Ghid de selecție a transformatorului pentru uzina de ciment: dimensionare pentru pornirile morilor, armonice și praf

O stație de măcinare din Africa de Vest ne-a cerut să reevaluăm prețul unui transformator de 8 MVA în trimestrul trecut. Cel original transformator pentru uzină de ciment fusese comandat pe baza sarcinii de funcționare a morii, iar timp de unsprezece luni tensiunea pe barele de distribuție scăzuse atât de mult la fiecare pornire a morii de materii prime, încât pornitorul morii refuza să rămână activat. Nimeni nu măsurase puterea aparentă la pornire. Toată lumea presupusese că transformatorul era problema — sau, mai rău, presupusese că nu este.

Cimentul este una dintre puținele industrii în care sarcina electrică este dominată de un număr mic de motoare foarte mari, care pornesc sub sarcină, funcționează luni întregi și nu se opresc practic niciodată. Un transformator pentru uzină de ciment transformator în această funcție îndeplinește două roluri simultan: asigură o sarcină continuă, non-stop, și absoarbe curentul de pornire al echipamentelor ale căror puteri aparente la pornire sunt de câteva ori mai mari decât propria sa putere nominală. Dacă greșiți în evaluarea oricăreia dintre aceste două componente, defectul apare în timpul punerii în funcțiune, nu în timpul testelor de fabrică.

 

 

 

Ce face profilul de sarcină al unei uzine de ciment asupra unei specificații standard

O fabrică modernă de ciment consumă aproximativ 110–120 kWh energie electrică pe tonă de ciment, iar motoarele electrice reprezintă mare parte a acestei valori — evaluările din industrie plasează sarcina motoarelor la 65–75% din consumul total de energie electrică al fabricii. Partea cea mai intensă a acestei sarcini este legată de cominuție: mora de materii prime, mora de ciment și, în cazul liniilor mai recente, o presă cu role, fiecare acționată de un motor principal de 3–6 MW.

Și partea cererii este de acord. Studiul Departamentului American de Energie privind consumul de energie electrică în fabricile de ciment identifică morile mari de măcinare ca fiind cele mai mari sarcini electrice individuale de pe amplasament și subliniază faptul că aceste fabrici funcționează, de obicei, în mod continuu timp de luni întregi între opriri. Ambele cifre sunt relevante pentru specificație: o fabrică fără un ciclu zilnic de sarcină are un factor de sarcină de 0,8–0,9 din puterea nominală pe perioade lungi, ceea ce reprezintă o situație termică diferită față de o unitate industrială care atinge două vârfuri zilnice. Contextul la nivel de sector este urmărit pe Pagina sectorului de ciment IEA , iar datele de bază despre instalație provin din Studiul industriei cimentului al LBNL/DOE .

Trei mărimi specifice sunt subdimensionate mai frecvent pe proiectele de ciment decât oricare altele: kVA de pornire ai motoarelor, conținutul armonic provenit de la acționările morilor și condițiile reale de mediu și praf de pe amplasament. Restul acestui ghid tratează fiecare dintre acestea în ordinea în care, de obicei, generează probleme.

 

Dimensionarea în funcție de pornirea motoarelor morilor, nu în funcție de kW în regim de funcționare

Obișnuit, cererea de ofertă (RFQ) este însoțită de puterea conectată exprimată în kW și de o cerință de «un transformator potrivit». Aceasta nu este o informație suficientă pentru dimensionarea unui transformator pentru uzină de ciment . kVA de pornire determină căderea de tensiune, iar kVA de pornire este determinat de curentul de blocare, nu de puterea în regim de funcționare.

Luați un motor de moară brută de 4 MW, 6,6 kV, cu curent blocat de şase ori curentul la sarcină nominală, randament de 0,94 şi factor de putere de 0,90. Puterea aparentă nominală a motorului este de aproximativ 4,7 MVA, deci puterea aparentă la pornire este de aproximativ 28 MVA — adică cam de şase ori puterea aparentă nominală a motorului. Căderea de tensiune pe bară care urmează poate fi aproximată ca (puterea aparentă la pornire × impedanţa transformatorului în %) ÷ puterea nominală a transformatorului. Ignorând impedanţa sursei, ceea ce este valabil doar în cazul unei alimentări rigide din reţea, calculul arată astfel:

Puterea nominală a transformatorului	Impedanță	Cădere aproximativă pe bară la pornirea unei moare cu 28 MVA	Citire practică
6 MVA	7.5%	35%	Pornitorul pentru moară nu se menţine în stare de funcţionare; protecţia motorului declanşează
10 MVA	7.5%	21%	Marginal — necesită pornire cu tensiune redusă sau pornire blândă
16 MVA	8.0%	14%	Funcţionează corect pe o sursă stabilă; verificaţi nivelul curentului de scurtcircuit în amonte
20 MVA	8.0%	11%	Pornire confortabilă, dar se confirmă rezistența la scurtcircuit

 

Dimensionarea transformatorului pe un site de ciment începe, așadar, de la lista motoarelor, nu de la totalul sarcinii conectate. Aceste valori presupun că moriul este singurul motor mare care pornește și că sursa este suficient de puternică pentru a fi neglijată. În practică, o alimentare slabă din rețeaua publică limitează scăderea de tensiune, indiferent de mărimea transformatorului, iar soluția devine un pornitor moale, un variator de frecvență sau un studiu privind pornirea motoarelor, nu un transformator mai mare transformator Imers în Ulei .Scăderea de tensiune la pornirea motorului, curentul în stare de blocare și impedanța sunt analizate în detaliu în ghidul nostru privind pornirea motoarelor.

 

Armonice: De ce specificația prietenoasă față de variatoare se oprește de obicei la jumătate

Majoritatea liniilor de ciment construite sau modernizate în ultimul deceniu își exploatează morile și ventilatoarele prin intermediul variatoarelor de frecvență, iar un variator cu șase pulsații absoarbe un curent a cărui formă de undă este bogată în armonici de ordinul cinci și șapte, înainte de orice filtrare. Acești curenți au două efecte: distorsionează bara electrică a uzinei și generează pierderi suplimentare prin curenți parazitari în înfășurările transformatorului, care se manifestă sub forma unor puncte fierbinți locale, nu ca o creștere a temperaturii indicată de termometrul de ulei. Consecința pentru un transformator pentru uzină de ciment transformator este că temperatura punctului fierbinte al înfășurării, nu temperatura uleiului de la partea superioară, devine condiția limitativă.

Standardul IEEE 519 stabilește limitele pentru curenții armonici măsurați în punctul de cuplare comună, iar, pentru raporturile de putere de scurtcircuit obișnuite pe bara electrică a unei uzine, limita de distorsiune totală a cererii se situează în cifrele unităților — motiv pentru care evaluarea interconectării cu rețeaua furnizată de operatorul de distribuție cere conformitatea măsurată, nu o clasificare K declarată. armonicile variatoarelor de frecvență sunt astfel un parametru de specificație, nu o problemă secundară.

Transformatorii cu factor K există exact pentru această încărcare și reprezintă răspunsul standard acolo unde armonicile variatoarelor de frecvență sunt prezente în cantitate. Numărul factorului K este suma, pe toate ordinele armonice, a pătratului curentului armonic în unități relative înmulțit cu pătratul ordinului său: o componentă armonică de ordinul cinci de 25 % contribuie cu 0,25² × 5² = 6,25 unități relative de pierderi prin curenți parazitari, doar ea. Unitățile K-4, K-9 și K-13 sunt construite astfel încât pierderile în înfășurări și în miez să rămână în limitele gradientului de proiectare pentru acel spectru, iar marcarea este definită în standardul UL pentru transformatorii uscați.

Pentru unitățile mari transformator Imers în Ulei o clasificare K singură nu este întregul răspuns. Problema termică este abordată prin reducerea capacității unității în funcție de spectrul armonic real, ceea ce este descris în IEEE C57.110, și prin solicitarea furnizorului să prezinte calcule ale pierderilor armonice, nu doar un sufix pe plăcuța indicatoare. Acolo unde spectrul este sever, soluția inginerescă mai ieftină se află adesea în amonte: o configurație în douăsprezece pulsații, o interfață activă la intrare sau un banc de filtre detuneate pe magistrala variatorului.

 

Praf, căldură și răcire: Condițiile de amplasament care determină învelișul

Creșterea de temperatură a transformatorului este specificată în raport cu o temperatură ambientală maximă de 40 °C, conform bazei obișnuite IEC 60076. Uzinele de ciment din Golf, Sahel și unele părți ale Asiei de Sud au în mod obișnuit temperaturi la umbră de 45–50 °C, iar căldura radiantă provenită de la învelișurile cuptoarelor și turnurile preîncălzitoare adaugă o sarcină suplimentară locală. Deasupra temperaturii ambientale de referință, unitatea trebuie redusă în putere sau comandată cu un gradient de proiectare mai mic — aceeași clasă de putere va funcționa pur și simplu la temperaturi mai ridicate și se va îmbătrâni mai repede.

Praful reprezintă cea de-a doua parte a problemei și este mai întâi o problemă de răcire, apoi una de curățenie. Praful de ciment și cel de amestec brut este fin, alcalin și ușor conductiv odată ce absoarbe umiditatea, astfel încât formează punți pe traseele de scurgere în jurul izolatorilor și cutiilor de borne. De asemenea, umple spațiile dintre ondulațiile pereților rezervoarelor și aletelor radiatoare, unde se disipează o mare parte transformator Imers în Ulei cedează cea mai mare parte a căldurii. O unitate răcită forțat cu filtre înfundate își pierde în întregime clasificarea pentru răcire forțată și revine la clasificarea sa pentru răcire naturală exact în momentul în care instalația funcționează la capacitate maximă.

Ce înseamnă acest lucru la etapa de specificații: distanțare mai mare între aripioare sau radiator, carcase de terminare IP54 sau superioare, sigilii și garnituri calificate pentru praf alcalin, precum și un indicator menținut al presiunii diferențiale pe orice banc de răcire forțată, astfel încât echipa de întreținere să poată observa încărcarea filtrelor înainte ca aceasta să afecteze capacitatea. Atunci când se utilizează o unitate uscată în interiorul unei camere MCC, selecția carcasei urmează aceeași logică — filtru, sigilii și stabilirea intervalului de curățare. Transformatoarele specificate pentru situri calde și prăfuite urmăresc un set comparabil de reguli.

 

Certificări și dovezi de testare solicitate la FAT

Pentru proiectele de ciment din America de Nord, întrebarea privind certificarea este rezolvată înaintea celei privind performanța, deoarece inspectorul sosește cu o listă. Unitățile umplute cu lichid și cele de tip uscat trebuie să poarte marcajul corespunzător categoriei lor; site-urile canadiene necesită marcaje CSA sau un echivalent recunoscut, iar piețele IEC sunt acoperite de IEC 60076, cu IEC 60076-11 aplicabil unităților de tip uscat. Cerințele generale și metodele de încercare pentru unitățile imersate în lichid sunt stabilite în IEEE C57.12.00 și IEEE C57.12.90.

Dincolo de această etapă, testul de acceptare la fabrică este momentul în care un proiect de ciment își câștigă sau își pierde programul de punere în funcțiune. Raportul, polaritatea, rezistența înfășurărilor, pierderile la mersul în gol, pierderile sub sarcină, impedanța, potențialul aplicat și cel indus, precum și creșterea de temperatură și impulsul, ca teste de tip, reprezintă baza. Două elemente suplimentare merită o zi în plus în cabina de teste: un raport măsurat privind creșterea de temperatură legat de temperatura ambientală de la amplasament, nu de o afirmație generică de 40 °C, și o analiză a răspunsului în frecvență (SFRA) efectuată înainte de expediere, astfel încât orice deteriorare apărută în timpul transportului să poată fi detectată prin comparație la amplasament, nu discutată.

 

Cum construim și testăm unitățile pentru utilizare în industria cimentului

Ryan Electric produce transformatoare de distribuție și de putere din 2007, dintr-o bază de producție de 120.000 m², dotată cu peste 180 de seturi de echipamente de producție și testare și cu 37 de brevete, iar din 2023 menține un parteneriat de joint venture cu Eaton. Unitățile destinate industriei cimentului sunt fabricate pe aceleași linii ca și cele destinate rețelelor electrice și centrelor de date, în ambele transformator Imers în Ulei și construcție de tip uscat.

 

 

La proiectele cu ciment măsurăm pierderile în gol și sub sarcină pentru fiecare unitate, nu doar valorile de proiectare estimate, iar rezerva pentru pierderile armonice este calculată separat pentru fiecare proiect, în funcție de programul de funcționare al clientului. Primul document pe care inginerii noștri de aplicații îl solicită nu este specificația transformatorului, ci lista motoarelor — câte motoare sunt, ce număr de impulsuri au și dacă există o presă cu role în circuit — deoarece acest document stabilește, în această ordine, factorul K, clasa de impedanță și sistemul de răcire.

Celălalt obișnuit care economisește săptămâni întregi în faza de punere în funcțiune este ambalarea. O fabrică de ciment se află de obicei în interiorul țării, ceea ce înseamnă transport rutier sau feroviar după descărcare în port, astfel că unitățile sunt consolidate pentru a rezista șocurilor suferite în timpul transportului terestru, uleiul este livrat în butoaie sigilate pentru unitățile de putere mai mare, iar amprenta SFRA este transmisă împreună cu raportul de testare, oferind echipei de la fața locului o bază de referință pentru comparație.

 

Comandarea în jurul ferestrei de oprire a cuptoarului

O fabrică de ciment nu se oprește pentru un transformator. Se oprește pentru o oprire planificată, iar data acestei opriri este stabilită de campania cuptoarelor, motiv pentru care cronometrul achiziției trebuie să pornească invers, de la acea dată, nu înainte, de la data comenzii. dimensionarea transformatorului și planificarea termenelor de livrare aparțin ambele acestui cronometru.

Trimiteți-ne schema unifilară, lista motoarelor, condițiile ambientale de pe amplasament și data opririi planificate, iar noi vă vom furniza o clasificare, o clasă de impedanță, o configurație de răcire și o dată. Contactați echipa noastră de inginerie aplicațională la adresa [email protected] sau la numărul +86-15371760308 și vom calcula parametrii de pornire și armonicii pe baza listei reale de motoare.

Despre autor: Această ghid a fost pregătit de echipa de inginerie aplicații a companiei Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd. (Ryan Transformers), care proiectează și produce transformatoare cu ulei și transformatoare uscate pentru clienți industriali, de utilități și centre de date începând din 2007. Întrebările specifice proiectului privind pornirea în uzină, reducerea capacității datorită armonicilor sau reducerea capacității datorită temperaturii mediului de amplasare sunt răspunse direct de echipa de inginerie la adresa [email protected].