ترانسفورماتورهای مورد استفاده در نیروگاه‌های شیرین‌سازی آب: تعیین اندازه بارهای پمپ SWRO، هارمونیک‌ها و حفاظت در برابر خوردگی

 

پیمانکار EPC که روی نیروگاه اسمز معکوس آب دریا در نزدیکی جبل علی کار می‌کند، در مارس یک نمودار تک‌خطی به همراه یادداشتی پیوستی برای ما فرستاد که دامنهٔ الکتریکی را «در اصل نهایی» خواند. این نقشه یک ترانسفورماتور ۲۰ مگاولت‌آمپری با ولتاژ ۳۳/۱۱ کیلوولت، دمای محیط طراحی‌شدهٔ ۴۵ درجهٔ سانتی‌گراد و یازده موتور پمپ فشار بالا را نشان می‌داد که همه از یک اتوبوس مشترک ۱۱ کیلوولت تغذیه می‌شوند. دو پرسش قبل از هر سفارشی، مشخصات را تغییر داد: اول اینکه دمای واقعی محیط در جولای چقدر است و دوم اینکه چند تا از آن پمپ‌ها در بازهٔ ده‌دقیقه‌ای یکسانی روشن می‌شوند. پاسخ به هر دو پرسش، اندازه‌گیری ترانسفورماتور را برای نیروگاه شیرین‌سازی را به‌طور قابل‌توجهی فراتر از آنچه فهرست بار نشان می‌دهد، افزایش می‌دهد. ترانسفورماتور برای نیروگاه شیرین‌سازی خدمات

در ظاهر، ترانسفورماتور شیرین‌سازی آب به نظر ماشینی ساده برای بار پایه می‌رسد — یک عدد به واحد کیلوولت‌آمپر. اما در عمل، این ترانسفورماتور به‌صورت مداوم در دمای محیط بالا کار می‌کند، موتورهایی را تغذیه می‌کند که اندازه‌شان نسبت به بار متصل به نیروگاه بزرگ است، هارمونیک‌های ناشی از درایوهای فرکانس متغیر روی پمپ‌های تغذیه غشایی را جذب می‌کند و در هوای حاوی نمک قرار دارد که هر پوشش، عایق و پیچ‌بندی موجود در محل را تخریب می‌کند. این راهنما چهار تصمیم‌گیری را پوشش می‌دهد که تعیین‌کننده‌ی این هستند که آیا این واحد تا پایان عمر طراحی‌شده‌اش باقی می‌ماند یا خیر.

 

چرا بارهای شیرین‌سازی آب مشخصات استاندارد ترانسفورماتورها را نقض می‌کنند

اسمز معکوس آب دریا فرآیندی برای بار پایه است. یک کارخانه در روزهای آخر هفته تعطیل می‌شود؛ اما یک خط شیرین‌سازی آب چنین نیست. بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان برق آن پمپ‌های فشار بالا هستند و این پمپ‌ها بیشتر ساعات روز را در نقطه‌ی بار ثابتی کار می‌کنند. مطالعات منتشرشده‌ی انرژی اسمز معکوس آب دریا مصرف انرژی ویژه را حدوداً ۲٫۵ تا ۳٫۵ کیلووات‌ساعت بر مترمکعب پس از نصب دستگاه‌های بازیابی انرژی، و در مواردی که بازیابی انرژی کمتر بهینه‌سازی شده، این مقدار به ۳٫۵ تا ۵٫۵ کیلووات‌ساعت بر مترمکعب افزایش می‌یابد.

این محاسبات را بر روی یک کارخانه‌ای با ظرفیت سهصد هزار مترمکعب در روز و تقاضای برق در حدود سی تا چهل مگاوات بار پیوسته تنظیم می‌شود — پیش از احتساب پیش‌تصفیه، پمپاژ انتقال و سیستم‌های کمکی. برنامه‌هایی مانند برنامهٔ تحقیقات تصفیه آب و شیرین‌سازی آب ادارهٔ بازیابی ایالات متحده (U.S. Bureau of Reclamation’s) برنامهٔ تحقیقات تصفیهٔ آب و شیرین‌سازی آب به‌طور خاص برای کاهش این رقم انرژی ایجاد شده‌اند، که نشان‌دهندهٔ جایگاه سرمایه‌گذاری است: آب محصول نهایی است و برق بزرگ‌ترین هزینهٔ عملیاتی تکی محسوب می‌شود.

 

نقشه‌برداری بار الکتریکی یک نیروگاه SWRO

پیش از تعیین ابعاد هر قطعه، کارخانه را به گروه‌های بار تقسیم کنید. این گروه‌ها رفتار متفاوتی دارند و در کارخانه‌های بزرگ معمولاً از اتوبوس‌های متفاوتی تغذیه می‌شوند.

 

گروه بار	رتبه‌بندی معمول	ویژگی کارکرد
پمپ‌های اسمز معکوس فشار بالا	هر کدام سه تا هشت مگاوات، با ولتاژ ۱۱ کیلوولت یا ۶٫۶ کیلوولت	بار پایهٔ پیوسته؛ با درایو فرکانس متغیر (VFD) یا راه‌اندازی نرم
دستگاه‌های بازیابی انرژی	۰٫۵ تا ۲ مگاوات	پیوسته، پیگیری وظیفهٔ پمپ فشار بالا
پمپ‌های تقویت‌کننده و انتقال	۲۰۰ کیلووات تا ۲ مگاوات	پیوسته با روشن‌شدن‌های متعدد
پیش‌تصفیه (صافی‌ها، دوزینگ)	۱۰۰ تا ۸۰۰ کیلووات	متناوب
کمکی (سیستم‌های تهویه مطبوع، روشنایی، کنترل‌ها)	۳۰۰ تا ۱۵۰۰ کیلووات	پایدار، با محتوای هارمونیک کم

 

گروه پمپ فشار بالا همهٔ سایر اجزا را کنترل می‌کند. در یک نیروگاه SWRO با هشت خط تولید، تنها پمپ‌های فشار بالا می‌توانند بار متصلی معادل ۴۰ تا ۵۰ مگاوات داشته باشند. سایر گروه‌ها برای اتوبوس کمکی اهمیت دارند، اما گروه پمپ است که ظرفیت ترانسفورماتور اصلی، طرح سیستم خنک‌کننده و ظرفیت تحمل جریان اتصال کوتاه واحد را تعیین می‌کند.

 

تعیین اندازهٔ ترانسفورماتور برای کاربرد نیروگاه شیرین‌سازی

ا ترانسفورماتور برای نیروگاه شیرین‌سازی خدمات بر اساس سه عامل همزمان تعیین می‌شود: بار پیوسته، بار راه‌اندازی بزرگ‌ترین موتور و محتوای هارمونیک در درایوها. واحدهایی که با اندازهٔ کوچک‌تر از حد لازم تحویل داده می‌شوند، تقریباً همیشه تنها به دلیل عدم تطابق با اولین عامل ناموفق می‌شوند.

شروع با بار پیوسته. برچسب‌های نام موتورها را جمع کنید، ضریب تقاضای واقع‌بینانه‌ای اعمال کنید — ۰٫۸۵ تا ۰٫۹۵ برای نیروگاهی که در خروجی طراحی‌شده کار می‌کند — سپس اتوبوس کمکی را اضافه کنید. سپس راه‌اندازی موتورها را بررسی کنید: یک پمپ فشار بالای ۶ مگاوات شروع مستقیم جریان می‌تواند برای چند ثانیه، پنج تا شش برابر جریان نامی را کشیده و افت ولتاژ ناشی از آن در ترمینال‌های موتور باید در محدوده‌ای باقی بماند که هم فرآیند و هم شرکت تأمین‌کننده برق آن را مجاز می‌دانند. استارت‌کننده‌های نرم و درایوهای فرکانس متغیر این جریان راه‌اندازی را کاهش می‌دهند، اما حذف نیاز ترانسفورماتور به تأمین این جریان را نمی‌توانند انجام دهند.

 

بررسی اندازه‌گیری	مواردی که باید تأیید کنید	هدف طراحی معمولی
ظرفیت نامی پیوسته	بار پیوسته با ضریب تقاضا اعمال‌شده، پس از اصلاح برای دمای محیط	عملکرد پایدار بالاتر از kVA نامی روی پلاک مشخصات ممنوع است
راه‌اندازی موتور	راه‌اندازی بزرگ‌ترین پمپ در حالی که تمام بارهای دیگر در حال کار هستند	افت ولتاژ در محدوده‌های مجاز داخل نیروگاه و شرکت تأمین‌کننده برق
وظیفه هارمونیک	تعداد پالس درایو و طیف جریان هارمونیک	محاسبهٔ کاهش ظرفیت بر اساس استاندارد IEEE C57.110
ظرفیت اضافی	قطارهای آینده یا تعویض غشا	۱۵ تا ۲۵ درصد ظرفیت اضافی کیلوولت‌آمپر
ظرفیت تحمل خطا	جریان اتصال کوتاه محل از شبکه برق	تحمل تأییدشده جریان اتصال کوتاه
ارزیابی تلفات	تلفات بدون بار و تحت بار که در طول عمر خدمات سرمایه‌گذاری شده‌اند	کمترین هزینه کل مالکیت، نه کمترین قیمت

 

بار هارمونیک ناشی از پمپ‌های فشار بالا با کنترل درایو فرکانس متغیر

تقریباً همهٔ نمونه‌های جدید نیروگاه SWRO پمپ‌های فشار بالای خود را از طریق درایوهای فرکانس متغیر به کار می‌برند، زیرا تنظیم جریان پمپی با توان ۶ مگاوات انرژی بیشتری از هزینهٔ درایو هدر می‌دهد. این درایو همچنین اصلی‌ترین منبع اعوجاج جریان در نیروگاه است. یک درایو شش‌پالسی هارمونیک‌های مشخصه در مرتبه‌های پنجم، هفتم، یازدهم و سیزدهم تولید می‌کند؛ یک پیکربندی دوازده‌پالسی این هارمونیک‌های پنجم و هفتم را در ترانسفورماتور لغو می‌کند؛ و یک روش هجده‌پالسی مرتبهٔ اولین هارمونیک قابل توجه را هنوز هم بالاتر می‌برد.

ترانسفورماتور دو بار برای این هارمونیک‌ها پرداخت می‌کند. تلفات اضافی ناشی از جریان‌های گردابی و تلفات پراکنده، سیم‌پیچ‌ها را بیش از آنچه که تنها جریان بار ایجاد می‌کند، گرم می‌کنند؛ به همین دلیل واحدی که تحت بار هارمونیکی قرار می‌گیرد، نیازمند رتبه‌بندی K-factor یا کاهش ظرفیت معادلی است که بر اساس محاسبه‌ای دقیق تعیین شده باشد، IEEE C57.110 نه صرفاً عدد kVAای که از فهرست محصولات کپی شده است. سپس میزان کل اعوجاج در نقطه اتصال مشترک باید در محدوده‌هایی باقی بماند که شرکت توزیع برق اعمال می‌کند — این محدودیت‌ها در زمان راه‌اندازی بررسی می‌شوند، نه در مرحله طراحی. انجمن استانداردهای آی‌تی‌ای‌ای این سند محدودیت‌های هارمونیکی را منتشر می‌کند که شرکت‌های توزیع برق آمریکای شمالی به آنها استناد می‌کنند و خواندن آن‌ها پیش از انتخاب تأمین‌کننده درایو، نه پس از آن، ارزشمند است.

یک عادت در تدوین مشخصات، بیشتر این ریسک را از بین می‌برد: از تأمین‌کننده درایو بخواهید طیف جریان هارمونیکی را در نقطه عملیاتی واقعی ارائه دهد، نه عدد THD ذکرشده در برگه اطلاعات فنی که در بار کامل اندازه‌گیری شده است. نیروگاه‌های غشایی معمولاً برای مدت طولانی در بار کامل کار نمی‌کنند و اعوجاج معمولاً در بازه بار جزئی — که نیروگاه در واقع در آن حالت کار می‌کند — بدترین حالت را دارد.

 

خوردگی، دمای محیط و کاهش ظرفیت در ساحل خلیج فارس

نیروگاه شورآب‌زدایی سخت‌ترین محیط برقی است که ترانسفورماتوری می‌تواند در آن کار کند. ابرهای نمکی، رطوبت بالا و دمای محیطی سایت که در خلیج فارس ماه‌ها می‌تواند بالاتر از ۴۵ درجه سانتی‌گراد باشد، همزمان به تجهیزات و رده‌بندی‌های آن حمله می‌کنند.

محافظت در برابر خوردگی از مشخصات پوسته آغاز می‌شود. استاندارد ایزو ۱۲۹۴۴-۸ بخشی از سری استانداردهای ایزو ۱۲۹۴۴ که نحوه مشخص‌کردن سیستم‌های رنگ محافظ برای کارهای جدید را تعیین می‌کند، مرجعی است که بیشتر پیمانکاران اروپایی و خاورمیانه‌ای در مشخصات فنی ذکر می‌کنند. در عمل این بدان معناست که سیستمی مستند برای یک رده خوردگی دریایی C5-M فولاد گالوانیزه غوطه‌وری گرم یا پوشش معادل آن، پیچ‌و‌مهره‌های ضدزنگ از جنس استیل، و اتصالات بوشینگ درزبندی‌شده.

دمای محیط دومین تله است و تله‌ای است که به‌صورت بی‌صدا ظرفیت را کاهش می‌دهد. بر اساس قوانین اصلاحی دمای محیط در IEC 60076-2 و استاندارد IEEE C57.12.00، افزایش متوسط دمای سیم‌پیچ مجاز با افزایش دمای محیطی محل نسبت به مقدار مرجع کاهش می‌یابد. یک نیروگاه که در دمایی ۱۰ درجه سانتی‌گراد بالاتر از مقدار مرجع قرار دارد، نمی‌تواند صرفاً با عایق‌بندی بهتر مشکل را حل کند — بلکه یا باید افزایش دمای مجاز را کاهش دهد یا ظرفیت kVA را کاهش دهد. این پدیده را به‌طور مداوم در پرسش‌های مربوط به خلیج فارس مشاهده می‌کنیم، جایی که دمای محیطی طراحی در سند مناقصه به‌صورت «۴۵ درجه سانتی‌گراد» ذکر شده اما در محل واقعی به ۵۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد.

سیستم خنک‌کنندگی نیز نیازمند بررسی دقیق همانند سایر اجزا است. در هوای ساکن، گرم و مرطوب ساحلی، بانک رادیاتور ONAN عملکردی پایین‌تر از ظرفیت اسمی خود دارد، که دلیل آن این است که نیروگاه‌های ساحلی معمولاً از سیستم خنک‌کنندگی ترانسformatور غوطه‌گیر در روغن با روش ONAF و عملکردی که بر اساس دمای محیطی طراحی‌شده در محل (نه بر اساس دمای مرجع استاندارد) اعلام می‌شود، استفاده می‌کنند. همچنین دلیل این است که تلاش برای هسته‌های کم‌تلفات و تلاش برای ایجاد حاشیه خنک‌کنندگی بزرگ‌تر باید در یک گفت‌وگوی واحد بررسی و تعیین شوند.

 

 

آنچه رایان الکتریک در پروژه‌های شیرین‌سازی آب ارائه می‌دهد

همان چهار پرسش، هر ترانسفورماتور برای نیروگاه شیرین‌سازی ما قیمت‌گذاری می‌کنیم، بنابراین بررسی مهندسی استاندارد و نه سرآغازی انجام می‌شود. ما هر دو بخش این مسئله را در کارخانهٔ ۱۲۰٬۰۰۰ مترمربعی خود در جیانگسو، چین می‌سازیم. ما ترانسformatور غوطه‌گیر در روغن محصولاتمان از ۱۰ کیلوولت تا ۲۰۰ مگاولت‌آمپر را پوشش می‌دهد و شامل بانک‌های رادیاتوری ONAN/ONAF و تغییردهنده‌های ولتاژ تحت بار است؛ واحدهای خشک‌نوع ریخته‌گری‌شده و VPI برای اتاق‌های داخلی قطع‌کننده و اتصالات فرعی به‌کار می‌روند. شرکت رایان الکتریک از سال ۲۰۰۷ ترانسفورماتور تولید می‌کند، دارای ۳۷ اختراع ثبت‌شده است، بیش از ۱۸۰ دستگاه تجهیزات تولیدی و آزمایشی را بهره‌برداری می‌کند و از سال ۲۰۲۳ به‌عنوان شریک مشترک اتون فعالیت دارد.

برای پروژه‌های ساحلی، محدودهٔ معمول شامل سیستم پوشش C5-M مستند‌شده است، یک آزمون پاشش نمک ۱۰۰۰ ساعته بر روی لایهٔ پوششی و آزمون‌های حضوری مشتری در آزمایشگاه ما که توسط DEKRA و CNAS اعتباربخشی شده و بر اساس استانداردهای IEC 60076-1 و IEEE C57.12.90 انجام می‌شود، پیش از ارسال محصول.

معمولاً چگونه درخواست ترانسفورماتور شیرین‌سازی آب نادرست انجام می‌شود

الگوی خرابی به‌اندازهٔ کافی تکرار می‌شود تا بتوان آن را به‌صورت کلی توصیف کرد. یک شرکت EPC مبتنی بر خلیج فارس مشخصاتی برای ترانسفورماتور ۲۵ مگاولت‌آمپر، ۳۳/۱۱ کیلوولت صادر می‌کند. ترانسformatور غوطه‌گیر در روغن در دمای محیط طراحی‌شدهٔ ۴۵ درجهٔ سانتی‌گراد، با توجه به ظرفیت کلی مشخص‌شده روی پلاک موتور تعیین می‌شود. بعداً طیف هارمونیک اینورتر و دمای محیط ثبت‌شده در جولای محل نصب ارائه می‌شوند. در نتیجه، ظرفیت مورد نیاز افزایش می‌یابد، روش خنک‌کاری از ONAN به ONAF تغییر می‌کند و دامنهٔ تنظیم تپ باید گسترش یابد. اگر زمان تولید قبلاً بر اساس ظرفیت اولیه رزرو شده بود، این تغییر در بازهٔ زمانی پیش‌بینی‌شدهٔ تحویل رخ می‌دهد نه قبل از آن.

 

تأیید	آنچه یک تأمین‌کنندهٔ مطمئن نشان می‌دهد
اساس اندازه‌گیری	فهرست بارها با ضریب تقاضا، همراه با طیف هارمونیک اینورتر پیوست شده
محیطی	محاسبهٔ کاهش ظرفیت در دمای محیط محل نصب که توسط مالک تأیید شده و به‌صورت کتبی ارائه شده است
خرابی	سیستم پوشش C5-M مستندشده و شواهد آزمون پاشش نمک
خنک‌سازی	عملکرد ONAF در دمای محیط طراحی‌شدهٔ محل نصب، نه در دمای مرجع استاندارد بیان شده است
گواهینامه	گزارش‌های آزمون مطابق با استانداردهای IEC 60076-1 و IEEE C57.12.90 برای دقیقاً همان ظرفیت اعلام‌شده
برنامه زمان‌بندی	زمان تولید بر اساس تاریخ راه‌اندازی نهایی نیروگاه رزرو شده و به‌صورت کتبی بیان شده است

 

هیچ‌یک از این موارد غیرمعمول نیستند. این‌ها سؤالاتی هستند که پیش از ثبت نهایی نقشه باید پاسخ داده شوند؛ و اگر پاسخ‌دهی به آن‌ها با تأخیر انجام شود، سفارش معمولی به سفارشی با قیمت‌گذاری مجدد تبدیل می‌شود.

 

لیست بار را پیش از نهایی‌سازی مشخصات برای ما ارسال کنید

اگر در حال مشخص‌کردن یک ترانسفورماتور برای نیروگاه شیرین‌سازی سرویس هستید، چهار مورد را برای ما ارسال کنید: ظرفیت اسمی کارخانه بر حسب مترمکعب در روز، برنامه‌ی پمپ فشار بالا همراه با نوع استارت‌کننده یا درایو، دمای محیط طراحی‌شده‌ی سایت که توسط صاحب پروژه تأیید شده است، و جریان خطا و پنجره‌ی ولتاژ شبکه‌ی برق. مهندسان ما پیشنهادی برای انتخاب اندازه‌ی مناسب تجهیزات ارسال می‌کنند که شامل روش خنک‌کاری، محاسبه‌ی بار هارمونیک، سیستم محافظت در برابر خوردگی و پنجره‌ی تولید واقع‌بینانه می‌شود.

با تیم تماس بگیرید از طریق ryantransformers.com و نقشه‌ی تک‌خطی را ضمیمه کنید — حتی یک فایل PDF علامت‌گذاری‌شده نیز برای شروع کافی است. بررسی یک نقشه سریع‌تر از استخراج مجدد لیست بار از یک جدول مشخصات است و در پروژه‌های ساحلی، عدد دمای محیط و طیف درایو دو موردی هستند که بیشترین تأثیر را در نتیجه نهایی دارند.

درباره نویسنده: این مقاله توسط تیم مهندسی رایان الکتریک (شرکت الکتریک جیانگسوی رایان محدود، چین) نوشته شده است که از سال ۲۰۲۳ شریک مشترک اتون بوده و در جیانگسوی چین ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن، رزینی ریخته‌گری‌شده و نصب‌شده روی پد تولید می‌کند. رایان الکتریک به شرکت‌های تأمین‌کننده انرژی، پیمانداران EPC و توسعه‌دهندگان زیرساخت در آمریکای شمالی، جنوب شرق آسیا، خاورمیانه و آفریقا خدمات ارائه می‌دهد.