Избор на трансформатори за фармацевтични заводи: Качество на електрозахранването в чисти стаи, хармоници и резервност N+1

Защо фармацевтичният завод поставя по-големи изисквания към трансформатора, отколкото изглежда

На еднолинейна схема фармацевтичната инсталация прилича на обикновена търговска сграда. Това не е вярно. Три неща променят цикъла на натоварване. Натоварването никога не спира — стерилната зона работи 24/7 при постоянна температура и налягане, така че трансформаторът работи при 60–75 % натоварване в продължение на години, а не в цикли. Почти всеки двигател е свързан към честотен преобразувател, включително подаващите и изтеглящите вентилатори, които осигуряват каскадното налягане в чистата стая. А натоварванията, които не са свързани към преобразуватели — системи за високо ефективна течностна хроматография (HPLC), масови спектрометри, лазерни броячи на частици — са точно онези натоварвания, които най-много зависят от изкривяването на напрежението.

Заводът за пълнене и опаковане, на който направихме оферта миналата година, използва сух трансформатор с мощност 1500 kVA, работещ при средно натоварване от 68 % и без сезонно облекчение. След 26 месеца индикаторът на температурата на намотките показваше стойност с 12 °C по-висока от проектната. Нищо не беше повредено. Просто уредът работеше при горната граница на своя термичен клас поради хармонични токове, циркулиращи в намотките, които не бяха предвидени в първоначалния график на натоварването.

 

Профилът на натоварването, който всъщност подавате

Разделете фармацевтичната инсталация на четири енергийни блока, за да се опрости изборът на трансформатора. Блокът за климатична инсталация в чисти стаи е най-големият: подаващи и изтеглящи вентилатори, HEPA филтрация, увлажняване и охладителната инсталация, която го обслужва. Типичен ISO 8 модул работи с 20–60 въздушни обмена на час, поради което климатичната инсталация често отговаря за 40–50 % от свързаната мощност. Блокът за производствени процеси включва автоклави, генератори на чиста пара, дестилатори за вода за инжекции (WFI) и CIP/SIP модули. Блокът за допълнителни услуги включва компресиран въздух, азот, охладители и инсталацията за производство на чиста вода. Лабораторният блок е малък по kW, но изисква значителна мощност за електронни компоненти.

Най-честата грешка при определяне на размерите, която забелязваме, е прилагането на плосък коефициент на разнообразие върху свързаната мощност. Графикът на електрическата мощност за фармацевтични цели не е списък на електродвигатели. Автоклавите работят циклично и могат да добавят 30–40 % от номиналната си мощност през цялото време на цикъла за нагряване. Дестилаторите за вода за инжекции (WFI) работят непрекъснато след пускането им в експлоатация. Вентилаторите за чисти стаи работят с частична скорост в продължение на години, а след това увеличават скоростта си, когато нарасне падът на налягането във филтрите. Определянето на размерите на инсталацията на базата от 80 % от свързаната мощност с резервна маржа от 25 % е защитима изходна точка — но само след като се вземат предвид хармонично изкривяване в частта от тази мощност, която се захранва чрез преобразователи.

 

Качество на електрическата енергия в чисти стаи: произход на хармониците

Шестимпулсният вход на честотен преобразувател (VFD) извлича характерен спектър на тока: 5-та хармоника е приблизително 20–25 % от основната честота, 7-ата — около 12–15 %, а по-високите хармоники (11-та и 13-та) имат все по-малка амплитуда; общото изкривяване на тока обикновено е в диапазона 25–35 % при входа на преобразувателя. Когато няколко такива преобразуватели споделят обща шина, трансформаторът пренася това изкривяване през намотките си и го предава на всички останали натоварвания, свързани към вторичната му страна.

От страна на напрежението IEEE 519 ограничава общото хармонично изкривяване на напрежението до 5 %, а всяка отделна хармоника – до 3 % за шина с номинално напрежение от 1 kV до 69 kV. За трансформатора сам по себе си има значение отговорът на три спецификации. Класификацията по K-фактор (K-13 или K-20) указва на производителя да проектира магнитното ядро и намотките за определен профил на хармоничния ток, без температурата в най-горещата точка да надвишава номиналната. Нулевият проводник с 200 % сечение предотвратява нулевия проводник да стане най-горещият проводник в системата, тъй като триплните хармоници се сумират аритметично, вместо да се компенсират. По-ниската проектна плътност на магнитния поток поддържа загубите в холост ход и слушаемия шум в рамките на граничните стойности, които чистото помещение до съседство може да понесе.

Това е частта, която повечето покупатели пропускат. Хармоничният ток не се посочва върху табелката с номиналната мощност в kVA, но се проявява като топлина. Устройство с номинална мощност 1500 kVA, което пренася 65 % линейно натоварване плюс 30 % хармоничен ток, може да работи по-горещо от пълно натоварено устройство със същата номинална мощност и линейно натоварване. Ако графикът на натоварването не включва спектър на хармониците, трансформатор за фармацевтични заводи е с размера на слепия — а първият симптом е предупреждение за виеща се температура два години по-късно.

Ако в момента работите върху подаване, нашият инженерен екип ще прегледа графика на натоварването заедно с вас, преди да сте се ангажирали с определена мощност. Изпратете ни го и ние ще изберем подходящата единица заедно с вас, а не вместо вас.

 

Резервиране: Какво всъщност променя N+1 в трансформаторната схема

В обикновена търговска сграда резервирането обикновено означава резервен прекъсвач. В фармацевтичен завод то е изискване за квалификация. Един N+1 редундантност трансформаторна схема обикновено означава две единици, всяка от които е способна да поеме цялото критично натоварване, със свързващ прекъсвач между две разпределителни табла, така че всеки трансформатор може да бъде изключен за поддръжка, без да се наруши каскадното налягане в чистото помещение.

Изчисляването на размерите протича в обратна посока спрямо това, което повечето хора очакват. Две единици по 1000 kVA в N+1 конфигурация не са взаимозаменяеми с една единица от 2000 kVA: всяка от тях трябва да поеме цялата товарна мощност при натоварване, което поддържа температурата на най-горещата точка в рамките на нейния термичен клас; това обикновено означава, че всяка единица се проектира при приблизително 60–70 % от общата товарна мощност, а не при 50 %. Ако критичният товар също съдържа 30 % хармонични компоненти, ефективният проектен резерв отново намалява.

Три практически детайла определят дали схемата ще работи в експлоатация: процентното съпротивление трябва да е съгласувано в рамките на ±7,5 %, за да не се генерира циркулиращ ток в свързващия прекъсвач; векторните групи и положенията на стъпките трябва да са идентични; и трябва да се вземе целенасочено решение дали свързващата линия е обикновено отворена или обикновено затворена. Последното решение променя номиналната стойност на късо съединение за всеки разпределителен табло по-нататък в веригата, затова то попада в обхвата на електротехническия консултант още преди единиците да бъдат пуснати в производство.

 

Избор на трансформатор за фармацевтични заводи: лити смола или VPI

Почти всяка електроразпределителна стая в чиста стая завършва с трансформатор сух тип и за добро основание: няма течност за съдържане, няма бетонирана камера и пожарната опасност е на ниво, което оценката на риска може да приеме. При трансформаторите сух тип изборът е между трансформатор от отливана смола изпълнение с лито смолно покритие и VPI. Литото смолно изпълнение е предпочтително при реални условия на висока влажност и периодично промиване — епоксидното покритие не се влияе от кондензацията по начина, по който това може да стане при намотки с пропитка — и когато клас А зона е непосредствено съседна, тъй като позволява по-високо повишаване на температурата при по-ниска пожарна опасност.

VPI-единиците обикновено са по-леки и по-евтини при еднаква kVA мощност, а конструкцията им с открити намотки е по-лесна за ремонт. За лабораторен блок или подстанция до склад, разположена далеч от стерилни зони, VPI често е разумният търговски избор. Долупосочената таблица е версията, която използваме заедно с клиентите.

Параметър	Лито смолно (чиста стая / стерилна зона)	VPI (лаборатория, инженерни системи, склад)
Система за изолация	Епоксидно покрити, клас H (180 °C)	Пропити, клас H, типично повишаване с 100 K
Граница на частични разряди	≤ 10 pC според IEC 60076-11	≤ 10 pC според IEC 60076-11
Влага и измиване	Не е засегнат от кондензация	Изисква сухо и проветрено помещение
Монтиране вътре в сградата	Може да се монтира в обвивката на сградата	Обикновено отделно проветрено помещение
Типичен път за ремонт	Замяна на намотката или на цялата единица	Повторно пропитване или замяна на цялата единица
Относителна цена при същата kVA	Базова линия	По-ниско

 

Документация и сертификация, които фармаудитите изискват

Aтрансформатор за фармацевтични заводи се набавя като квалифицирано оборудване, а не като стока, а документационният пакет е част от критериите за приемане. От страна на сертификацията, инсталация в Северна Америка изисква единица, сертифицирана според UL 1561 или UL 1562, а за канадските обекти — сертификация според CSA — същите марки, които вече присъстват върху нашите сухи трансформатори и трансформатори с наземно монтиране. UL Solutions публикува записите за сертифициране, а на табелката трябва да е посочен съответстващият номер на файла.

От гледна точка на ефективността, инсталация в САЩ трябва да отговаря на Стандартите за енергоспестяване на DOE за разпределителни трансформатори (10 CFR Part 431 Subpart K), които определят минималната ефективност според kVA и клас напрежение за сухи трансформатори. Практическото следствие за фарма проект е, че класът на ефективност трябва да бъде фиксиран още на етапа на заявката за цитиране (RFQ), тъй като той определя материала на сърцевината и следователно теглото, габаритите и времето за доставка.

След това идва процесната документация. Екипите за квалификация на обектите работят според Регулации на FDA за добри производствени практики (cGMP) за готови лекарствени продукти (Част 211 от Кодекса на федералните регулации, том 21) за оборудване, което влизат в контакт с околната среда на продукта, и ще поискат фабричния изпитателен доклад с рутинните изпитателни стойности, записа за частичен разряд, сертификатите за материали и проследим номер на серия. ISPE ръководството на ISPE и собственият план за валидация на всяка компания определят точно пакета, но фабриката трябва да е в състояние да го произведе на хартия, а не по заявка.

 

Това, което Ryan Electric изгражда за проекти в чисти стаи

Нашата производствена база обхваща 120 000 м² и разполага с повече от 180 единици производствено и изпитателно оборудване, както и с 37 патента. Всеки сух тип уред, предназначен за чиста стая, минава през рутинна изпитателна процедура, която включва измерване на съпротивлението на намотките, проверка на трансформационното отношение и векторната група, изпитване на устойчивостта при индуцирано напрежение и измерване на частични разряди в pC — стойността, която действително прочита екипът за квалификация в фармацевтичната индустрия. Намотките от леярски смола се произвеждат във вакуум в собствените ни цехове, така че изолационната система в готовия уред е точно тази, която е била изпитана, а не някаква външно изработена и неизвестна.

От 2023 г. Ryan Electric произвежда като партньор в съвместно предприятие с Eaton, поради което нашият документен пакет следва формата, която северноамериканските проектиращи екипи вече очакват да получат.

За работа в чисти помещения най-често изготвяме трансформатори с леяна смола с мощност между 1000 и 2500 kVA, с клас K-13 и неутрален проводник с 200 % пропускана способност, когато в документацията е посочено, че повече от 20 % от натоварването се захранва чрез инвертори. Преди да определим повишението на температурата, изискваме спектъра на хармониците и ще го съобщим, ако този спектър не поддържа предположеното от клиента натоварване.

Ако проектирате трансформатор за фармацевтични заводи — стерилна зона, лаборатория или линия за пълнене и завършване — изпратете ни графика на натоварването и съответните данни за хармониците, а не само kVA. Инженерният ни екип ще Ви предостави подходяща мощност на трансформатора, препоръчителна стойност на коефициента K и тестовата документация, която Вашата екип за квалификация ще поиска. Заявете оферта още днес.