Οδηγός Επιλογής Μετασχηματιστών για Εργοστάσια Τσιμέντου: Υπολογισμός Ισχύος για Εκκινήσεις Λιθοτριβείων, Αρμονικές και Σκόνη

Ένας σταθμός λείανσης στη Δυτική Αφρική μας ζήτησε να επαναϋπολογίσουμε την τιμή ενός μονάδας 8 MVA το περασμένο τρίμηνο. Η αρχική μετασχηματιστική μονάδα εργοστασίου τσιμέντου είχε παραγγελθεί βάσει του συνεχούς φορτίου του μύλου, και για έντεκα μήνες είχε προκαλεί μείωση της τάσης της γραμμής σε τέτοιο βαθμό κατά την εκκίνηση κάθε μύλου πρώτων υλών, ώστε ο εκκινητής του μύλου να αρνείται να παραμείνει ενεργοποιημένος. Κανείς δεν είχε μετρήσει την εκκινητική φαινόμενη ισχύ σε kVA. Όλοι είχαν υποθέσει ότι η μετασχηματιστική μονάδα ήταν το πρόβλημα — ή, χειρότερα, είχαν υποθέσει ότι δεν ήταν.

Το τσιμέντο είναι μία από τις λίγες βιομηχανίες όπου το ηλεκτρικό φορτίο κυριαρχείται από έναν μικρό αριθμό πολύ μεγάλων κινητήρων που εκκινούν υπό φορτίο, λειτουργούν για μήνες και δεν σταματούν πραγματικά ποτέ. Μία μετασχηματιστική μονάδα εργοστασίου τσιμέντου μετασχηματιστική μονάδα σε αυτό το είδος λειτουργίας εκτελεί δύο καθήκοντα ταυτόχρονα: μεταφέρει ένα σταθερό φορτίο 24 ωρών την ημέρα και απορροφά την εκκινητική ρεύματος ένταση μηχανημάτων των οποίων η εκκινητική φαινόμενη ισχύς είναι πολλαπλάσια της ισχύος της ίδιας. Αν κάνετε λάθος σε οποιοδήποτε από τα δύο μέρη αυτής της εξίσωσης, η αποτυχία εμφανίζεται κατά την εκκίνηση του συστήματος, όχι κατά τη δοκιμή στο εργοστάσιο.

 

 

 

Τι κάνει το προφίλ φορτίου ενός εργοστασίου τσιμέντου σε μία τυποποιημένη προδιαγραφή

Ένα σύγχρονο εργοστάσιο τσιμέντου καταναλώνει περίπου 110 έως 120 kWh ηλεκτρικής ενέργειας ανά τόνο τσιμέντου, και οι ηλεκτρικοί κινητήρες αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος αυτού του αριθμού — αξιολογήσεις του κλάδου εκτιμούν ότι το φορτίο των κινητήρων αντιστοιχεί σε 65 έως 75 τοις εκατό της συνολικής κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας του εργοστασίου. Το μεγαλύτερο μέρος αυτού του φορτίου βρίσκεται στη διάλυση: η μύλος πρώτων υλών, η μύλος τσιμέντου και, σε πιο πρόσφατες γραμμές, μία ρολερ πρέσα, με καθεμία να κινείται από κύριο κινητήρα ισχύος 3 έως 6 MW.

Η πλευρά της ζήτησης συμφωνεί. Η μελέτη του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ για την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας στα εργοστάσια τσιμέντου αναγνωρίζει τους μεγάλους μύλους για την άλεση ως τα μεγαλύτερα μεμονωμένα ηλεκτρικά φορτία στον χώρο, και σημειώνει ότι αυτά τα εργοστάσια λειτουργούν συνήθως συνεχώς για μήνες μεταξύ των στάσεων. Και οι δύο αυτοί αριθμοί είναι σημαντικοί για την προδιαγραφή: ένα εργοστάσιο χωρίς καθημερινό κύκλο φορτίου έχει συντελεστή φορτίου 0,8 έως 0,9 της ονομαστικής ισχύος του για μεγάλα χρονικά διαστήματα, κάτι που αποτελεί διαφορετικό θερμικό πρόβλημα από ένα βιομηχανικό εργοστάσιο που φτάνει σε αιχμή δύο φορές την ημέρα. Ο τομεακός πλαίσιος παρακολουθείται στη σελίδα του IEA για τον τομέα τσιμέντου. IEA cement sector page , και τα υποκείμενα δεδομένα του εργοστασίου προέρχονται από τη μελέτη της βιομηχανίας τσιμέντου του LBNL/DOE Μελέτη της βιομηχανίας τσιμέντου του LBNL/DOE .

Τρεις ποσότητες προδιαγραφών καθορίζονται συχνότερα από οποιεσδήποτε άλλες σε έργα τσιμέντου: η kVA εκκίνησης των κινητήρων, το περιεχόμενο αρμονικών από τους κινητήρες των μύλων και οι πραγματικές αμφιβάλλουσες συνθήκες περιβάλλοντος και σκόνης του χώρου. Το υπόλοιπο του παρόντος οδηγού αναλύει καθεμία από αυτές με τη σειρά που συνήθως προκαλούν προβλήματα.

 

Διαστασιολόγηση με βάση την εκκίνηση των κινητήρων των μύλων, όχι με βάση την κατανάλωση kW κατά τη λειτουργία

Η συνήθης πρόσκληση για υποβολή προσφοράς φθάνει με το συνδεδεμένο φορτίο σε kW και με το αίτημα «ένας μετασχηματιστής κατάλληλος». Αυτή η πληροφορία δεν είναι επαρκής για τη διαστασιολόγηση ενός μετασχηματιστική μονάδα εργοστασίου τσιμέντου . Η kVA εκκίνησης καθορίζει την πτώση τάσης, και η kVA εκκίνησης καθορίζεται από το ρεύμα κλειστού δρομέα, όχι από την ισχύ λειτουργίας.

Πάρτε έναν κινητήρα μύλου χωρίς επεξεργασία ισχύος 4 MW, τάσης 6,6 kV, με ρεύμα ακινησίας ίσο με έξι φορές το ρεύμα ονομαστικής φόρτισης, απόδοση 0,94 και συντελεστή ισχύος 0,90. Η ονομαστική φαινόμενη ισχύς του κινητήρα είναι περίπου 4,7 MVA, οπότε η φαινόμενη ισχύς εκκίνησης φτάνει περίπου στα 28 MVA — δηλαδή περίπου έξι φορές την ονομαστική φαινόμενη ισχύ του κινητήρα. Η πτώση τάσης στον αγωγό που ακολουθεί μπορεί να προσεγγιστεί ως (φαινόμενη ισχύς εκκίνησης × ποσοστό αντίστασης μετασχηματιστή) ÷ ονομαστική ισχύς μετασχηματιστή. Αγνοώντας την αντίσταση της πηγής τροφοδοσίας — πράγμα που είναι έγκυρο μόνο σε μια σταθερή παροχή από το δίκτυο — οι αριθμητικοί υπολογισμοί είναι οι εξής:

Ονομαστική ισχύς μετασχηματιστή	Αντίσταση	Προσεγγιστική πτώση τάσης στον αγωγό κατά την εκκίνηση μύλου 28 MVA	Πρακτική ερμηνεία
6 MVA	7.5%	35%	Ο εκκινητής μύλου δεν θα παραμείνει ενεργοποιημένος· η προστασία του κινητήρα θα ενεργοποιηθεί
10 MVA	7.5%	21%	Οριακή περίπτωση — απαιτείται εκκίνηση με μειωμένη τάση ή μαλακή εκκίνηση
16 MVA	8.0%	14%	Εφικτή σε σταθερή πηγή· ελέγξτε το επίπεδο βραχυκυκλωματικού ρεύματος στο ανώτερο τμήμα του δικτύου
20 MVA	8.0%	11%	Άνετη εκκίνηση, αλλά επιβεβαιώστε την ανοχή σε βραχυκύκλωμα

 

Η διάσταση του μετασχηματιστή σε ένα εργοτάξιο τσιμέντου ξεκινά επομένως από τον κατάλογο των κινητήρων, αντί για το συνολικό συνδεδεμένο φορτίο. Αυτά τα στοιχεία υποθέτουν ότι η μύλος είναι ο μοναδικός μεγάλος κινητήρας που εκκινεί και ότι η πηγή είναι αρκετά ισχυρή ώστε να αγνοηθεί. Στην πράξη, μια ασθενής παροχή από το δίκτυο περιορίζει την πτώση τάσης ανεξάρτητα από το μέγεθος του μετασχηματιστή, και η λύση γίνεται ένας μαλακός εκκινητής, ένας μετατροπέας συχνότητας (VFD) ή μια μελέτη εκκίνησης κινητήρα, αντί για έναν μεγαλύτερο μετασχηματιστής βυθισμένος σε λάδι .Πτώση τάσης κατά την εκκίνηση του κινητήρα, ρεύμα κλειστού δρομέα και αντίσταση αναλύονται λεπτομερέστερα στον οδηγό εκκίνησης κινητήρων.

 

Αρμονικές: Γιατί η προδιαγραφή φιλική προς τους μετατροπείς συνήθως σταματά στο μισό δρόμο

Οι περισσότερες γραμμές παραγωγής τσιμέντου που κατασκευάστηκαν ή αναβαθμίστηκαν την τελευταία δεκαετία λειτουργούν τους μύλους και τους ανεμιστήρες τους μέσω μετατροπέων συχνότητας μεταβλητής, ενώ ένας μετατροπέας έξι παλμών αντλεί ρεύμα με κυματομορφή πλούσια σε πέμπτους και έβδομους αρμονικούς πριν από οποιαδήποτε φιλτράρισμα. Αυτά τα ρεύματα προκαλούν δύο φαινόμενα: διαστρέφουν την κεντρική γραμμή του εργοστασίου και παράγουν επιπλέον απώλειες ρευμάτων δινών εντός των τυλιγμάτων του μετασχηματιστή, οι οποίες εμφανίζονται ως τοπικά σημεία υπερθέρμανσης αντί για αύξηση της θερμοκρασίας που θα ενδείκνυε ο θερμόμετρος λαδιού. μετασχηματιστική μονάδα εργοστασίου τσιμέντου μετασχηματιστής είναι ότι το θερμότερο σημείο του τύλιγματος, όχι η θερμοκρασία του λαδιού στην κορυφή, αποτελεί την περιοριστική συνθήκη.

Το πρότυπο IEEE 519 καθορίζει τα όρια αρμονικών ρευμάτων που μετρώνται στο σημείο κοινής σύνδεσης, και για τους λόγους βραχυκυκλώματος που συνήθως εντοπίζονται σε μια κεντρική γραμμή εργοστασίου το όριο συνολικής παραμόρφωσης ζήτησης βρίσκεται στα μονοψήφια — γι’ αυτόν τον λόγο, η μετρούμενη συμμόρφωση, όχι μια δηλωθείσα κατάταξη K, είναι αυτό που ζητάει μια ανασκόπηση σύνδεσης με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. οι αρμονικοί των μετατροπέων συχνότητας μεταβλητής είναι συνεπώς μια είσοδος προδιαγραφών, όχι ένα πρόβλημα που προκύπτει σε μεταγενέστερο στάδιο.

Οι μετασχηματιστές K-factor υπάρχουν ακριβώς γι' αυτό το είδος φόρτισης και αποτελούν την τυπική λύση όπου οι αρμονικοί των μετατροπέων συχνότητας μεταβλητής είναι παρόντα σε μεγάλη ποσότητα. Ο αριθμός K-factor είναι το άθροισμα, για όλες τις αρμονικές τάξεις, του τετραγώνου του ανηγμένου (per-unit) αρμονικού ρεύματος πολλαπλασιασμένου επί το τετράγωνο της τάξης του: μια 25 % πέμπτη αρμονική συνεισφέρει 0,25² × 5² = 6,25 ανηγμένη μονάδα (per unit) επιπρόσθετων απωλειών λόγω επαγώμενων ρευμάτων (eddy loss) από μόνη της. Οι μονάδες K-4, K-9 και K-13 κατασκευάζονται έτσι ώστε οι απώλειες τυλιγμάτων και πυρήνα να παραμένουν εντός της σχεδιαστικής κλίμακας θερμοκρασίας για αυτό το φάσμα, ενώ η σήμανση ορίζεται στο πρότυπο UL για ξηρούς μετασχηματιστές.

Για μεγάλες μετασχηματιστής βυθισμένος σε λάδι μονάδες, η απλή κατάταξη K δεν αποτελεί την πλήρη λύση. Το θερμικό ζήτημα αντιμετωπίζεται με μείωση της ονομαστικής ισχύος (derating) της μονάδας για το πραγματικό φάσμα αρμονικών, όπως περιγράφεται στο πρότυπο IEEE C57.110, καθώς και με την απαίτηση από τον προμηθευτή να παρουσιάσει υπολογισμούς αρμονικών απωλειών αντί για απλή σήμανση στην πινακίδα. Όπου το φάσμα είναι ιδιαίτερα σοβαρό, η πιο οικονομική μηχανική λύση βρίσκεται συχνά στο ανώτερο επίπεδο: μια δωδεκάπλευρη διάταξη (twelve-pulse configuration), μια ενεργή είσοδος (active front end) ή μια αποσυντονισμένη τράπεζα φίλτρων (detuned filter bank) στη γραμμή τροφοδοσίας των κινητήρων.

 

Σκόνη, θερμότητα και ψύξη: Οι συνθήκες τοποθεσίας που καθορίζουν το περίβλημα

Η αύξηση της θερμοκρασίας του μετασχηματιστή καθορίζεται σε σχέση με μέγιστη περιβάλλουσα θερμοκρασία 40°C, σύμφωνα με τη συνήθη βάση IEC 60076. Τα εργοστάσια τσιμέντου στον Κόλπο, τη Σαχέλ και ορισμένα μέρη της Νότιας Ασίας βρίσκονται συνήθως σε σκιερή θερμοκρασία 45 έως 50°C, ενώ η ακτινοβολούμενη θερμότητα από τα κελύφη των κλινκέρ-φούρνων και των πύργων προθέρμανσης προστίθεται στο τοπικό φορτίο. Όταν η περιβάλλουσα θερμοκρασία υπερβαίνει την αναφορά, η μονάδα πρέπει να λειτουργεί με μειωμένη ισχύ ή να παραγγελθεί με χαμηλότερη σχεδιαστική κλίση· η ίδια ονομαστική ισχύς απλώς θα λειτουργεί σε υψηλότερη θερμοκρασία και θα γηράσκει πιο γρήγορα.

Η σκόνη αποτελεί το δεύτερο μισό του προβλήματος και είναι πρόβλημα ψύξης πριν από το να είναι πρόβλημα καθαριότητας. Η σκόνη τσιμέντου και της πρώτης ύλης είναι λεπτή, αλκαλική και ελαφρώς αγώγιμη μόλις απορροφήσει υγρασία, επομένως δημιουργεί βραχυκυκλώματα κατά μήκος των διαδρομών διαρροής γύρω από τα μονωτικά και τα κουτιά ακροδεκτών. Επιπλέον, συμπιέζεται στα κενά των διαβαθμισμένων τοιχωμάτων δεξαμενών και των πτερυγίων ψυγείων, όπου μεγάλο μετασχηματιστής βυθισμένος σε λάδι αποβάλλει το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητάς του. Μια μονάδα με εξαναγκασμένη ψύξη, της οποίας τα φίλτρα είναι φραγμένα, χάνει εντελώς την ικανότητα εξαναγκασμένης ψύξης και επανέρχεται στην ικανότητα αυτοψύξης ακριβώς τη στιγμή που η εγκατάσταση λειτουργεί με τη μεγαλύτερη φόρτιση.

Το τι σημαίνει αυτό στο στάδιο των προδιαγραφών: ευρύτερη απόσταση μεταξύ των πτερυγίων ή του ραδιατόρα σε περιοχές με υψηλή σκόνη, περιβλήματα τερματισμού IP54 ή καλύτερα, σφραγίδες και γάσκετ που έχουν εγκριθεί για αλκαλική σκόνη, καθώς και ένδειξη διαφορικής πίεσης σε κάθε τροφοδοτούμενη με ανεμιστήρα μονάδα, ώστε η ομάδα συντήρησης να μπορεί να παρακολουθεί τη φόρτιση των φίλτρων πριν αυτή επηρεάσει την ισχύ. Όταν χρησιμοποιείται εσωτερικά σε δωμάτιο MCC μετασχηματιστής ξηρού τύπου, η επιλογή του περιβλήματος ακολουθεί την ίδια λογική — φίλτρο, σφράγισμα και σχεδιασμός του διαστήματος καθαρισμού. Μετασχηματιστές που προδιαγράφονται για ζεστές και σκονισμένες περιοχές ακολουθούν ένα συγκρίσιμο σύνολο κανόνων.

 

Πιστοποίηση και δοκιμαστικά στοιχεία που απαιτούνται κατά την FAT

Για τα εργοτάξια τσιμέντου στη Βόρεια Αμερική, το ζήτημα της πιστοποίησης επιλύεται πριν από το ζήτημα της απόδοσης, επειδή ο επιθεωρητής φτάνει με μια λίστα. Οι μονάδες γεμάτες υγρό και οι ξηρού τύπου μονάδες πρέπει να φέρουν την κατάλληλη έγκριση για την κατηγορία τους· οι εγκαταστάσεις στον Καναδά χρειάζονται σήματα CSA ή αναγνωρισμένο ισοδύναμο, ενώ οι αγορές IEC καλύπτονται από το πρότυπο IEC 60076, με το IEC 60076-11 να ισχύει για τις μονάδες ξηρού τύπου. Οι γενικές απαιτήσεις και οι μέθοδοι δοκιμής για τις μονάδες βυθισμένες σε υγρό καθορίζονται στα πρότυπα IEEE C57.12.00 και IEEE C57.12.90.

Πέρα από το σημείο αυτό, η δοκιμή παραλαβής στο εργοστάσιο είναι εκείνη κατά την οποία ένα έργο τσιμέντου κερδίζει ή χάνει το χρονοδιάγραμμα εκκίνησής του. Ο λόγος, η πολικότητα, η αντίσταση τύλιγματος, οι απώλειες χωρίς φορτίο, οι απώλειες με φορτίο, η εμπέδηση, η εφαρμοζόμενη και επαγόμενη τάση, καθώς και η αύξηση της θερμοκρασίας και η δοκιμή κρούσης ως δοκιμές τύπου, αποτελούν τη βάση. Δύο πρόσθετα στοιχεία αξίζουν την επιπλέον ημέρα στο χώρο δοκιμών: μια μετρημένη έκθεση αύξησης θερμοκρασίας που συνδέεται με την περιβαλλοντική θερμοκρασία του χώρου εγκατάστασης, αντί για μια γενική δήλωση 40°C, και μια ανάλυση απόκρισης σε σάρωση συχνοτήτων (SFRA) που λαμβάνεται πριν από την αποστολή, ώστε να εντοπιστεί οποιαδήποτε ζημιά κατά τη μεταφορά με σύγκριση επιτόπου, αντί να γίνεται αντιπαράθεση.

 

Πώς κατασκευάζουμε και δοκιμάζουμε μονάδες για εφαρμογές τσιμέντου

Η Ryan Electric κατασκευάζει μετασχηματιστές διανομής και ισχύος από το 2007 από μια παραγωγική βάση 120.000 m² με περισσότερα από 180 σύνολα παραγωγικού και δοκιμαστικού εξοπλισμού και 37 διπλώματα ευρεσιτεχνίας, και διατηρεί εταιρική συνεργασία με κοινή επιχείρηση με την Eaton από το 2023. Οι μονάδες για εφαρμογές τσιμέντου παράγονται στις ίδιες γραμμές με τις μονάδες για χρήση σε δημόσια δίκτυα και κέντρα δεδομένων, και σε και μετασχηματιστής βυθισμένος σε λάδι και κατασκευή ξηρού τύπου.

 

 

Σε έργα τσιμέντου μετράμε τις απώλειες χωρίς φορτίο και με φορτίο σε κάθε μονάδα, αντί να αναφέρουμε τις τιμές σχεδιασμού, και αντιμετωπίζουμε το περιθώριο απωλειών λόγω αρμονικών ως υπολογισμό ανά έργο, βασισμένο στο χρονοδιάγραμμα λειτουργίας του πελάτη. Το πρώτο έγγραφο που ζητούν οι μηχανικοί εφαρμογής μας δεν είναι η προδιαγραφή του μετασχηματιστή, αλλά η λίστα των κινητήρων — πόσοι είναι, ποιος είναι ο αριθμός των παλμών τους και αν υπάρχει ρολό πίεσης στο κύκλωμα — επειδή αυτό το φύλλο καθορίζει τον συντελεστή K, την κλάση αντίστασης και την ψύξη, με αυτήν τη σειρά.

Η άλλη συνήθεια που εξοικονομεί εβδομάδες κατά την εκκίνηση είναι η συσκευασία. Ένα εργοστάσιο τσιμέντου βρίσκεται συνήθως εντός της ξηράς, γεγονός που σημαίνει μεταφορά μέσω οδού ή σιδηροδρόμου μετά το λιμάνι, οπότε οι μονάδες είναι ενισχυμένες για την αντιμετώπιση κραδασμών κατά την οδική μεταφορά, το λάδι μεταφέρεται σε σφραγισμένα κανάτια σε μεγαλύτερες ισχύεις και η υπογραφή SFRA συνοδεύει την έκθεση δοκιμής, ώστε η ομάδα εγκατάστασης να διαθέτει μια βασική τιμή για σύγκριση.

 

Παραγγελία κατά το παράθυρο απενεργοποίησης του κλινκέρ

Ένα εργοστάσιο τσιμέντου δεν σταματά για έναν μετασχηματιστή. Σταματά για μια συντήρηση, και η ημερομηνία της συντήρησης καθορίζεται από την εκστρατεία του κλιβάνου, γι’ αυτόν τον λόγο η χρονική κλίμακα αγορών πρέπει να ξεκινά ανάποδα από εκείνη την ημερομηνία, όχι προς τα εμπρός από την ημερομηνία παραγγελίας. διάσταση μετασχηματιστή και η σχεδίαση του χρόνου παράδοσης ανήκουν και οι δύο σε αυτήν την κλίμακα.

Στείλτε μας το μονογραμμικό διάγραμμα, τη λίστα των κινητήρων, τις αμβιέντες συνθήκες του χώρου και την ημερομηνία συντήρησης, και θα σας επιστρέψουμε μια ονομαστική ισχύ, μια κλάση αντίστασης, μια διάταξη ψύξης και μια ημερομηνία. Επικοινωνήστε με την ομάδα μηχανικών εφαρμογών μας στο [email protected] ή στο +86-15371760308 και θα υπολογίσουμε τα ρεύματα εκκίνησης και τις αρμονικές συνιστώσες με βάση την πραγματική σας λίστα κινητήρων.

Σχετικά με τον Συγγραφέα: Αυτός ο οδηγός ετοιμάστηκε από την ομάδα μηχανικών εφαρμογών της Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd. (Ryan Transformers), η οποία σχεδιάζει και κατασκευάζει μετασχηματιστές βυθισμένους σε λάδι και ξηρούς τύπου για βιομηχανικούς, δημόσιους και κέντρα δεδομένων πελάτες από το 2007. Ερωτήσεις που αφορούν συγκεκριμένα έργα, όπως η εκκίνηση μύλων, η μείωση ισχύος λόγω αρμονικών ή η μείωση ισχύος λόγω περιβαλλοντικής θερμοκρασίας του χώρου εγκατάστασης, απαντώνται απευθείας από την ομάδα μηχανικών στο [email protected].