ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Современные трансформаторы имеют достаточно высокий коэффициент полезного действия, который в зависимости от мощности может достигать 99% и более. Однако при работе трансформатора часть трансформируемой электромагнитной энергии теряется и выделяется в виде тепла, которое рассеивается в окружающую среду. Тепловые потери в трансформаторах большой мощности составляют сотни киловатт. Для снижения этих потерь осуществляется целый ряд мероприятий проводимых как на стадии конструирования и изготовления трансформаторов, так и в процессе их эксплуатации в энергосистемах. Однако тепловые потери трансформаторов и автотрансформаторов можно не только снижать, но и полезно использовать, для целей теплоснабжения.

Силовые трансформаторы имеют достаточно высокий коэффициент полезного действия. Однако более эффективное использование энергии при ее трансформации возможно путем утилизации части тепловых потерь трансформаторов, которые обычно отводятся в окружающую среду. Для этой цели наиболее пригодны масляные трансформаторы, в которых масло служит не только диэлектриком, но и охлаждающей средой, отводящей тепло от обмоток и магнитопровода к радиаторам системы охлаждения. Выделяемое при этом тепло может быть использовано для целей теплоснабжения подстанций (ПС).

Существуют различные способы использования тепла выделяемого силовыми трансформаторами, – с подачей в систему отопления масла, воздуха или воды. Прямое использование трансформаторного масла в качестве теплоносителя для системы отопления нецелесообразно из-за возможной его утечки из контура отопления, опасности возгорания или загрязнения. Кроме того, требуется большое количество масла из-за его относительно низкой теплоемкости.

Используя в качестве теплоносителя воздух, можно равномерно изменять температуру отапливаемых помещений, отказаться от дополнительной установки отопительных приборов, совмещать отопление с вентиляцией и т. д.Однако относительно большое снижение температуры по длине воздуховодов и низкая теплоаккумулирующая способность воздуха ограничивают его применение как теплоносителя.

Использование воды как теплоносителя, напротив, позволяет не только уменьшить объем теплоносителя и увеличить дальность транспорта тепла, но и применять существующие водяные отопительные устройства. Поэтому водяное отопление наиболее приемлемо [12].

1. Актуальность темы

В настоящее время вопросам энергосбережения уделяется все более пристальное внимание, все активнее изыскиваются различные варианты снижения энергозатрат, рассматриваются и реализуются, в том числе и с привлечением значительных средств, разнообразные схемы, призванные сократить потребление энергии. В то же время все еще остается скорее исключением, чем правилом отбор тепла от разного рода охлаждающих жидкостей с целью его последующего использования.

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче - задаче снижения расхода электрической энергии на собственные нужды подстанций (ПС). Она является одним из аспектов общей проблемы по снижению уровня потерь и повышению эффективности работы электроэнергетических систем, которая приобретает в настоящее время все большее значение. Это связано как с увеличением трансформаторной мощности ПС, так и с появлением на ПС сверхвысокого напряжения крупных потребителей электрической и тепловой энергии [10].

2. Цель и задачи исследования магистерской работы

Целью исследования является анализ использования тепла силовых трансформаторов для теплоснабжения электрических подстанций.

Основные задачи исследования:

  1. Представить один из способов использования тепла выделяемого силовыми масляными трансформаторами для целей теплоснабжения электрических подстанций.
  2. Показать целесообразность утилизации тепловых потерь трансформаторов для отопления электрических подстанций. Рассмотренные варианты не требуют больших капитальных затрат и могут быть рекомендованы к применению как для действующих так и вновь проектируемых подстанций.

3. Анализ ситуации в топливно-энергетическом комплексе Украины

Национальная экономика на 50% зависит от внешних источников энергоснабжения, а для их закупки нет средств. Большая доля устаревшего, технически изношенного оборудования, энергозатратных технологий (особенно в энергетике, черной металлургии, нефтехимической промышленности, других энергоемких отраслях), ориентация на дешевые топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) привели к критическим уровням расточительности и нерационального использования топливно-энергетических ресурсов. Удельные расходы энергии на производство продукции увеличиваются [11].

4. Обзор исследований и разработок

4.1 Классификация схем отбора тепла от трансформаторов

В зависимости от типа, количества и мощности, установленных трансформаторов, их нагрузки, требуемой тепловой производительности, вида используемого теплоносителя в системе отопления (трансформаторное масло, вода, воздух) и удалённости потребителей могут применяться различные схемы отбора тепла [1] - [2]: c непосредственной подачей нагретого масла в систему отопления; c нагревом воды в масловодяном теплообменнике; с нагревом воды посредством теплового насоса; с нагревом воздуха в масловоздушном теплообменнике; с непосредственным отводом нагретого воздуха от охлаждающих радиаторов; с нагревом воздуха в водовоздушном теплообменнике.

4.2 Схема отбора тепла для системы масляного отопления

Схема непосредственного использования трансформаторного масла в системе отопления. Нагретое трансформаторное масло забирается масляным насосом из верхней части бака трансформатора и подается по маслопроводам в масляные радиаторы отапливаемого помещения. Отдавшее свое тепло масло возвращается в трансформатор. Эта система отличается максимальной простотой конструкции и повышенной энергетической эффективностью (ввиду отсутствия промежуточных теплообменников). Однако данная система имеет и существенный недостаток, связанный с возможностью утечки масла из контура отопления, что недопустимо как с точки зрения надежности работы трансформатора и системы отопления, так и пожаробезопасности и санитарно-гигиенических норм. Поэтому из-за низкой надежности широкого распространения данная схема отбора не получила [9].

4.3 Схемы отбора тепла для системы водяного отопления

Схема нагрева воды в теплообменнике «масло - вода». Нагретое масло из верхней части бака трансформатора при помощи масляного насоса подается в теплообменник «масло - вода», установленный рядом с трансформатором. В теплообменнике масло отдает теплоту воде, которая подается в помещение котельной, а затем в существующую систему отопления. При допустимой температуре масла 60-65 °С [3] температура воды в теплообменнике достигает 52-58 °С. Наиболее широко, таким образом, тепло потерь используется на подстанциях 110-400 кВ [4] - [5]. На сегодняшний день данная система получила наиболее широкое распространение, в основном это обусловлено тем, что она позволяет использовать уже существующие радиаторы водяного отопления и передавать тепло на расстояния до 1 километра. Все остальные системы, за исключением теплонасосной, могут передать тепло только потребителям расположенным в непосредственной близи от трансформатора.

Схема нагрева воды посредством парокомпрессионного теплового насоса и подача ее потребителям. Применение в схеме теплового насоса (ТН) позволяет [6]: повысить надежность трансформатора за счет разделения масляного контура и контура теплоносителя и, кроме того, не допустить перегрева изоляции трансформаторов; расширить диапазон использования теплоты трансформатора, увеличить температуру нагреваемой воды и дальность транспорта тепла; использовать систему отбора не только для отопления, но и для кондиционирования воздуха.

Нагретое масло из верхней части бака трансформатора масляным насосом подается в теплообменник «масло - вода», где отдает теплоту воде, циркулирующей в промежуточном контуре. В испарителе ТН вода отдает теплоту промежуточному теплоносителю. После сжатия компрессором и конденсации в конденсаторе ТН температура промежуточного теплоносителя повышается, и его теплота передается воде, подаваемой потребителям. При температуре масла 20-30 °С температура воды достигает значений 60-70 °С. Такую схему также применяют на подстанциях 110-400 кВ [4], [6], [7]. К недостаткам данной системы следует отнести сложность и повышенные капитальные затраты, а также снижение экономии электроэнергии связанные с использованием ТН.

Приведем одну из схем присоединения устройств отбора тепла трансформаторов к водяной системе отопления ПС на рисунке.

Рисунок - Принципиальные схемы присоединения устройств отбора тепла трансформаторов к водяной системе отопления ПС с комбинированным использованием теплоты трансформаторного масла в устройствах отбора тепла: а – нагрев воды в теплообменнике масло–вода или тепловом насосе с подачей масла через теплообменник; б – нагрев воды в теплообменнике масло–вода и конденсаторе ТН с подачей воды после теплообменника в испаритель ТН; в – последовательный нагрев воды в теплообменнике масло–вода и конденсаторе ТН с последовательной подачей воды из теплосети через испаритель ТН и теплообменник; 1 – трансформатор; 2 – охладитель; 3 – масляный насос; 4 – теплообменник масло–вода; 5 – водяной насос; 6 – ТН; 7 – потребитель тепла

4.4 Схемы отбора тепла для системы воздушного отопления

Такие варианты основаны на использовании теплоты вентиляционных выбросов системы охлаждения трансформаторов и являются перспективными для ПС без обслуживающего персонала, а также закрытых ПС. Они сочетают в себе простоту конструкции и надежность, не требуют регулировки и какого-либо надзора [4], [8].

Схема подачи нагретого масла в теплообменник «масло - воздух», расположенный рядом с обогреваемым помещением. Нагретое масло из верхней части бака трансформатора при помощи масляного насоса подается в теплообменник «масло - воздух», установленный рядом с обогреваемым помещением. В теплообменнике масло отдает теплоту воздуху, который с помощью вентилятора подается в помещение.

Мощность отбора теплоты составляет 15-20 кВт. Температура воздуха в помещении зависит от температуры масла и температуры наружного воздуха. При отрицательных температурах наружного воздуха она находится в пределах от +5 до +9 °С. Установки могут использоваться на ПС 110 кВ на трансформаторах мощностью 16 и 25 МВА.

Схема отбора нагретого воздуха от радиаторов и подача его в обогреваемое помещение. Радиаторы трансформаторов мощностью 16-40 МВА оборудуются камерами и воздуховодами из изоляционных материалов. В нижней части камеры установлен вентилятор, нагнетающий воздух. Воздух при движении снизу вверх вдоль радиаторов нагревается и при помощи вентилятора подается по воздуховоду в помещение.

Мощность отбора теплоты составляет 15-20 кВт. Температура воздуха в помещении зависит от наружной температуры воздуха и нагрузки трансформатора.

Схема отбора нагретого воздуха от маслоохладителя и подача его в обогреваемое помещение. Типовые охладители крупных трансформаторов с системой охлаждения ДЦ оборудуются камерами и воздуховодами из изоляционных материалов. Нагретый воздух с помощью вентиляторов по воздуховоду подается в помещение. Система отопления может быть совмещена с вентиляцией. В теплое время года камеры демонтируются.

Данная схема аналогична схеме приведенной выше, но мощность отбора значительно больше и составляет 60-160 кВт. Температура воздуха в помещении 18-20 °С. Такой вариант может применяться на ПС 220 кВ на трансформаторах 160 МВА.

Схема подачи нагретой воды в теплообменник «вода – воздух», расположенный рядом с обогреваемым помещением. Если трансформаторы расположены далеко от здания ПС, то применение маслопроводов большой длины недопустимо вследствие малой надежности, а применение воздуховодов неэкономично. В этих случаях возле трансформатора устанавливают теплообменник «масло-вода». Вода, нагретая в таком теплообменнике, с помощью насоса подается по изолированным трубопроводам в теплообменник «вода - воздух», установленный непосредственно возле обогреваемого помещения. Нагретый в этом теплообменнике воздух подается по воздуховоду в помещение. Такой вариант может применяться на ПС 400 кВ на трансформаторах 250 МВА [13].

Выводы

Данная работа предусматривает, чтобы отводимое от силовых трансформаторов в окружающую среду тепло можно было рентабельно использовать для целей отопления и кондиционирования на трансформаторных подстанциях, но лишь в тех случаях, когда для этого предусмотрено оптимальное для каждого конкретного случая техническое решение с учетом внутренних и внешних факторов (например, потребность в нагрузках по отоплению и охлаждению, типа и коэффициента нагрузки трансформатора, удаленность потребителей тепла, стоимость электроэнергии, климатические условий и т. д.). Для того, чтобы правильно оценить влияние названных факторов, необходимы исследования по определению границ целесообразного использования каждой из рассмотренных выше схем утилизации тепла силовых масляных трансформаторов.

Рациональное использование тепла обусловленного потерями силовых трансформаторов, для покрытия тепловых нагрузок является одним из возможных путей экономии электроэнергии на собственные нужды подстанций. Экономический эффект при этом достигается за счет снижения доли электроэнергии используемой на покрытие тепловых нагрузок (а в ряде случаев также на охлаждение и обдув трансформаторов) в общем объеме электроэнергии расходуемой на собственные нужды подстанции.

Для решения вопроса о технико-экономической целесообразности снижения потерь и возможных размерах такого снижения необходимо принимать во внимание такие факторы как удаленность подстанции от источников централизованного теплоснабжения, соизмеримость потерь тепла трансформаторов с его потребностью и т.д., а также на конкретные условия производства и передачи электроэнергии, сложившиеся в рассматриваемом регионе

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Гусар Ф.Г. Шляхи використання скидного тепла силових трансформаторiв // Энергетика и электрификация, 1999. № 9. С. 38-40.
  2. Schwarz H.-D., Bell G. Nutzung der Transformatorenverlustwaerme (TVW) in 110-kV-Umspannwerken // Energietechnik, 1987. № 2. S 68-72.
  3. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.
  4. Воротницкий В.Э., Люблин А.С. Использование потерь силовых трансформаторов. – М.: ЭНАС, 1995. – 172 c.
  5. Eickenhorst H., Siefen H. Transformatoren heizen ein Buerogebaeude // ETA: Elektrowaerme techn. Ausbau, 1989. № 4. S 140-145.
  6. Швед П. и др. Утилизация тепловых потерь силовых трансформаторов с помощью тепловых насосов // Техническая электродинамика, 1993. № 5. С 47-49.
  7. Dittmann A. Trafoverlustwaermenutzung fuer die Waermeversorgung // Energietechnik, 1984. № 8. S 305-309.
  8. Domzalski Т. Wykorzystanie ciepla odpadowego transformatorow w Polnocnym Okregu Energetycznym // Еnergetyka, 1989. № 1. Str 1-6.
  9. Воротницкий В.Э., Стасюкинас А.В., Щегольков Е.Е. и др. Использование теплоты нагрева трансформаторов для снижения расхода электроэнергии на собственные нужды подстанций // Электрические станции. – 1989. – № 8. – С. 89–93.
  10. Копытов Ю.В., Чуланов Б.А. Экономия электроэнергии в промышленности: Справочник. - М.: Энергия, 1978 . - 120 с.
  11. Гольстрем В.А., Кузнецов Ю.Л. Справочник по экономии топливно-энергетических ресурсов. -К.: Техніка, 1985. - 383 с.
  12. Енергетичний менеджмент: навчальний посібник / Праховник А.В., Розен В.П., Розумовський О.В. та інші. – К.: Київ. нот. ф-ка, 1999.- 184 с.
  13. Справочник по электропотреблению в промышленности / под ред. Г.П.Минина, Ю.В.Копытова, - М.: Энергия, 1978. - 496 с.