Przewodnik po doborze transformatorów dla elektrowni cementowej: wymiarowanie pod kątem rozruchów młynów, harmonicznych i pyłu

Stacja mieląca w Afryce Zachodniej poprosiła nas w ubiegłym kwartale o ponowne przygotowanie oferty na jednostkę o mocy 8 MVA. Oryginalna transformator elektrowni cementowej zamówiona została na podstawie obciążenia użytkowegu młyna, a przez jedenaście miesięcy przy każdym rozruchu młyna surowego spadało napięcie szyny do takiego stopnia, że sterownik rozruchowy młyna odmawiał utrzymania stanu załączenia. Nikt nie zmierzył pozornej mocy rozruchowej. Wszyscy zakładali, że problemem jest transformator — albo jeszcze gorzej: zakładali, że nie jest nim.

Cement to jedna z nielicznych branż, w których obciążenie elektryczne dominują garstka bardzo dużych silników rozruchowych pod obciążeniem, pracujących miesiącami bez przerwy. Transformator transformator elektrowni cementowej przeznaczony do tego rodzaju zastosowania wykonuje jednocześnie dwie funkcje: zapewnia stałe obciążenie przez całą dobę oraz pochłania prąd rozruchowy urządzeń, którego pozorna moc rozruchowa przekracza kilkukrotnie jego własną moc znamionową. Błąd w obliczeniach dowolnej z tych dwóch wielkości prowadzi do awarii podczas uruchamiania, a nie podczas testów fabrycznych.

 

 

 

Wpływ profilu obciążenia elektrowni cementowej na standardową specyfikację

Nowoczesna elektrownia cementowa zużywa około 110–120 kWh energii elektrycznej na tonę cementu, a silniki elektryczne stanowią znaczną większość tego zużycia — według szacunków branżowych, obciążenie silników stanowi 65–75 procent całkowitego zużycia energii elektrycznej w elektrowni. Największe obciążenie pochodzi z procesu rozdrabniania: młyn surowcowy, młyn cementowy oraz – w nowszych liniach produkcyjnych – prasa walcowa; każdy z tych urządzeń napędzany jest głównym silnikiem o mocy od 3 do 6 MW.

Strona zapotrzebowania zgadza się. Badanie Departamentu Energii USA dotyczące zużycia energii elektrycznej w cementowniach wskazuje, że duże młynki mielące stanowią największy pojedynczy odbiornik energii elektrycznej na terenie zakładu, a także zauważa, że zakłady te zazwyczaj pracują nieprzerwanie przez miesiące między postojami. Obie te wartości mają znaczenie dla specyfikacji: zakład bez codziennego cyklu obciążenia charakteryzuje się współczynnikiem obciążenia wynoszącym 0,8–0,9 mocy znamionowej przez długie okresy, co stanowi inny przypadek termiczny niż zakład przemysłowy osiągający szczytowe obciążenie dwukrotnie dziennie. Kontekst na poziomie sektora śledzony jest na Stronie IEA poświęconej sektorowi cementowemu , a podstawowe dane dotyczące zakładów pochodzą z Badania przemysłu cementowego LBNL/DOE .

Trzy wielkości wymienione w specyfikacji są niedostatecznie określone w projektach cementowni częściej niż jakiekolwiek inne: pozorne natężenie prądu przy rozruchu silników, zawartość harmonicznych generowanych przez napędy młynków oraz rzeczywiste warunki otoczenia i pyłu na terenie zakładu. Pozostała część tego poradnika omawia każdą z tych kwestii w kolejności, w jakiej zwykle powodują one problemy.

 

Dobór urządzeń w oparciu o rozruch silników młynków, a nie na podstawie mocy pobieranej w stanie ustalonym

Zwykłe zapytanie ofertowe zawiera informację o obciążeniu połączeniowym w kW oraz prośbę o „transformator odpowiedni do danego zastosowania”. To za mało danych, aby określić wymiarowanie transformator elektrowni cementowej . Początkowa wartość kVA decyduje o spadku napięcia, a początkowa wartość kVA zależy od prądu zablokowanego wirnika, a nie od mocy roboczej.

Rozważmy silnik młynka surowego o mocy 4 MW i napięciu 6,6 kV z prądem zablokowanego wirnika wynoszącym sześciokrotność prądu pełnego obciążenia, sprawnością 0,94 i współczynnikiem mocy 0,90. Znamionowa moc kVA silnika wynosi około 4,7 MVA, więc początkowa moc kVA osiąga wartość bliską 28 MVA — czyli około sześciokrotność znamionowej mocy pozornej silnika. Powstający wówczas spadek napięcia na szynoprzewodzie można przybliżyć wzorem: (początkowa moc kVA × procentowy udział impedancji transformatora) ÷ moc znamionowa transformatora. Pomijając impedancję sieci zasilającej — co jest uzasadnione jedynie przy bardzo sztywnym zasilaniu sieciowym — obliczenia wyglądają następująco:

Moc znamionowa transformatora	Impedancja	Przybliżony spadek napięcia na szynoprzewodzie przy rozruchu młynka o mocy 28 MVA	Praktyczne wnioski
6 MVA	7.5%	35%	Urządzenie rozruchowe młynka nie utrzymuje się w stanie załączenia; zabezpieczenie silnika wyłącza go
10 MVA	7.5%	21%	Graniczny przypadek — wymagany rozruch przy obniżonym napięciu lub rozruch miękki
16 MVA	8.0%	14%	Działa przy stabilnym źródle zasilania; sprawdzić poziom awaryjny w górę przepływu prądu
20 MVA	8.0%	11%	Bezproblemowe uruchamianie, ale potwierdzić odporność na zwarciowe obciążenie chwilowe

 

Do doboru transformatora na placu cementowni odnosi się najpierw do listy silników, a nie do sumy całkowitego obciążenia podłączonego. Te dane zakładają, że jedynym dużym silnikiem uruchamianym jednoczesnie jest młyn oraz że źródło zasilania jest na tyle mocne, iż można je pominąć w obliczeniach. W rzeczywistości słabe zasilanie sieciowe ogranicza spadek napięcia niezależnie od mocy transformatora, a rozwiązaniem staje się raczej sterownik soft-start, falownik (VFD) lub analiza uruchamiania silników, a nie większy transformator transformator zanurzeniowy w oleju .Spadek napięcia przy uruchamianiu silnika, prąd zaklinowanego wirnika oraz impedancja są omawiane bardziej szczegółowo w naszym przewodniku po uruchamianiu silników.

 

Harmoniczne: Dlaczego specyfikacja przyjazna napędowi zwykle kończy się w połowie drogi

Większość linii cementowych zbudowanych lub modernizowanych w ostatniej dekadzie napędza swoje młyny i wentylatory za pośrednictwem przemienników częstotliwości; przemiennik sześciopulsowy pobiera prąd o przebiegu bogatym w harmoniczne piąte i siódme przed jakimkolwiek filtrowaniem. Prądy te powodują dwa skutki: zniekształcają napięcie na szynach elektrowni oraz generują dodatkowe straty wirowe w uzwojeniach transformatora, które objawiają się jako lokalne punkty gorąca, a nie jako wzrost temperatury rejestrowany przez termometr oleju. Konsekwencją dla transformator elektrowni cementowej transformatora jest to, że temperatura punktu najgorętszego w uzwojeniu, a nie temperatura oleju na szczycie, staje się warunkiem ograniczającym.

Norma IEEE 519 określa dopuszczalne poziomy prądów harmonicznych mierzone w punkcie wspólnego połączenia; przy typowych stosunkach mocy zwarciowej występujących na szynach elektrowni limit całkowitego zniekształcenia prądu (TDD) mieści się w jednej cyfrze — dlatego przegląd połączenia z siecią dystrybucyjną wymaga potwierdzenia zgodności pomiarowej, a nie jedynie deklarowanego współczynnika K. harmoniczne przemienników częstotliwości są zatem daną wejściową do specyfikacji, a nie problemem występującym w dalszej części układu.

Transformatory o współczynniku K istnieją właśnie dla takiego obciążenia i są standardowym rozwiązaniem tam, gdzie harmoniczne przemienników częstotliwości występują w dużej ilości. Współczynnik K to suma, po wszystkich rzędach harmonicznych, kwadratów prądów harmonicznych wyrażonych w jednostkach względnych pomnożonych przez kwadrat ich rzędu: 25-procentowa piąta harmoniczna przyczynia się do strat wirowych w wysokości 0,25² × 5² = 6,25 jednostki względnej wyłącznie na swoje konto. Transformatory o współczynnikach K-4, K-9 i K-13 są konstruowane tak, aby straty uzwojeń i rdzenia pozostawały w granicach projektowanego gradientu temperatury przy danym widmie harmonicznych, a oznaczenie to jest zdefiniowane w normie UL dotyczącej suchych transformatorów.

Dla dużych transformator zanurzeniowy w oleju jednostek sam współczynnik K nie stanowi pełnej odpowiedzi. Zagadnienie termiczne rozwiązuje się poprzez obniżenie mocy znamionowej jednostki zgodnie z rzeczywistym widmem harmonicznych – tak opisuje to norma IEEE C57.110 – oraz poprzez żądanie od dostawcy przedstawienia obliczeń strat harmonicznych zamiast ograniczenia się do sufiksu na tabliczce znamionowej. Gdy widmo harmonicznych jest szczególnie nasilone, bardziej opłacalnym rozwiązaniem inżynierskim często okazuje się interwencja na poziomie źródła: konfiguracja dwunastopulsowa, aktywny układ wejściowy (AFE) lub bank filtrowy z tłumieniem dostosowanym do szyny napędowej.

 

Pył, ciepło i chłodzenie: warunki terenowe decydujące o obudowie

Wzrost temperatury transformatora określa się w odniesieniu do maksymalnej temperatury otoczenia wynoszącej 40 °C zgodnie z typowym standardem IEC 60076. Zakłady cementowe w Zatoce Perskiej, Sahelu oraz częściach Azji Południowej regularnie funkcjonują przy temperaturze w cieniu od 45 do 50 °C, a ciepło promieniowane pochodzące od powłok pieców obrotowych i wież nagrzewaczy dodatkowo obciąża lokalne warunki. Powyżej podanej temperatury otoczenia urządzenie wymaga obniżenia mocy znamionowej (deratingu) lub należy je zamówić z niższym projektowanym gradientem temperatury — ta sama moc znamionowa spowoduje po prostu wyższą temperaturę pracy i przyspieszone starzenie się.

Pył stanowi drugą część problemu i jest przede wszystkim problemem chłodzenia, zanim stanie się problemem czystości. Pył cementowy i pył surowcowy jest drobny, o odczynie zasadowym oraz lekko przewodzący po pochłonięciu wilgoci, co powoduje zwarcia ścieżek upływu wokół izolatorów przejściowych i pudełek zaciskowych. Wypełnia także szczeliny w falistych ścianach zbiorników oraz płaszczach radiatorów, co jest miejscem, gdzie znaczna transformator zanurzeniowy w oleju oddaje większość ciepła. Jednostka chłodzona wymuszonym przepływem powietrza z zatkanych filtrów traci całkowicie swoją klasę chłodzenia wymuszonego i przechodzi na klasę chłodzenia samoczynnego dokładnie w momencie, gdy instalacja pracuje z maksymalnym obciążeniem.

Co to oznacza na etapie specyfikacji: szersze odstępy między żebrem chłodzącym a radiatorami tam, gdzie miejsce eksploatacji charakteryzuje się dużą zawartością pyłu; obudowy końcowe klasy IP54 lub wyższej; uszczelki i podkładki odporno na pył alkaliczny; oraz stałe wskazanie różnicy ciśnień w każdej banku chłodzonym wymuszonym przepływem powietrza, aby zespół konserwacyjny mógł monitorować stopień zaśmiecenia filtrów jeszcze przed utratą mocy. Transformatory przeznaczone do eksploatacji w gorących i pylnych miejscach podlegają porównywalnemu zestawowi zasad.

 

Certyfikaty i dokumentacja wyników testów wymagane na FAT

W przypadku projektów cementowni w Ameryce Północnej kwestia certyfikacji jest rozstrzygana przed kwestią wydajności, ponieważ inspektor przybywa z gotową listą. Jednostki napełniane cieczą oraz jednostki suchego typu muszą posiadać odpowiednie certyfikaty zgodne z ich kategorią; na kanadyjskich placówkach wymagane są znaki CSA lub uznane odpowiedniki, a rynki IEC objęte są normą IEC 60076, przy czym do jednostek suchego typu stosuje się IEC 60076-11. Ogólne wymagania i metody badań dla jednostek zanurzanych w cieczy określone są w normach IEEE C57.12.00 oraz IEEE C57.12.90.

Poza standardem, test akceptacyjny fabryczny to moment, w którym projekt cementowniczy zdobywa lub traci harmonogram wprowadzenia do eksploatacji. Podstawowymi badaniami typowymi są: stosunek przekładni, biegunowość, opór uzwojeń, straty jałowe, straty obciążeniowe, impedancja, napięcie zastosowane i indukowane oraz wzrost temperatury i impuls. Dodatkowo warto poświęcić jeden dzień więcej w komorze testowej na dwa elementy: raport pomiarowy wzrostu temperatury odniesiony do rzeczywistej temperatury otoczenia na miejscu, a nie do ogólnego założenia wynoszącego 40 °C; oraz analizę odpowiedzi częstotliwościową (FRA), wykonaną przed wysyłką – dzięki temu uszkodzenia powstałe podczas transportu można wykryć poprzez porównanie wyników na miejscu, a nie dyskutować o nich.

 

Jak budujemy i testujemy jednostki przeznaczone do zastosowań cementowniczych

Ryan Electric produkuje transformatory rozdzielcze i mocy od 2007 roku w zakładzie o powierzchni 120 000 m², wyposażonym w ponad 180 zestawów sprzętu produkcyjnego i testowego oraz posiadającym 37 patentów; od 2023 roku utrzymuje partnerstwo w spółce joint venture z Eatonem. Jednostki przeznaczone do zastosowań cementowniczych są produkowane na tych samych liniach co nasze transformatory do zastosowań sieciowych i centrów danych, zarówno w obu transformator zanurzeniowy w oleju oraz konstrukcja sucha.

 

 

W projektach cementowych mierzymy straty w stanie jałowym i pod obciążeniem dla każdej jednostki zamiast podawać wartości projektowe, a zapas na straty harmoniczne traktujemy jako obliczenie wykonywane osobno dla każdego projektu, oparte na harmonogramie napędów klienta. Pierwszym dokumentem, którego żądają inżynierowie aplikacyjni, nie jest specyfikacja transformatora, lecz lista napędów — ile ich jest, jaki mają numer impulsów oraz czy w obwodzie znajduje się prasa walcowa — ponieważ ten arkusz określa kolejno współczynnik K, klasę impedancji i chłodzenie.

Innym zwyczajem, który oszczędza tygodnie podczas uruchamiania, jest pakowanie. Zakład cementowy zwykle położony jest w głębi lądu, co oznacza transport drogowy lub kolejowy poza port, dlatego jednostki są zabezpieczone przed wstrząsami podczas transportu lądowego, olej przesyłany jest w uszczelnionych beczkach przy większych mocach, a odcisk SFRA towarzyszy raportowi z badań, aby zespół na miejscu miał punkt odniesienia do porównań.

 

Zamawianie z uwzględnieniem okna postoju pieca

Elektrownia cementowa nie przerywa pracy z powodu transformatora. Przerywa ją planowe postoje, a data postoju jest ustalona przez kampanię pieca, dlatego harmonogram zakupu musi być odliczany wstecz od tej daty, a nie liczony do przodu od daty zamówienia. dozowanie transformatora planowanie czasu realizacji i planowanie czasu dostawy należą do tego samego harmonogramu.

Wyślij nam jednoliniowy schemat, listę napędów, warunki otoczenia na miejscu oraz datę postoju – a my przekażemy Ci moc znamionową, klasę impedancji, układ chłodzenia oraz termin realizacji. Skontaktuj się z naszym zespołem inżynierów aplikacyjnych pod adresem [email protected] lub telefonicznie pod numerem +86-15371760308 – przeprowadzimy analizę parametrów rozruchowych i harmonicznego obciążenia na podstawie Twojej rzeczywistej listy silników.

O autorze: Ten przewodnik przygotował zespół inżynierów aplikacyjnych Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd. (Ryan Transformers), który od 2007 roku projektuje i wytwarza transformatory olejowe oraz suchego typu dla klientów przemysłowych, energetycznych i centrów danych. Pytania dotyczące konkretnych projektów, np. rozruchu młynów, obniżenia mocy z powodu harmonicznych lub obniżenia mocy z powodu temperatury otoczenia na miejscu, są bezpośrednio odpowiadane przez zespół inżynierów pod adresem e-mail: [email protected].