

        (4)材料成本與運(yùn)行成本列計(jì)算方法:材料成本(或運(yùn)行成本)/(基準(zhǔn)損耗方案的材料成本+基準(zhǔn)損耗方案的運(yùn)行成本)。

        (5)由于硅鋼片性能的不斷提升,硅鋼片的厚度越來(lái)越小、單位損耗越來(lái)越低,GB/T 6451中推薦的11型損耗水平中的空載損耗太高了,13 型損耗水平跟現(xiàn)在的硅鋼片性能更為匹配。

        據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果,可以得出以下結(jié)論。

        (1)在總損耗不變的情況下,降低空載損耗、提高負(fù)載損耗可以提高變壓器的PEI,空載損耗越低,PEI越高。

        (2)在總損耗不變的情況下,基于傳統(tǒng)的效率評(píng)價(jià)方法,變壓器效率不變(k=1)。

        (3)在總損耗不變的情況下,空載損耗在一定的范圍內(nèi),設(shè)計(jì)成本、運(yùn)行成本均降低,在此情況下用戶可獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益(對(duì)應(yīng)優(yōu)化方案5)。

        (4)在總損耗不變的情況下,空載損耗越低,變壓器的運(yùn)行成本越低。

        (5)在總損耗不變的情況下,空載損耗在一定的范圍內(nèi),選用空載損耗低、負(fù)載損耗高的方案會(huì)給用戶帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益,不管是初始采購(gòu)成本,還是后期運(yùn)行成本都會(huì)降低。

        以1臺(tái)50 MVA/110 kV三相雙繞組有載調(diào)壓電力變壓器為例來(lái)對(duì)比國(guó)標(biāo)11 型損耗與IEC60076-20 中的能效標(biāo)準(zhǔn),IEC60076-20 中的能效標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)等級(jí),這里暫取一級(jí)能效(PEI 為99.696%)與國(guó)標(biāo)11 型損耗進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)表1 的計(jì)算結(jié)果,11型損耗(空/負(fù)載損耗為38.2/194 kW)對(duì)應(yīng)的PEI為99.656%,不能滿足IEC60076-20的要求,但若取優(yōu)化方案5 的損耗,則對(duì)應(yīng)的PEI 為99.697%,可滿足IEC60076-20 對(duì)于一級(jí)能效的要求。

        在很多出口項(xiàng)目中,招標(biāo)要求通常不會(huì)規(guī)定空、負(fù)載損耗的限值,在這里提醒各位從事變壓器設(shè)計(jì)的人員需考慮到IEC60076-20 的要求,在制定變壓器設(shè)計(jì)方案時(shí),基于國(guó)標(biāo)11 型損耗,應(yīng)考慮降低空載損耗、提高負(fù)載損耗以滿足IEC60076-20。

        3 新的效率評(píng)價(jià)方法

        3.1 簡(jiǎn)化PEI

        基于上文介紹的PEI,并綜合考慮到工程應(yīng)用計(jì)算方法應(yīng)具備簡(jiǎn)潔性,提出簡(jiǎn)化PEI的概念,即在PEI的基礎(chǔ)上忽略冷卻設(shè)備的損耗,計(jì)算表達(dá)式見(jiàn)式(10)?;诤?jiǎn)化PEI和電力變壓器傳統(tǒng)損耗要求提出了一種新的電力變壓器效率評(píng)價(jià)方法,即規(guī)定電力變壓器的總損耗,采用簡(jiǎn)化PEI來(lái)評(píng)價(jià)電力變壓器的效率。電力變壓器的總損耗可根據(jù)國(guó)標(biāo)11型損耗來(lái)選取。

        3.2 簡(jiǎn)化PEI優(yōu)勢(shì)

        傳統(tǒng)的固定損耗計(jì)算效率的方法沒(méi)有區(qū)分空載損耗、負(fù)載損耗的權(quán)重,不能讓最終用戶的經(jīng)濟(jì)效益最大化。不同的變壓器廠家在空載損耗、負(fù)載損耗計(jì)算、制造工藝方面各有側(cè)重點(diǎn),比如A廠家常規(guī)產(chǎn)品空載損耗低,負(fù)載損耗高;B廠家常規(guī)產(chǎn)品空載損耗高,負(fù)載損耗低。若此時(shí)A、B兩廠家同時(shí)參與競(jìng)標(biāo),假定電力變壓器招標(biāo)要求損耗為11型,因此空載損耗、負(fù)載損耗隨之確定,那么A、B兩廠家負(fù)載損耗響應(yīng)值通常是一樣的,但空載損耗響應(yīng)值可能會(huì)不一樣。如前文提及到的11 型空載損耗限值較高,A 廠家響應(yīng)的空載損耗值可能會(huì)低于B廠家,此時(shí)A廠家的成本可能略會(huì)高于B廠家,而失去中標(biāo)機(jī)會(huì),但若考慮到運(yùn)行成本,在一段時(shí)間內(nèi)(例如5 年內(nèi))B廠家的方案相對(duì)于A廠家的方案會(huì)使得增加的運(yùn)行成本超過(guò)節(jié)省下的初始采購(gòu)成本,這樣一來(lái)用戶并沒(méi)有選擇到最經(jīng)濟(jì)的電力變壓器。若招標(biāo)時(shí),用戶只規(guī)定總損耗和簡(jiǎn)化PEI值,而不具體限定空載損耗及負(fù)載損耗,那么在方案設(shè)計(jì)時(shí),A廠家就可以適當(dāng)提高負(fù)載損耗,以降低成本,保持與B廠家的成本一致或更低,若在此種情況下,用戶選擇了A 廠家,根據(jù)表1的對(duì)比結(jié)果,由于A廠家方案的空載損耗低,會(huì)降低變壓器的運(yùn)行成本,從而為用戶帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文采用簡(jiǎn)化PEI 作為電力變壓器效率的評(píng)價(jià)方法,與傳統(tǒng)效率評(píng)價(jià)方法相比可以節(jié)省電力變壓器的運(yùn)行成本,為最終給用戶帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[8]為最新的電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),于2021年6月1日起實(shí)施,在新標(biāo)準(zhǔn)中極大地降低了電力變壓器空、負(fù)載損耗限值,特別是空載損耗限值,例如50 MVA/110 kV 三相雙繞組有載調(diào)壓電力變壓器的空、負(fù)載損耗限值較11 型損耗分別降低了45%、10%,這也從側(cè)面說(shuō)明了在節(jié)能方面空載損耗的重要性遠(yuǎn)大于負(fù)載損耗,本文提出的新的電力變壓器效率評(píng)價(jià)方法正好與此相契合。

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