Průvodce výběrem transformátoru pro cementárnu: Dimenzování pro starty mlýnů, harmonické složky a prach

Mlynářská stanice ve Západní Africe nás minulý čtvrtletí požádala o novou cenovou nabídku pro jednotku 8 MVA. Původní transformátor pro cementárnu byl objednán na základě stálého zatížení mlýnu a jedenáct měsíců způsoboval při každém startu surového mlýnu tak výrazné poklesy napětí na sběrnici, že spouštěč mlýnu neudržel zapnutí. Nikdo neprovedl měření zahřívacího zdánlivého výkonu (starting kVA). Všichni předpokládali, že problém je v transformátoru – nebo ještě horší, předpokládali, že problém není v transformátoru.

Cement je jedním z mála průmyslových odvětví, kde elektrické zatížení dominují jen několik velmi výkonných motorů, které se spouštějí za zátěže, běží po měsíce a nikdy se ve skutečnosti nepřeruší. A transformátor pro cementárnu v tomto provozním režimu plní dva úkoly současně: zajišťuje stálé zatížení po celý den a navíc absorbuje nárazový proud strojů, jejichž zdánlivý výkon při startu je několikanásobně vyšší než jejich vlastní jmenovitý výkon. Pokud se zmýlíte v kterékoli části tohoto vztahu, selhání se projeví až při uvedení do provozu, nikoli během továrních zkoušek.

 

 

 

Jak profil zatížení cementárny ovlivňuje standardní specifikaci

Moderní cementárna spotřebuje přibližně 110 až 120 kWh elektrické energie na tunu cementu a elektrické motory tvoří většinu této hodnoty – podle odhadů odborníků připadá na motory 65 až 75 procent celkové spotřeby elektřiny v továrně. Nejtěžší část tohoto zatížení spočívá v komínování: surovinný mlýn, cementový mlýn a u novějších linky také válcový lis, každý poháněn hlavním motorem o výkonu 3 až 6 MW.

Strana poptávky souhlasí. Studie amerického ministerstva energetiky o spotřebě elektřiny v cementárnách identifikuje velké mlecí mlýny jako největší jednotlivé elektrické zátěže na místě a uvádí, že tyto závody obvykle běží nepřetržitě po dobu několika měsíců mezi vypnutími. Obě tyto číselné údaje jsou důležité pro specifikaci: závod bez denního cyklu zátěže má po dlouhou dobu koeficient zatížení 0,8 až 0,9 jmenovitého výkonu, což je jiný tepelný případ než u průmyslového závodu s dvakrát denním maximem. Kontext na úrovni odvětví je sledován na Stránce IEA pro cementové odvětví , a základní údaje o závodech pocházejí ze Studie LBNL/DOE pro cementářský průmysl .

Tři specifikační veličiny jsou v projektech pro cementárnách nedostatečně specifikovány častěji než jakékoli jiné: zdvihová zdánlivá síla (kVA) motorů mlýnů, harmonický obsah od pohonů mlýnů a skutečné okolní podmínky a prašnost na místě. Zbytek tohoto průvodce se zabývá každou z nich v pořadí, ve kterém obvykle způsobují potíže.

 

Dimenzování podle startu motorů mlýnů, nikoli podle provozního výkonu v kW

Běžná žádost o cenovou nabídku přichází s uvedeným připojeným zatížením v kW a požadavkem na „transformátor vhodného typu“. To však není dostatečné množství informací pro určení velikosti transformátor pro cementárnu . Počáteční kVA určuje pokles napětí a počáteční kVA je dáno proudem při zablokovaném rotoru, nikoli provozním výkonem.

Uvažujme surový mlýnový motor o výkonu 4 MW, napětí 6,6 kV, jehož proud při zablokovaném rotoru činí šestinásobek jmenovitého proudu, účinnost je 0,94 a účiník 0,90. Jmenovité kVA motoru činí přibližně 4,7 MVA, takže počáteční kVA dosahuje hodnoty kolem 28 MVA – tedy přibližně šestinásobku jmenovité zdánlivého výkonu motoru. Následný pokles napětí na sběrnici lze přibližně vypočítat jako (počáteční kVA × impedance transformátoru v %) ÷ jmenovitý výkon transformátoru. Pokud zanedbáme impedanci napájecí sítě – což je platné pouze při tuhém napájení ze strany distribuční soustavy – vypadá výpočet následovně:

Jmenovitý výkon transformátoru	Impedance	Přibližný pokles napětí na sběrnici při startu mlýnového motoru 28 MVA	Praktické závěry
6 MVA	7.5%	35%	Spouštěč mlýnu se nezachytí; ochrana motoru vyklopí
10 MVA	7.5%	21%	Hraniční případ – vyžaduje snížené napětí nebo měkký start
16 MVA	8.0%	14%	Funkční na pevném zdroji; zkontrolujte úroveň poruchového proudu v horním směru
20 MVA	8.0%	11%	Pohodlný start, ale potvrďte odolnost proti zkratu

 

Dimenzování transformátoru na cementárně proto začíná ze seznamu motorů, nikoli z celkového připojeného zatížení. Tyto údaje předpokládají, že jediným velkým motorem, který se rozbíhá, je mlýn, a že zdroj je dostatečně silný na to, aby byl zanedbán. V praxi však slabý dodavatelský napájecí zdroj omezuje pokles napětí bez ohledu na velikost transformátoru, a řešením se tak stává měkký startér, frekvenční měnič nebo studie rozběhu motoru, nikoli větší transformátor olejový transformátor .Pokles napětí při rozběhu motoru, proud zablokovaného rotoru a impedance jsou podrobněji rozebrány v našem průvodci rozběhem motorů.

 

Harmonické složky: Proč obvykle specifikace vhodná pro pohony končí napůl

Většina cementáren postavených nebo modernizovaných v poslední dekádě provozuje své mlýny a ventilátory prostřednictvím frekvenčních měničů; šestipulzní měnič odebírá proudový průběh bohatý na páté a sedmé harmonické složky ještě před jakýmkoli filtrováním. Tyto proudy mají dva účinky: zkreslují napětí na rozvodeně továrny a vyvolávají dodatečné ztráty vířivými proudy uvnitř vinutí transformátoru, které se projevují jako lokální horká místa, nikoli jako nárůst teploty, který by ukázal teploměr oleje. Důsledek pro transformátor pro cementárnu je, že teplota horkého místa vinutí, nikoli teplota oleje na povrchu, se stává rozhodujícím omezením.

IEEE 519 stanovuje meze harmonických proudů měřené v bodě společného připojení; u poměrů zkratového výkonu, které se obvykle vyskytují na rozvodeně továrny, leží celková mez zkreslení požadovaného proudu v jednom čísle – proto kontrola souladu s normou prostřednictvím měření, nikoli deklarované hodnoty K-úrovně, je tím, co požaduje revize připojení k distribuční síti. harmonické složky frekvenčních měničů jsou proto součástí technické specifikace, nikoli problémem vznikajícím později v řetězci.

Transformátory s koeficientem K jsou navrženy právě pro tento typ zatížení a jsou standardním řešením tam, kde harmonické složky frekvenčních měničů jsou přítomny většími množstvími. Číslo koeficientu K je součet, přes všechny harmonické řády, druhých mocnin poměrných harmonických proudů vynásobených druhou mocninou jejich řádu: 25% páté harmonické přispívá samostatně k ztrátám vířivými proudy o 0,25² × 5² = 6,25 na jednotku. Jednotky K-4, K-9 a K-13 jsou konstruovány tak, aby ztráty vinutí i jádra zůstaly v rámci návrhové teplotní gradienty při daném spektru a označení je definováno ve standardu UL pro suché transformátory.

U velkých olejový transformátor jednotek nestačí pouze udání koeficientu K. Teplotní otázku řeší snížení jmenovitého výkonu jednotky podle skutečného harmonického spektra, jak je popsáno v normě IEEE C57.110, a požadavek na dodavatele, aby předložil výpočty harmonických ztrát místo pouhého přípony na typovém štítku. Pokud je spektrum extrémní, častěji se ukazuje jako cenově výhodnější inženýrské řešení na straně napájení: dvanáctipulzní uspořádání, aktivní vstupní obvod nebo banka netlumených filtrů na sběrnici pohonu.

 

Prach, teplo a chlazení: podmínky na stavbě, které rozhodují o krytu

Zvýšení teploty transformátoru je v běžné normě IEC 60076 stanoveno vzhledem k maximální okolní teplotě 40 °C. Cementárny v oblasti Zálivu, Sahelu a částech Jižní Asie se běžně nacházejí při teplotě ve stínu 45 až 50 °C, přičemž tepelné záření z pecních plášťů a předehřívačových věží zvyšuje místní tepelné zatížení. Při teplotách nad referenční okolní teplotu musí být výkon jednotky snížen nebo musí být jednotka objednána s nižším návrhovým teplotním spádem – stejný výkon pak prostě běží za vyšší teploty a stárne rychleji.

Prach tvoří druhou polovinu problému a je to nejprve problém chlazení, než problém čistoty. Prach z cementu a suroviny je jemný, alkalický a mírně vodivý po nasátí vlhkosti, takže zkratuje izolační vzdálenosti kolem průchodových izolátorů a svorkovnic. Zároveň zaplňuje mezery v žebrovaných stěnách nádrží a chladičových lamelách, což je místo, kde se významná olejový transformátor vyzařuje většinu tepla. Jednotka s nuceným chlazením s ucpanými filtry zcela ztrácí své hodnocení pro nucené chlazení a v okamžiku, kdy je provozovna zatížena nejvíce, se vrátí ke svému hodnocení pro samochlazení.

Co to znamená ve fázi specifikace: širší rozestupy mezi žebry nebo chladiči v prachových lokalitách, uzavřené skříně pro ukončení kabelů s ochranou IP54 nebo vyšší, těsnění a manžety odolné vůči alkalickému prachu a indikace rozdílového tlaku u jakékoli jednotky s nuceným chlazením, aby servisní tým mohl sledovat zanesení filtrů ještě před tím, než dojde ke ztrátě výkonu. Pokud je suchý transformátor použit v uzavřeném prostoru pro motorové řídicí centrum (MCC), výběr skříně sleduje stejnou logiku – filtr, těsnění a plánování intervalů čištění. Transformátory určené pro horká a prachová místa dodržují srovnatelnou sadu pravidel.

 

Certifikace a zkušební dokumentace požadovaná na FAT

U severoamerických cementářských projektů je otázka certifikace vyřešena dříve než otázka výkonu, protože inspektor přichází se seznamem. Kapalinou chlazené a suché transformátory musí mít označení vhodné pro jejich kategorii; kanadské lokality vyžadují značky CSA nebo uznávaný ekvivalent, zatímco trhy podléhající normám IEC jsou pokryty normou IEC 60076, přičemž pro suché transformátory platí IEC 60076-11. Obecné požadavky a zkušební metody pro kapalinou chlazené transformátory jsou stanoveny v normách IEEE C57.12.00 a IEEE C57.12.90.

Mimo toho, zda bude projekt výroby cementu úspěšně uveden do provozu v plánovaném termínu, rozhoduje tovární přijímací zkouška. Základním souborem zkoušek jsou poměr převodu, polarita, odpor vinutí, ztráty naprázdno, ztráty pod zátěží, impedance, přiložené a indukované napětí, teplotní nárůst a impulzní zkouška jako typové zkoušky. Dvě další zkoušky stojí za navýšení doby v testovací komoře o jeden den: měřená zpráva o teplotním nárůstu vázaná na skutečnou teplotu okolního prostředí na stavbě místo obecného údaje pro 40 °C a analýza frekvenční odezvy (SFRA) provedená před expedicí, aby bylo možné jakékoli poškození při přepravě detekovat porovnáním na stavbě, nikoli diskutovat o něm.

 

Jak vyrábíme a testujeme transformátory pro provoz v cementárnách

Společnost Ryan Electric vyrábí distribuční a silové transformátory od roku 2007 na výrobní ploše o rozloze 120 000 m², kde je k dispozici více než 180 sad výrobního a zkušebního zařízení a která drží 37 patentů; od roku 2023 navíc působí ve společném podniku s Eatonem. Transformátory pro provoz v cementárnách se vyrábějí na stejných linkách jako naše transformátory pro energetické sítě a datová centra, v obou olejový transformátor a suchy typ konstrukce.

 

 

U cementářských projektů měříme ztráty v chodu bez zátěže i pod zátěží u každého jednotlivého transformátoru místo uvádění návrhových hodnot a harmonické ztráty považujeme za výpočet specifický pro každý projekt, který je určen rozpisem pohonů zákazníka. Prvním dokumentem, o který naši aplikacní inženýři žádají, není specifikace transformátoru, nýbrž seznam pohonů – kolik jich je, jaké mají počty pulsů a zda je v obvodu válcovací mlýn – protože tento dokument rozhoduje o hodnotě koeficientu K, třídě impedance a chlazení, a to v tomto pořadí.

Dalším zvykem, který šetří týdny při uvedení do provozu, je balení. Cementárna se obvykle nachází ve vnitrozemí, což znamená dopravu po silnici nebo železnici za přístavem, a proto jsou jednotky upevněny proti nárazům při pozemní dopravě, u větších výkonů je olej dodáván v uzavřených barelích a otisk SFRA je součástí zkušebního protokolu, aby měl tým na stavbě referenční hodnotu pro porovnání.

 

Objednávání v souladu s oknem vypnutí pecí

Cementárna se nezastaví kvůli transformátoru. Zastaví se kvůli výpadku a datum výpadku je pevně stanoveno kampaní pecí, proto musí časovač nákupu běžet zpět od tohoto data, nikoli dopředu od objednávky. dimenzování transformátoru plánování dodací lhůty patří také na tento časovač.

Pošlete nám jednořádkový schéma, seznam pohonů, okolní podmínky na místě a datum výpadku a my Vám zašleme hodnocení, třídu impedance, uspořádání chlazení a termín. Kontaktujte náš tým pro aplikace na e-mailu [email protected] nebo telefonicky na čísle +86-15371760308 a my zpracujeme startovní a harmonické údaje na základě Vašeho skutečného seznamu motorů.

O autorovi: Tento průvodce připravil tým aplikovaného inženýrství společnosti Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd. (Ryan Transformers), která od roku 2007 navrhuje a vyrábí olejové a suché transformátory pro průmyslové zákazníky, veřejné služby a datová centra. Konkrétní otázky týkající se rozběhu výrobních zařízení, snížení výkonu kvůli harmonickým složkám nebo snížení výkonu kvůli okolní teplotě na místě odpovídá přímo inženýrský tým na adrese [email protected].