ترانسفورماتورهای نیروگاه تصفیه آب: اندازه‌گیری برای راه‌اندازی پمپ‌ها، هارمونیک‌های درایو فرکانس متغیر و هوای خورنده

چرا یک نیروگاه آب برای ترانسفورماتور سخت است

دم‌کن‌های هوادهی در یک نیروگاه که سال گذشته قیمت‌گذاری کردیم، نه ماه به خوبی کار کردند و سپس از هر روز بعدازظهر شروع به قطع کردن همان فیوز کردند. دم‌کن‌ها مشکلی نداشتند. درایو نیز عامل مشکل نبود. ترانسفورماتور نیروگاه تصفیه آب بر اساس بار در حال کار نیروگاه — ۱۲۵۰ کیلوولت‌آمپر از پمپ‌ها و دم‌کن‌ها — سفارش داده شده بود، بدون در نظر گرفتن جریان هارمونیکی که درایوها به آن بازمی‌گرداندند و بدون در نظر گرفتن راه‌اندازی مجدد با سه موتور ۲۵۰ اسب‌بخاری روی یک شین مشترک.

نیروگاه‌های تصفیه آب و فاضلاب از غیرمتسامح‌ترین مکان‌ها در جهان برای نصب ترانسفورماتور هستند. بار متغیر است، توسط موتورهای القایی انجام می‌شود، نیمی از آن پشت درایوهای فرکانس متغیر قرار دارد و هوا مرطوب، حاوی کلر یا گاز سولفید هیدروژن است. اگر هر یک از این سه عامل به درستی انتخاب نشود، خرابی به صورت قطع‌شدگی‌های غیرضروری، گرم‌شدن سیم‌پیچ یا زنگ‌زدگی پوشش و عدم عبور از بازرسی در سال دوم نمایان می‌شود.

 

ویژگی‌های بار که ظرفیت کیلوولت‌آمپر را تعیین می‌کنند

سه ویژگی بار کاری تعیین‌کننده مشخصات هستند و این عوامل در جهت‌های متفاوتی کشیده می‌شوند.

• پروفایل بار دارای دو نما است. تصفیه‌خانه مانند کارخانه‌ای که بار فرآیندی ثابت اجرا می‌کند نیست. این تأسیسات شب‌ها بار پایه را اجرا می‌کنند، سپس در روز به اوج بار می‌رسند و پس از وقوع بارش شدید که جریان ورودی دو برابر می‌شود، پمپ‌ها مجدداً راه‌اندازی می‌شوند. ترانسفورماتورهایی که بر اساس میانگین سالانه انتخاب شده‌اند، بخش عمده‌ای از سال باری بسیار بالاتر از میانگین را تحمل خواهند کرد.
• تقریباً همه چیز موتور است. پمپ‌ها، دمنده‌ها، میکسرها، پیش‌روهای لجن و الک‌های میله‌ای. موتورها در هنگام راه‌اندازی جریان روتور قفل‌شده را می‌کشند و ترانسفورماتور افت ولتاژ متناظر با آن را تجربه می‌کند — امری که تصفیه‌خانه به شکل راه‌اندازی نرم، ارتعاش کنتاکتور یا راه‌اندازی مجدد PLC احساس می‌کند.
• نیمی از بار غیرخطی است. دم‌کن‌های تهویه، پمپ‌های اولیه و دوزدهی شیمیایی همه با درایوها کار می‌کنند. وقتی یک تصفیه‌خانه که برای کار با سرعت ثابت طراحی شده است، به کنترل فرکانس متغیر (VFD) تبدیل می‌شود — که بخش عمده‌ای از کارهای ارتقاء‌ای است که ما قیمت‌گذاری می‌کنیم — اندازه ترانسفورماتور بدون تغییر باقی می‌ماند، در حالی که جریان هارمونیک رشد می‌کند.

اگر کلر، رطوبت و سولفید هیدروژن را به اتاق تجهیزات اضافه کنید، ترانسفورماتور عمومی دیگر پاسخ آشکاری نخواهد بود. موارد زیر همان چیزهایی هستند که ما قبل از تعیین عدد kVA برای یک پروژه آب یا فاضلاب بررسی می‌کنیم، و این موارد صرف‌نظر از اینکه واحد مورد نظر ترانسفورماتور مونتاژ بر روی پد در فضای باز نصب شده یا یک واحد خشک در اتاق MCC باشد، اعمال می‌شوند.

 

محاسبه ظرفیت برای راه‌اندازی پمپ: قاعده شش تا هفت برابری

راه‌اندازی موتور تأثیر بسیار بیشتری نسبت به بار پیوسته در تعیین kVA دارد. یک موتور القایی قفس سنجابی حدوداً شش تا هفت برابر جریان کامل خود را در حالت قفل‌شدن روتور مصرف می‌کند. , و تنها چیزی که بین آن جریان و ولتاژ نیروگاه وجود دارد، امپدانس ترانسفورماتور و شبکهٔ بالادستی است. نیروگاه نتیجه را مستقیماً تجربه می‌کند: روشنایی‌ها کاهش می‌یابند، درایوها به دلیل کاهش ولتاژ قطع می‌شوند و دنبالهٔ راه‌اندازی مجدداً فعال نمی‌شود.

قاعدهٔ کاری در رویهٔ آمریکای شمالی این است که اندازه‌گیری طوری انجام شود که کاهش ولتاژ در هنگام راه‌اندازی بزرگ‌ترین موتور از ۱۰ تا ۱۵ درصد در ترمینال‌های موتور فراتر نرود. این مقدار یک قرارداد طراحی است که در راهنمایی‌های مشاوران و شرکت‌های توزیع برق به‌طور مکرر تکرار شده و نه یک الزام استاندارد واحد؛ و این عدد است که ما در پرسشنامهٔ درخواست پیشنهاد قیمت (RFQ) از شما می‌خواهیم. لیست موتورها را — از جمله اسب‌بخار، حرف کد، حرف طراحی NEMA و روش راه‌اندازی — ارائه دهید؛ سپس امپدانس ترانسفورماتور بر اساس محدودیت کاهش ولتاژ تعیین می‌شود، نه بر اساس صفحه‌ای از کاتالوگ.

دو نکتهٔ عملی تعیین می‌کنند که آیا مطالعهٔ گذرا با نیروگاهی که واقعاً می‌سازید، مطابقت دارد یا خیر.

• تغییر روش راه‌اندازی پاسخ را تغییر می‌دهد. شروع مستقیم یک دمندهٔ ۳۰۰ اسب بخاری ممکن است از استفاده از ترانسفورماتوری با امپدانس استاندارد ۵٫۷۵ درصد در یک نیروگاه کوچک جلوگیری کند؛ استفاده از استارتِر نرم یا درایو با محدودیت جریان اغلب امکان عبور ترانسفورماتور مشابه را فراهم می‌کند. روش شروع باید در صفحهٔ اطلاعات فنی ترانسفورماتور، نه تنها در فهرست موتورها، ذکر شود.
• ژنراتور بخشی از محاسبه است. هنگامی که ژنراتور پشتیبان در زمان قطع تأمین برق شهری بار نیروگاه را بر عهده می‌گیرد، امپدانس منبع مؤثر به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد و دمنده‌ای که روی شبکهٔ شهری بدون مشکل شروع می‌شود، ممکن است ژنراتور را متوقف کند. نیروگاه‌هایی که در زمان قطع برق موظف به انجام کامل فرآیند تصفیه هستند، باید هر دو دستگاه را بر اساس همان حالت شروع طراحی کنند.

اگر نیروگاه شما در مرحلهٔ طراحی میانی قرار دارد و فهرست موتورها هنوز در حال بازنگری است، لطفاً فهرست فعلی اسب‌بخارها و ترکیب بدترین حالت شروع همزمان را برای ما ارسال کنید. مهندسان ما بررسی افت ولتاژ را برای دو یا سه گام kVA منطبق با این شرایط انجام داده و نتیجه را ارائه می‌کنند تا ترانسفورماتور بر اساس همان فرضیاتی سفارش داده شود که در مطالعهٔ گذرا شما به کار رفته است.

 

بارهای درایو فرکانس متغیر و هارمونیک‌های درایو فرکانس متغیر: منشأ این گرمای اضافی

یک درایو شش‌پالسی جریان را به‌صورت پالس‌های کوتاه و نه به‌صورت موج سینوسی می‌کشد، و این جریان شامل مؤلفه‌های هارمونیکی است که ترانسفورماتور برای تحمل آن‌ها طراحی نشده است. تلفات ایجادشده توسط این هارمونیک‌ها با جریان اصلی که جایگزین می‌کنند، تناسب خطی ندارند. شار پراکنده ناشی از محتوای هارمونیکی، سیم‌پیچ‌ها، بست‌های هسته، دیواره‌های مخزن و سیم خنثی را گرم می‌کند؛ و در ترانسفورماتوری که ازپیش تا ۸۰ درصد ظرفیت اسمی‌اش بارگذاری شده است، ابتدا دمای روغن بالایی افزایش می‌یابد و سپس قطع حرارتی رخ می‌دهد.

سه روش برای مشخص‌کردن ترانسفورماتور مناسب وجود دارد که همه‌ی آن‌ها از نظر کارایی یکسان نیستند.

• کاهش ظرفیت واحد استاندارد. روش ساده‌لوحانه: افزایش اندازه‌ی واحد تا ۱۵ تا ۲۵ درصد نسبت به بار درایو و پذیرفتن تلفات بدون بار اضافی در طول عمر نیروگاه. این روش مؤثر است و اغلب کمترین هزینه‌ی اولیه را دارد.
• مشخص‌کردن واحدی با رتبه‌بندی هارمونیکی. طراحی با رده‌بندی K یا طراحی مناسب برای کار مداوم، از هسته و پیچشی تشکیل شده است که برای تحمل تلفات اضافی ناشی از جریان‌های گردابی و تلفات پراکنده ساخته شده‌اند و نقطه نوترال آن به‌گونه‌ای ابعاددهی شده است که هارمونیک‌های سه‌گانه را در صورت وجود بارهای تک‌فاز تحمل کند. از تأمین‌کننده درخواست کنید که پایه‌های بارگذاری را به‌صورت کتبی ارائه دهد، زیرا رده‌بندی K بدون ذکر عدد دقیق K و مشخصات پروفایل بار، تنها یک برچسب است و نه یک طراحی واقعی.
• هارمونیک‌ها را در بالادست رفع کنید. رآکتورهای خط، فیلترهای غیرفعال یا فیلترهای فعال، میزان هارمونیک‌هایی که به ترانسفورماتور می‌رسند را کاهش می‌دهند و در مواردی که کارخانه موظف به گزارش دادن اعوجاج در نقطه اتصال مشترک است، راه‌حل مناسبی محسوب می‌شوند. استاندارد IEEE Std 519-2022 مرجعی است که شرکت توزیع برق شما از آن پیروی می‌کند و هدف عملی که اکثر شرکت‌های توزیع برق آمریکای شمالی اعمال می‌کنند، محدودیت ۵٪ اعوجاج کل ولتاژ است که این استاندارد برای سیستم‌های تا ۶۹ کیلوولت تعیین کرده است.

هر روشی را که انتخاب کنید، رقم اعوجاج باید در مشخصات فنی ذکر شود. یک هارمونیک‌های VFD بندی که صرفاً می‌گوید «مطابق با استاندارد IEEE 519 عمل کنید» و هیچ چیز دیگری نمی‌گوید، تأمین‌کننده ترانسفورماتور را در موقعیتی قرار می‌دهد که نمی‌داند آیا باید مس اضافی خریداری کند یا اینکه شما فیلتر خریداری می‌کنید.

 

هواي خورنده: H2S، کلر و تصمیم درباره جعبه حفاظتی

اتاق تجهیزات در یک تصفیه‌خانه فاضلاب محیطی بسیار پرخطر است و این خطر به گونه‌ای است که به سادگی قابل دست‌کم‌گرفتن است. ساختمان‌های ورودی، چاه‌های مرطوب و مناطق هضم‌کننده حاوی سولفید هیدروژن هستند که حتی در غلظت‌هایی که هیچ‌کس نمی‌تواند بوی آن را حس کند، به مس، نقره و لحیم سیم‌کشی کنترل حمله می‌برند. اتاق‌های کلرزنی و هیپوکلریت نیز مسیر دوم خوردگی را ایجاد می‌کنند. افزودن رطوبت تقریباً اشباع‌شده باعث می‌شود مکانیسم خرابی، از نوع شکست روکش نباشد — بلکه شکست اتصالی است که دو یا سه سال طول می‌کشد تا رخ دهد.

سه تصمیم در زمینه مشخصات، بیشترین خطر را به همراه دارند.

• درجه حفاظت جعبه حفاظتی. برای مناطق فرآیندی در محیط فاضلاب، حداقل کاری تعیین‌شده در راهنمای طراحی برق شهری، استفاده از پوششی با استاندارد NEMA 4X است — که مقاوم در برابر خوردگی بوده و نه صرفاً ضد آب — در مقابل استاندارد NEMA 3R که برای ترانسفورماتورهای توزیع عادی در فضای باز به کار می‌رود. این بدان معناست که پوشش باید از جنس فولاد ضدزنگ یا پوششی به‌درستی روکش‌دهی‌شده باشد، درهای مجهز به درزبند و تجهیزات فلزی مقاوم در برابر خوردگی، نه یک جعبه فلزی نازک رنگ‌آمیزی‌شده.
• سیستم روکش‌دهی. قرارگیری در معرض شرایط ساحلی و مواد شیمیایی معمولاً بر اساس دسته‌بندی خوردگی ISO 12944 مشخص می‌شود نه بر اساس رنگ رنگ‌آمیزی؛ با C5-M به‌عنوان مرجع برای خدمات با خوردگی بالا و درجه دریایی. هنگامی که برای این دسته ساخت می‌کنیم، روکش با آزمون پاشش نمک بر روی لایه‌های روکش ارزیابی و مستند می‌شود و برنامه پایانی روکش بخشی از سفارش است نه یک تنظیم پیش‌فرض کارخانه.
• حفظ مایع و دسترسی. در واحدهای غوطه‌ور در روغن، سیستم حفظ روغن و آب‌بندی مخزن تعیین‌کنندهٔ این است که آیا رطوبت طی پنج سال یا بیشتر به داخل نفوذ می‌کند یا خیر؛ و محل قرارگیری شیر نمونه‌برداری تعیین‌کنندهٔ این است که آیا تیم نگهداری می‌تواند بدون باز کردن پوشش، نمونه‌برداری انجام دهد یا خیر. از محل شیر سؤال کنید؛ اگر پاسخ «داخل پوشش، پشت در» باشد، انتظار نداشته باشید که هرگز نمونه‌برداری انجام شود.

نصب در فضای باز برای یک ترانسفورماتور مونتاژ بر روی پد مشکل فضای مورد نیاز را حل می‌کند، اما مشکل خوردگی را برطرف نمی‌سازد. واحد نصب‌شده روی پایه در ایستگاه بالابر در همان هوای مرطوب و دارای کلری قرار دارد که پمپ‌هایی را که تغذیه می‌کند نیز در آن قرار دارند؛ بنابراین کیفیت پوشش پوشش و واشر اهمیت بیشتری نسبت به محل نصب دارد.

 

پشتیبانی دوگانه و تأمین برق اضطراری: پرسشی دربارهٔ پیکربندی

معمولاً از تصفیه‌خانه‌ها انتظار می‌رود که در زمان قطعی برق شبکه، فرآیند تصفیه را ادامه دهند؛ و این الزام نه‌تنها بر روی ژنراتور، بلکه بر روی چیدمان ترانسفورماتور نیز تأثیر می‌گذارد.

پیکربندی رایج، آرایش دوسرهٔ اصلی-اتصال-اصلی با یک اتصال عادتاً باز است: دو ترانسفورماتور، دو تابلوی برق و یک قطع‌کنندهٔ اتصال. هر ترانسفورماتور نیمی از بار کارخانه را تحمل می‌کند و اتصال این امکان را فراهم می‌سازد که در صورت خارج شدن یکی از ترانسفورماتورها از سرویس، ترانسفورماتور دیگر بتواند بارهای ضروری را تحمل کند. جبران‌طلبی این طرح، امپدانس است. برای کار در حالت موازی یا با بستن اتصال، باید امپدانس و موقعیت تنظیمات تپ (tap) دو واحد یکسان باشد؛ در غیر این صورت، بار به‌گونه‌ای که در نمودار تک‌خطی پیش‌بینی شده، بین دو واحد تقسیم نخواهد شد. به‌همین دلیل، پیش از ارائهٔ پیش‌فاکتور برای یک جفت ترانسفورماتور، محدودهٔ امپدانس را درخواست می‌کنیم و نه پس از آن.

در مواردی که یک ترانسفورماتور تنها برق کارخانه را تأمین می‌کند، حالت انتظار معمولاً به این صورت است: یک ژنراتور در ورودی سرویس، یک کلید انتقال و تصمیم‌گیری دربارهٔ اینکه کدام بارها مجاز به راه‌اندازی خودکار هستند. دمنده‌ها و درایوها مشکل‌سازند. درایوهای بزرگ با زمان شتاب‌گیری طولانی برای ژنراتور آسان‌تر از راه‌اندازی مستقیم هستند و یک ترانسفورماتور که برای حالت شبکه با امپدانس پایین مشخص‌شده باشد، ممکن است در حالت ژنراتور عملکرد بدتری داشته باشد. هر دو حالت باید در برابر همان جدول بارهای موتوری بررسی شوند.

 

مواردی که باید در مشخصات فنی ذکر شوند

موارد مشخصات فنی که تعیین می‌کنند آیا واحد تحویل‌داده‌شده با هدف طراحی مطابقت دارد یا خیر:

مورد مشخصات	مواردی که باید ذکر شوند	سوالاتی که باید بپرسید
جدول بارهای موتوری	apparent power (kVA) در حالت قفل‌شدهٔ روتور، حرف کد، حرف طراحی NEMA و روش راه‌اندازی	حداکثر افت ولتاژ را درخواست کنید: محدودیت ۱۰ تا ۱۵ درصد در رویه‌های آمریکای شمالی رایج است
راه‌اندازی همزمان	بدترین ترکیبی که کارخانه در عمل اجرا می‌کند	راه‌اندازی پس از شرایط بارانی — راه‌اندازی همزمان سه دمنده و یک پمپ لجن، ترانسفورماتوری متفاوت از راه‌اندازی تک‌تک پمپ‌هاست
بار درایو	توtal اسب‌قدرت VFD و اینکه آیا فیلتر یا ری‌اکتور تأمین شده است یا خیر	هدف اعوجاج را در نقطه اتصال مشترک مشخص کنید؛ استاندارد IEEE Std 519-2022 مرجعی است که شرکت برق منطقه‌ای شما از آن استفاده می‌کند
باند امپدانس	درصد امپدانس و تحمل آن، که از مطالعه گذرا استخراج شده است	برای حالت راه‌اندازی و در آرایش دوسری، برای اشتراک بار مورد نیاز است
پوشش و پایان‌کار	NEMA 4X برای مناطق فرآیندی؛ دسته‌بندی خوردگی ISO 12944	دسته‌بندی را (مانند C5-M برای درجه دریایی با خوردگی بالا) نام ببرید، نه اینکه رنگ رنگ‌آمیزی را توصیف کنید
پیکربندی پشتیبان	اصلی-اتصال-اصلی، پشتیبان‌شده توسط ژنراتور، یا تک‌سری	مورد ژنراتور نیازمندی‌های امپدانس متفاوتی نسبت به مورد شبکه دارد
محدوده آزمایش	آزمون‌های دوره‌ای روی هر واحد؛ آزمون‌های نوع بر روی طراحی؛ آزمون تخلیه جزئی برای انواع خشک	بپرسید که از کدام استاندارد آزمون استفاده می‌شود و آیا حضور نهادهای مجاز برای تأیید آزمون نیز دربرگرفته شده است یا خیر

 

در زمینهٔ آزمون‌ها، تقسیم‌بندی را صراحتاً بیان کردن ارزشمند است. آزمون‌های دوره‌ای روی هر واحد انجام می‌شوند و پیرو دستورالعمل‌های آزمون مربوط به ساختار هستند: IEEE C57.12.90 برای واحدهای غوطه‌ور در مایع در آمریکای شمالی، و الزامات عمومی در IEC 60076-1 برای پروژه‌های IEC، با پیروی طرح‌های نوع خشک از IEC 60076-11 . آزمون‌های نوع — افزایش دما، ضربه‌ای و تحمل اتصال کوتاه — مربوط به طراحی هستند و باید قابل ردیابی به واحد تأمین‌شده باشند. در مواردی که کارخانه در حال تبدیل به سیستم‌های درایو است، درخواست بررسی افت هارمونیک را به‌صورت کتبی مطرح کنید، زیرا این محاسبه تعیین‌کنندهٔ این است که واحد در دمای خنک یا داغ کار می‌کند.

 

چگونه ما برای پروژه‌های آب و فاضلاب می‌سازیم

رایان الکتریک از سال ۲۰۰۷ ترانسفورماتورها را در کارخانه‌ای به مساحت ۱۲۰٬۰۰۰ مترمربع در جیانگسو تولید کرده است که مجهز به بیش از ۱۸۰ دستگاه تجهیزات تولیدی و آزمایشی و دارای ۳۷ اختراع ثبت‌شده است؛ و از سال ۲۰۲۳ به‌عنوان شریک رسمی مشترک با اتون فعالیت می‌کند. واحدها با گواهینامه‌های UL، CSA، IEEE، DEKRA، CNAS و CE عرضه می‌شوند که بسته به بازار مقصد مورد نیاز است؛ این امر در پروژه‌های شهرداری اهمیت دارد، زیرا بازرس قبل از روشن‌کردن هرگونه تجهیزی، برچسب نام را بررسی می‌کند. UL Solutions برای ثبت‌نام در آمریکای شمالی.

تفاوت مهندسی در پروژه‌های مرتبط با آب، همان چیزی است که ما پیش از ارائه پیش‌فاکتور از مشتری می‌پرسیم: برنامه موتورها همراه با حروف کد، روش راه‌اندازی، حالت راه‌اندازی همزمان، توان خروجی درایو، وجود یا عدم وجود فیلتر، طبقه‌بندی پوشش (انکلوژر) برای منطقه فرآیندی، دسته‌بندی خوردگی و پیکربندی حالت آماده‌به‌کار. ترانسفورماتور مونتاژ بر روی پد یا واحد خشک که بازگردانده می‌شود، بر اساس حالت عملیاتی نیروگاه و نه بر اساس مجموع توان الکتریکی متصل تعیین اندازه می‌شود.

برنامهٔ موتورها، شرایط محیطی محل نصب و الزامات پوشش محافظ (انکلوزر) را برای نیروگاه یا ایستگاه بالابر به ما ارسال کنید؛ مهندسان ما در عرض ۴۸ ساعت پاسخ فنی ارائه داده و بررسی اندازه‌گیری را در برابر شرایط راه‌اندازی و بار هارمونیک انجام می‌دهند، ضمن اینکه سیستم پوششی و محدودهٔ آزمون‌ها را خط به خط فهرست می‌کنند.

درباره نویسنده: این راهنما توسط تیم مهندسی و صادرات شرکت جیانگسو رایان الکتریک کو.، لتد تهیه شده است — سازندهٔ ترانسفورماتوری که از سال ۲۰۰۷ فعالیت دارد، شریک رسمی مشترک اتون از سال ۲۰۲۳ و تأمین‌کنندهٔ محصولات ترانسفورماتور خشک، روغنی، نصب‌شده روی پد و زیراستانس فشرده برای پروژه‌های برق‌رسانی، صنعتی، مراکز داده و زیرساخت است. این تیم از مرحلهٔ بررسی مشخصات تا آزمون کارخانه‌ای، پروژه‌های آب شهری و صنعتی را پشتیبانی می‌کند.