Ръководство за избор на трансформатори за циментови заводи: Определяне на мощността за стартиране на мелниците, хармоници и прах

Мелнична станция в Западна Африка ни помоли миналата четвъртина да преизчислим оферта за 8 МВА единица. Първоначалната трансформаторна единица за циментов завод беше поръчана според работната натовареност на мелницата и в продължение на единадесет месеца при всеки старт на суровинна мелница напрежението на шината намаляваше толкова силно, че стартерът на мелницата отказваше да се задържи. Никой не беше измервал пусковата kVA. Всички бяха предполагали, че проблемът е в трансформатора — или още по-лошо, че изобщо няма проблем.

Циментът е една от малкото индустрии, където електрическото натоварване се определя от няколко много големи двигателя, които стартират под натоварване, работят в продължение на месеци и никога истински не почиват. Един трансформаторна единица за циментов завод трансформатор в такава експлоатационна схема изпълнява едновременно две функции: пренася постоянна натовареност през цялото денонощие и поема пусковия ток на машини, чиято пускова пълна мощност е няколко пъти по-голяма от собствената му номинална мощност. Ако се допусне грешка в която и да е от тези две компоненти, повредата се проявява по време на пускане в експлоатация, а не по време на фабричните изпитания.

 

 

 

Какъв ефект оказва профилът на натоварването на циментовата фабрика върху стандартната спецификация

Съвременната циментова фабрика потребява приблизително 110–120 kWh електрическа енергия на тон цимент, като електродвигателите представляват значителна част от този показател — според индустриални оценки те използват 65–75 % от цялата електроенергия на фабриката. Най-тежката част от това натоварване се намира в процеса на дробене: суровинния мелниц, циментовата мелница и, при по-новите линии, ролер прес, като всеки от тях се задвижва от основен двигател с мощност между 3 и 6 MW.

Страната на търсенето се съгласява. Проучването на Министерството на енергетиката на САЩ относно електроенергийната употреба в циментови заводи определя големите мелнични агрегати като най-големите отделни електрически натоварвания на обекта и отбелязва, че тези заводи обикновено работят непрекъснато в продължение на месеци между спиранията. И двете цифри имат значение за техническата спецификация: завод без дневен цикъл на натоварване има коефициент на натоварване от 0,8 до 0,9 от номиналната мощност в продължение на дълги периоди, което представлява различен термичен случай в сравнение с промишлен завод, който достига два пика на натоварване всеки ден. Контекстът на сектора се следи на Страницата на МЕА за циментовия сектор , а основните данни за обектите са взети от Проучването на LBNL/DOE за циментовата индустрия .

Три величини, свързани с техническата спецификация, често се подценяват при проектирането на циментови заводи по-често от всички останали: kVA при стартиране на двигателите, хармоничното съдържание от мелничните задвижвания и реалните атмосферни и прашни условия на обекта. Останалата част от настоящото ръководство разглежда всяка от тях в реда, в който обикновено предизвикват проблеми.

 

Размери, изчислени спрямо стартирането на мелничните двигатели, а не спрямо активната мощност при работа

Обикновеното искане за оферта пристига със свързана мощност в kW и молба за "трансформатор, подходящ за целта". Това не е достатъчно информация, за да се определи размерът на трансформатора. трансформаторна единица за циментов завод пусковата kVA определя спада на напрежението, а пусковата kVA се определя от тока при заключен ротор, а не от работната мощност.

Вземете 4 MW, 6,6 kV двигател за суровинна мелница с ток при заключен ротор, равен на шест пъти номиналния ток, КПД 0,94 и коефициент на мощността 0,90. Номиналната kVA на двигателя е около 4,7 MVA, така че пусковата kVA достига около 28 MVA — приблизително шест пъти номиналната пълна мощност на двигателя. Последващият спад на напрежението в разпределителната шина може да се изчисли приблизително като (пускова kVA × процентно съпротивление на трансформатора) ÷ номинална мощност на трансформатора. Ако пренебрегнем импеданса на захранването — което е валидно само при стабилно електрозахранване от мрежата — изчислението изглежда по следния начин:

Номинална мощност на трансформатора	Импеданс	Приблизителен спад на напрежението в шината при пускане на мелницата с 28 MVA	Практически резултат
6 MVA	7.5%	35%	Стартерът на мелницата няма да задържи положението; защитата на двигателя се активира
10 MVA	7.5%	21%	Граничен случай — изисква стартиране с намалено напрежение или меко стартиране
16 MVA	8.0%	14%	Работи при стабилен източник; проверете нивото на аварийния ток в горната част на веригата
20 MVA	8.0%	11%	Удобно стартиране, но потвърдете устойчивостта при късо съединение

 

Оразмеряването на трансформатора за циментов обект започва от списъка с електродвигатели, а не от общата свързана мощност. Тези цифри предполагат, че мелницата е единственият голям електродвигател, който стартира, и че източникът е достатъчно силен, за да се пренебрегне. На практика слаба електрозахранваща мрежа ограничава спада на напрежението независимо от големината на трансформатора, и решението става мек стартер, честотен преобразувател или проучване на стартирането на електродвигателите, а не по-голям трансформатор маслен трансформатор .Спад на напрежението при стартиране на електродвигател, ток при заключено роторно положение и импеданс се разглеждат по-подробно в нашето ръководство за стартиране на електродвигатели.

 

Хармоници: Защо спецификацията, подходяща за преобразуватели, обикновено спира на средата

Повечето циментови линии, построени или модернизирани през последното десетилетие, управляват мелниците и вентилаторите си чрез преобразователи на честотата, а шестимпулсният преобразовател извлича токова форма на вълна, богата на пети и седми хармоници, преди каквото и да е филтриране. Тези токове правят две неща: те изкривяват напрежението в разпределителната шина на завода и пораждат допълнителни загуби от вихрови токове в намотките на трансформатора, които се проявяват като локални горещи точки, а не като повишаване на температурата, което би показал термометърът за маслото. Последствието за трансформаторна единица за циментов завод е, че горещата точка в намотките, а не температурата на горната част на маслото, става ограничаващото условие.

IEEE 519 определя граничните стойности за хармоничните токове, измерени в точката на обща връзка, а при краткотрайните съотношения на късо съединение, типични за разпределителната шина на завода, общият процент на изкривяване на тока попада в едноцифрения диапазон — затова проверката на съответствието чрез измерване, а не декларираната K-степен, е това, което ще поискат при прегледа на интерконекта с електрическата мрежа. хармониците от преобразователите на честотата са следователно входен параметър за спецификацията, а не проблем, възникващ по-нататък в системата.

Трансформаторите с коефициент K са проектирани точно за такова натоварване и са стандартното решение там, където хармониците от преобразователите на честотата са налични в голямо количество. Числото K е сумата, по хармонични редове, от квадрата на относителния хармоничен ток, умножен по квадрата на реда му: 25-процентов пети хармоник допринася 0,25² × 5² = 6,25 относителни единици вихрови загуби само от себе си. Устройствата K-4, K-9 и K-13 са изработени така, че загубите в намотките и сърцевината да остават в рамките на проектния градиент при този спектър, а маркировката е определена в стандарта UL за сухи трансформатори.

За големи маслен трансформатор устройства самият клас K не е цялостното решение. Топлинният въпрос се решава чрез намаляване на номиналната мощност на устройството според действителния хармоничен спектър — това е описано в IEEE C57.110 — и чрез поискване от доставчика да представи изчисления на хармоничните загуби, а не просто суфикс на табелката. Когато спектърът е тежък, по-икономичното инженерно решение често е на по-горен етап: дванадесетимпулсна конфигурация, активен входен елемент или детунирана филтрираща банка върху шината на преобразувателя.

 

Прах, топлина и охлаждане: условията на обекта, които определят конструкцията на корпуса

Нарастването на температурата на трансформатора се задава спрямо максимална външна температура от 40 °C в обичайната база IEC 60076. Циментовите заводи в Залива, Сахел и части от Южна Азия редовно работят при сянка с температура от 45 до 50 °C, като топлинното излъчване от пещните корпуси и кулите на предгряващите уреди допълнително увеличава локалната топлинна натовареност. При температури над референтната външна температура единицата трябва да бъде намалена по мощност или да се поръча с по-нисък проектен температурен градиент — същата номинална мощност просто ще работи при по-висока температура и ще остарява по-бързо.

Прахът е втората част от проблема и първо представлява проблем за охлаждането, преди да стане проблем за чистотата. Циментът и суровата смес са фини, алкални и слабо проводими след абсорбиране на влага, поради което образуват токови мостове по повърхностните разстояния около изолационните втулки и клемните кутии. Освен това прахът запълва зазорите в ребрести резервоарни стени и фина на радиаторите, където се отвежда значителна част от топлината маслен трансформатор отделя повечето си топлина. Принудително охлаждано устройство с запушените филтри губи напълно своята принудителна класификация и преминава към своята класификация за самостоятелно охлаждане точно в момента, когато централата работи с най-голяма мощност.

Какво означава това на етапа на спецификациите: по-широко разстояние между ребрата или радиаторите там, където обектът е изложен на силно прашни условия, корпуси за окончания със степен на защита IP54 или по-висока, уплътнения и прокладки, одобрени за алкална прах, както и индикация на поддържана диференциална налягане за всяка принудително охлаждана банка, за да може екипът за поддръжка да наблюдава натоварването на филтрите преди то да доведе до загуба на мощност. Когато сух тип трансформатор се използва вътре в стая за моторни контролни центрове (MCC), изборът на корпус следва същата логика — филтър, уплътнение и планиране на интервала за почистване. Трансформатори, специфицирани за горещи и прашни обекти следват съпоставим набор от правила.

 

Сертификация и тестови доказателства, които трябва да се поискат при фабричното приемно изпитание (FAT)

За циментовите проекти в Северна Америка въпросът за сертифицирането се решава преди въпроса за изпълнението, тъй като инспекторът пристига със списък. Течностно охладените и сухотипните трансформатори трябва да имат одобрение, подходящо за съответната им категория; канадските обекти изискват маркировки CSA или признат еквивалент, а пазарите според IEC са регулирани от IEC 60076, като IEC 60076-11 се отнася за сухотипните трансформатори. Общите изисквания и методи за изпитване на течностно охладените трансформатори са определени в IEEE C57.12.00 и IEEE C57.12.90.

Над този етап фабричният тест за приемане е моментът, в който един циментов проект печели или губи графика си за пускане в експлоатация. Основните параметри за изпитване са: съотношение, полярност, съпротивление на намотките, загуби при празен ход, загуби при натоварване, импеданс, приложено и индуцирано напрежение, както и повишаване на температурата и импулсното изпитване като типови изпитания. Две допълнителни измервания заслужават допълнителния ден в изпитателната зала: доклад за измерено повишаване на температурата, свързан с действителната амбиентна температура на обекта (а не с общоприетата стойност от 40 °C), и анализ на честотната отговорност (SFRA), извършен преди изпращането, за да може евентуалното щети по време на транспортиране да се установят чрез сравнение на място, а не да се оспорват.

 

Как проектираме и изпитваме трансформатори за циментова употреба

Ryan Electric произвежда разпределителни и силови трансформатори от 2007 г. насам от производствена база с площ 120 000 m², оборудвана с над 180 комплекта производствено и изпитателно оборудване и притежаваща 37 патента; от 2023 г. компанията поддържа съвместно предприятие с Eaton. Трансформаторите за циментова употреба се произвеждат на същите линии като тези за електроенергийни мрежи и центрове за обработка на данни, както в двете маслен трансформатор и сух тип конструкция.

 

 

При циментовите проекти измерваме загубите при празен ход и при натоварване за всеки агрегат, вместо да цитираме проектните стойности, и третираме резерва за хармонични загуби като изчисление за всеки отделен проект, което се определя от график на работата на двигателите на клиента. Първият документ, който нашите инженери по приложение поискват, не е спецификацията на трансформатора, а списъкът на двигателите — колко са двигателите, какъв е техният брой импулси и дали в веригата има ролкова мелница — защото този документ определя коефициента K, класа импеданс и охлаждането, точно в този ред.

Другата привичка, която спестява седмици при пускането в експлоатация, е опаковането. Циментовата фабрика обикновено е във вътрешността на страната, което означава транспортиране по път или по желязна линия след пристанището, затова агрегатите са закрепени така, че да издържат ударите при наземен транспорт, маслото се доставя в запечатани барабани за по-големите мощности, а SFRA-отпечатъкът се предава заедно с изпитателния протокол, за да има екипът на площадката базова референтна стойност за сравнение.

 

Поръчване около прозореца за спиране на пещта

Цементната фабрика не спира заради трансформатора. Тя спира заради планово спиране, а датата на спирането се определя от кампанията на пещта, затова срокът за поръчка трябва да се изчислява назад от тази дата, а не напред от датата на поръчката. оразмеряване на трансформатора и планирането на водещото време също принадлежат към този срок.

Изпратете ни еднолинейната схема, списъка с двигателите, условията на мястото и датата на спирането, и ние ще ви предоставим номинална мощност, клас импеданс, конфигурация на охлаждането и дата. Свържете се с нашия екип за инженерно приложение на [email protected] или +86-15371760308 и ние ще изчислим стартовите и хармоничните параметри спрямо вашия действителен списък с двигатели.

За автора: Това ръководство е подготвено от екипа по приложно инженерство на Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd. (Ryan Transformers), който проектира и произвежда трансформатори с маслено охлаждане и сухи трансформатори за промишлени, енергийни и центрове за обработка на данни клиенти от 2007 г. Въпроси, свързани конкретно с проекта, като стартиране на мелница, намаляване на мощността поради хармоници или намаляване на мощността поради температурата на мястото, се отговарят директно от инженерния екип на [email protected].