Transformatory do elektrowni odzyskujących wodę z wody morskiej: doboru mocy dla pomp SWRO, harmonicznych i ochrony przed korozją

 

Dostawca EPC pracujący nad elektrownią odwróconej osmozy wody morskiej w pobliżu Dżabal Alego przesłał nam w marcu schemat jednoliniowy wraz z notatką wyjaśniającą, w której zakres prac elektrycznych określono jako „zasadniczo ostateczny”. Na rysunku widnieje jeden transformator 20 MVA o napięciach 33/11 kV, projektowa temperatura otoczenia wynosząca 45 °C oraz jedenaście silników pomp wysokociśnieniowych zasilanych ze wspólnego szyny 11 kV. Dwie kwestie zmieniły specyfikację jeszcze przed złożeniem jakiegokolwiek zamówienia: jaka jest rzeczywista temperatura otoczenia w lipcu oraz ile z tych pomp zostaje uruchomionych w tym samym oknie czasowym trwającym dziesięć minut. Odpowiedzi na oba pytania powodują konieczność zwiększenia wymiarów transformatora dla elektrowni odzysku wody z wody morskiej znacznie ponad to, co sugeruje lista obciążeń.

Teoretycznie transformator do zastosowań w desalinizacji wygląda jak prosty transformator pracujący przy obciążeniu podstawowym — jego moc wyrażona jest jedną wartością w kVA. W rzeczywistości działa on nieprzerwanie w warunkach wysokiej temperatury otoczenia, zasila silniki o dużej mocy w stosunku do całkowitego obciążenia elektrowni, pochłania harmoniczne generowane przez przemienniki częstotliwości napędzające pompy zasilające membrany oraz znajduje się w powietrzu nasyconym solą, które niszczy wszystkie obudowy, izolatory i elementy łączeniowe na miejscu. Niniejszy przewodnik omawia cztery decyzje, które decydują o tym, czy urządzenie osiągnie zaprojektowaną żywotność.

 

Dlaczego obciążenia związane z desalinizacją naruszają standardowe specyfikacje transformatorów

Odwrócona osmoza morskiej wody to proces pracujący przy obciążeniu podstawowym. Fabryka może być zamknięta w weekendy; linia desalinizacyjna nie przerywa pracy. Największymi odbiornikami energii elektrycznej są pompy wysokociśnieniowe, które pracują przez większość dnia przy stałym punkcie pracy. Opublikowane badania energetyczne dotyczące odwróconej osmozy morskiej wskazują na zużycie energii rzędu 2,5–3,5 kWh na metr sześcienny po zainstalowaniu urządzeń odzysku energii, wzrastające do 3,5–5,5 kWh/m³ w przypadku mniej zoptymalizowanego odzysku energii.

Przeprowadź te obliczenia dla zakład o wydajności 300 000 m³/dzień a zapotrzebowanie na energię elektryczną ustala się na poziomie około 30–40 MW obciążenia ciągłego — zanim uwzględni się oczyszczanie wstępnego, pompowanie przesyłowe oraz systemy pomocnicze. Programy takie jak program Biura Reklamacji Stanu Zjednoczonego (U.S. Bureau of Reclamation) Desalination and Water Purification Research program istnieją właśnie po to, aby obniżyć tę wartość zużycia energii, co pokazuje, gdzie znajdują się środki finansowe: woda jest produktem, a energia elektryczna stanowi największy pojedynczy koszt operacyjny.

 

Mapowanie obciążenia elektrycznego zakładu SWRO

Zanim przystąpisz do doboru urządzeń, podziel zakład na grupy obciążeniowe. Zachowują się one inaczej i w dużym zakładzie są zwykle zasilane z różnych szyn.

 

Grupa obciążeń	Typowy stopień ochrony	Charakter pracy
Wysokociśnieniowe pompy RO	po 3–8 MW każda, napięcie 11 kV lub 6,6 kV	Obciążenie ciągłe podstawowe; napęd z falownikiem (VFD) lub rozruch miękki
Urządzenia do odzysku energii	0,5–2 MW	Ciągła praca, śledzenie obciążenia pomp wysokiego ciśnienia
Pompy wspomagające i przetłaczające	200 kW–2 MW	Ciągła praca z częstymi uruchomieniami
Wstępne oczyszczanie (filtry, dozowanie)	100–800 kW	Przerywisty
Urzędzenia pomocnicze (klimatyzacja, oświetlenie, sterowanie)	300–1500 kW	Stabilny, o niskiej zawartości harmonicznych

 

Grupa pomp wysokociśnieniowych kontroluje wszystko inne. W dużym Elektrowni SWRO z ośmioma torami same pompy HP mogą stanowić łączną moc zainstalowaną od 40 do 50 MW. Pozostałe grupy mają znaczenie dla szyny pomocniczej, ale to właśnie grupa pomp decyduje o mocy transformatora głównego, schemacie chłodzenia oraz zdolności jednostki do wytrzymania zwarć.

 

Dobór transformatora do zastosowania w elektrowni desalinizacyjnej

Adla elektrowni odzysku wody z wody morskiej opiera się jednocześnie na trzech czynnikach: obciążeniu ciągłym, prądzie rozruchowym największego silnika oraz zawartości harmonicznych w przekształtnikach. Jednostki dostarczone zbyt małej mocy najczęściej ulegają awarii już przy pierwszym z tych czynników.

Zacznij od obciążenia ciągłego. Zsumuj dane z tabliczek znamionowych silników, zastosuj realistyczny współczynnik zapotrzebowania — od 0,85 do 0,95 dla elektrowni pracującej przy projektowanej wydajności — a następnie dodaj obciążenie szyny pomocniczej. Następnie sprawdź rozruch silników: 6 MW pompa wysokociśnieniowa rozruch bezpośredni powoduje przepływ prądu o wartości pięciu do sześciu razy wyższej niż prąd znamionowy przez kilka sekund; spadek napięcia na zaciskach silnika musi mieścić się w granicach akceptowanych zarówno przez proces technologiczny, jak i przez dostawcę energii elektrycznej. Urządzenia zapewniające miękki rozruch oraz przemienniki częstotliwości ograniczają ten prąd rozruchowy, ale nie eliminują konieczności, aby transformator był w stanie go dostarczyć.

 

Sprawdzenie doboru mocy	Co zweryfikować	Typowy cel projektowy
Moc ciągła	Obciążenie ciągłe z uwzględnieniem współczynnika zapotrzebowania oraz obniżenia mocy z powodu temperatury otoczenia	Brak długotrwałej pracy przy mocy przekraczającej moc znamionową podaną na tabliczce znamionowej (w kVA)
Rozruch silnika	Rozruch największej pompy przy jednoczesnym działaniu wszystkich pozostałych odbiorników	Spadek napięcia w granicach dopuszczalnych zarówno w zakładowej sieci elektroenergetycznej, jak i w sieci dostawcy energii
Obciążenie harmonicznymi	Liczba impulsów napędu oraz widmo prądów harmonicznych	Obniżenie mocy obliczone zgodnie ze standardem IEEE C57.110
Pojemność rezerwowa	Przyszłe pociągi lub wymiana membran	rezerwa mocy 15–25% kVA
Prąd zwarciowy	Prąd zwarciowy miejsca z sieci dystrybucyjnej	Zweryfikowana odporność na zwarciowe
Ocena strat	Straty w stanie jałowym i pod obciążeniem kapitalizowane przez cały okres eksploatacji	Najniższy całkowity koszt posiadania, a nie najniższa cena zakupu

 

Obciążenie harmonicznymi pochodzące od pomp wysokociśnieniowych sterowanych przemiennikami częstotliwości

Prawie każdy nowy Elektrowni SWRO steruje swoimi pompami wysokociśnieniowymi za pomocą przemienników częstotliwości, ponieważ zwężanie przepływu w pompie o mocy 6 MW zużywa więcej energii niż koszt przemiennika. Przemiennik jest również głównym źródłem zniekształcenia prądu w zakładzie. Przemiennik sześciopulsowy generuje harmoniczne charakterystyczne na rzędach 5., 7., 11. i 13.; konfiguracja dwunastopulsowa eliminuje harmoniczne 5. i 7. po stronie transformatora; układ osiemnastopulsowy przesuwa pierwszą istotną harmoniczną jeszcze wyżej.

Transformator ponosi koszty tych harmonicznych dwukrotnie. Dodatkowe straty wirowe i rozproszone powodują nagrzewanie uzwojeń powyżej poziomu wynikającego wyłącznie z prądu obciążenia, dlatego jednostka obciążona harmonicznymi wymaga klasyfikacji K-factor lub odpowiedniego obniżenia mocy obliczonego zgodnie z IEEE C57.110 zamiast liczby kVA skopiowanej z katalogu. Całkowite zniekształcenie w punkcie wspólnego połączenia musi wówczas mieścić się w granicach określonych przez operatora sieci — sprawdzane podczas wprowadzania do eksploatacji, a nie na etapie opracowywania dokumentacji projektowej. IEEE Standards Association publikuje limity harmonicznych, do których odnoszą się amerykańskie operatory sieci, a warto je zapoznać przed wybraniem dostawcy przemienników, a nie dopiero po jego wybraniu.

Jedno rozwiązanie projektowe eliminuje większość tego ryzyka: należy zażądać od dostawcy przemienników widma prądów harmonicznych dla rzeczywistego punktu pracy, a nie wartości THD podanej w danych technicznych dla pełnego obciążenia. Instalacje membranowe rzadko pracują przy pełnym obciążeniu przez dłuższy czas, a zniekształcenia są zwykle najbardziej uciążliwe w zakresie częściowego obciążenia, w którym instalacja faktycznie funkcjonuje.

 

Korozja, temperatura otoczenia oraz obniżenie mocy na wybrzeżu Zatoki Meksykańskiej

Elektrownia desalinizacyjna stanowi najbardziej ekstremalne środowisko elektryczne, w jakim transformator może pracować. Aerosole solne, wysoka wilgotność oraz temperatura otoczenia na wybrzeżu Zatoki, która przez miesiące może przekraczać 45 °C, jednoczesnie atakują urządzenie i wpływają na jego deklarowane parametry.

Ochrona przed korozją zaczyna się od specyfikacji obudowy. ISO 12944-8 , część serii norm ISO 12944 regulująca sposób określania systemów farb ochronnych w nowych pracach, jest odniesieniem, które najczęściej wymieniane jest przez europejskich i bliskowschodnich wykonawców w specyfikacjach. W praktyce oznacza to udokumentowany system dla Kategorii korozyjności morskiej C5-M , ocynkowanej ogniowo konstrukcji stalowej lub odpowiedniego alternatywnego układu powłok, stalowych nierdzewnych elementów mocujących oraz uszczelnionych połączeń tulejowych.

Temperatura otoczenia stanowi drugą pułapkę – tę, która cicho zmniejsza pojemność. Zgodnie z zasadami korekcji temperatury otoczenia w IEC 60076-2 oraz normie IEEE C57.12.00, dopuszczalny średnie podwyższenie temperatury uzwojenia spada wraz ze wzrostem temperatury otoczenia na miejscu ponad wartość odniesienia. Elektrownia zlokalizowana w miejscu, gdzie temperatura otoczenia przekracza wartość odniesienia o 10°C, nie może po prostu zostać lepiej zaizolowana — urządzenie albo akceptuje niższe podwyższenie temperatury, albo traci kVA. Obserwujemy to stale w zapytaniach z regionu Zatoki Perskiej, gdzie w dokumentach przetargowych podana jest projektowa temperatura otoczenia „45°C”, a w rzeczywistości na miejscu wynosi ona 50°C.

Chłodzenie również wymaga takiego samego rygoru analizy. W nieruchomym, gorącym i wilgotnym powietrzu przybrzeżnym zestaw chłodnic ONAN działa poniżej swojej nominalnej wydajności, dlatego elektrownie przybrzeżne często określają przemieniacz zanurzony w oleju z chłodzeniem ONAF, a ich wydajność deklaruje się dla projektowej temperatury otoczenia na miejscu, a nie dla standardowej temperatury odniesienia. Dlatego też decyzje dotyczące rdzeni o niskich stratach oraz zapasu chłodzenia powinny być podejmowane w jednej i tej samej dyskusji.

 

 

Co Ryan Electric przynosi do projektów desalinacji

Te same cztery pytania decydują o każdym dla elektrowni odzysku wody z wody morskiej podajemy ofertę, dzięki czemu przegląd inżynieryjny jest standaryzowany, a nie improwizowany. Oba elementy rozwiązania produkujemy w naszej fabryce o powierzchni 120 000 m² w prowincji Jiangsu w Chinach. Nasze przemieniacz zanurzony w oleju zakresy mocy obejmują od 10 kV do 200 MVA z chłodzeniem olejowym typu ONAN/ONAF i radiatory oraz przekładnikami z regulacją napięcia pod obciążeniem; jednostki suchego typu z żywicą odlewana i z impregnacją próżniowo-ciśnieniową (VPI) przeznaczone są do pomieszczeń rozdzielczych wewnątrz budynków oraz szyn pomocniczych. Ryan Electric produkuje transformatory od 2007 roku, posiada 37 patentów, dysponuje ponad 180 zestawami sprzętu produkcyjnego i badawczego oraz od 2023 roku działa jako partner przedsiębiorstwa Eaton w ramach wspólnej przedsiębiorczości.

Dla projektów przybrzeżnych standardowy zakres obejmuje udokumentowany system powłoki C5-M, 1000-godzinny test pod działaniem mgły solnej kontrolę grubości powłoki oraz testy świadkowe dla klienta w naszym laboratorium akredytowanym przez DEKRA i CNAS zgodnie z normami IEC 60076-1 oraz IEEE C57.12.90 przed wysyłką.

Jak zwykle kończy się zapytanie o transformator do zdesalinizacji

Wzorzec awarii powtarza się na tyle często, że można go opisać ogólnie. Firmy EPC z regionu Zatoki Perskiej wydają specyfikację techniczną dla transformatora o mocy 25 MVA, napięciu 33/11 kV przemieniacz zanurzony w oleju przy projektowanym środowisku o temperaturze 45°C, dobrany na podstawie całkowitej mocy znamionowej silnika. Później otrzymujemy widmo harmoniczne przekształtnika od dostawcy oraz zarejestrowaną w lipcu temperaturę otoczenia na miejscu. Wymagana moc znamionowa wzrasta, układ chłodzenia zmienia się z ONAN na ONAF, a zakres nastaw napięcia musi zostać poszerzony. Jeśli termin produkcji został już zarezerwowany na podstawie pierwotnej mocy znamionowej, ta zmiana wpływa na czas realizacji zamiast zostać uwzględniona przed jego rozpoczęciem.

 

Check	Co pokazuje solidny dostawca
Podstawa doboru	Lista obciążeń z współczynnikiem zapotrzebowania oraz dołączonym widmem harmonicznym przekształtnika
Otoczenie	Obliczenie obniżenia mocy przy potwierdzonej przez właściciela temperaturze otoczenia na miejscu, w formie pisemnej
Korozja	Dokumentacja systemu powłoki C5-M oraz dowody testu wytrzymałości na mgłę solną
Chłodzenie	Wydajność ONAF podana dla projektowanej temperatury otoczenia na miejscu, a nie dla standardowej temperatury odniesienia
Certyfikacja	Raporty badań zgodnie z normami IEC 60076-1 / IEEE C57.12.90 dla dokładnie podanej mocy znamionowej
Harmonogram	Zarezerwowany termin produkcji zgodny z datą uruchomienia zakładu, potwierdzony pisemnie

 

Żadna z tych pozycji nie jest nietypowa. To pytania, które należy odpowiedzieć przed zamknięciem rysunków; ich późne wyjaśnienie przekształca rutynowe zamówienie w nowe ofertowanie.

 

Wyślij nam listę obciążeń przed ostatecznym ustaleniem specyfikacji

Jeśli określasz usługę dla elektrowni odzysku wody z wody morskiej wyślij nam cztery rzeczy: znamionową moc zakładu w m³/dzień, harmonogram pomp wysokociśnieniowych wraz z typem rozruchu lub napędu, potwierdzoną przez inwestora temperaturę otoczenia na miejscu oraz prąd zwarciowy i zakres napięć dostarczanych przez sieć energetyczną. Nasi inżynierowie przygotują zalecenie dotyczące doboru urządzenia wraz ze schematem chłodzenia, obliczeniem obciążenia harmonicznego, systemem ochrony przed korozją oraz realistycznym oknem produkcyjnym.

Skontaktuj się z zespołem poprzez ryantransformers.com i dołącz schemat jednoliniowy — nawet PDF z naniesionymi uwagami wystarczy, aby rozpocząć współpracę. Przegląd rysunku jest szybszy niż ponowne wyznaczanie listy obciążeń na podstawie tabeli specyfikacji, a w przypadku projektów przybrzeżnych temperatura otoczenia i zakres częstotliwości napędów to dwa elementy, które najczęściej wpływają na końcowe rozwiązanie.

O autorze: Ten artykuł został przygotowany przez zespół inżynierów firmy Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), partnera wspólnej przedsięwzięcia Eaton od 2023 roku oraz producenta transformatorów olejowych, z żywicy epoksydowej i typu pad-mounted w prowincji Jiangsu w Chinach. Ryan Electric świadczy usługi dla operatorów sieci energetycznych, kontraktorów EPC oraz deweloperów infrastruktury w Ameryce Północnej, Azji Południowo-Wschodniej, na Bliskim Wschodzie i w Afryce.