Руководство по выбору трансформаторов для цементных заводов: расчёт мощности с учётом пуска мельниц, гармоник и пыли

На прошлой четверти станция помола в Западной Африке попросила нас пересчитать цену на блок мощностью 8 МВА. Первоначально трансформатор для цементного завода был заказан исходя из рабочей нагрузки мельницы, и в течение одиннадцати месяцев при каждом пуске сырьевой мельницы напряжение на шинах падало настолько, что пусковое устройство мельницы отказывалось удерживаться в замкнутом состоянии. Никто не измерял пусковую полную мощность в кВА. Все предполагали, что проблема в трансформаторе — или ещё хуже, предполагали, что проблема не в нём.

Цементная промышленность относится к числу немногих отраслей, где электрическая нагрузка определяется небольшим количеством очень мощных двигателей, которые пускаются под нагрузкой, работают месяцами и практически не останавливаются. Трансформатор трансформатор для цементного завода в таком режиме выполняет сразу две функции: он обеспечивает стабильную круглосуточную нагрузку и одновременно поглощает бросок тока при пуске оборудования, чья пусковая полная мощность в несколько раз превышает его собственную номинальную мощность. Ошибка в расчёте любой из этих двух составляющих проявится уже на этапе ввода в эксплуатацию, а не во время заводских испытаний.

 

 

 

Как профиль нагрузки цементного завода влияет на стандартные технические характеристики

Современный цементный завод потребляет примерно 110–120 кВт·ч электроэнергии на тонну цемента, причём электродвигатели составляют подавляющую часть этого показателя — по оценкам отрасли, доля нагрузки двигателей составляет 65–75 % от общего объёма потребления электроэнергии на заводе. Наибольшая нагрузка приходится на процессы измельчения: сырьевая мельница, цементная мельница и, на более новых линиях, роликовый пресс; каждое из этих устройств приводится в действие основным двигателем мощностью от 3 до 6 МВт.

Сторона спроса согласна. В исследовании Министерства энергетики США по потреблению электроэнергии на цементных заводах крупные мельницы указаны как самые мощные одиночные электрические нагрузки на объекте; отмечается, что такие заводы, как правило, работают непрерывно в течение нескольких месяцев между остановками. Оба этих показателя важны для технического задания: у завода без суточного графика нагрузки коэффициент загрузки составляет 0,8–0,9 от номинальной мощности в течение длительных периодов, что представляет собой иное тепловое решение по сравнению с промышленным заводом, имеющим два пиковых значения нагрузки в сутки. Контекст на уровне отрасли отслеживается на Странице МЭА по цементному сектору , а исходные данные по заводам взяты из Исследования ЛБНЛ/DOE по цементной промышленности .

Три параметра в техническом задании на цементные проекты указывают недостаточно точно чаще, чем любые другие: кВ·А при пуске двигателей, гармонические составляющие от приводов мельниц и реальные условия окружающей среды и запылённости на площадке. Остальная часть данного руководства рассматривает каждый из этих параметров в порядке, в котором они обычно вызывают проблемы.

 

Расчёт выполняется с учётом пусковых токов двигателей мельниц, а не рабочей мощности в кВт

Обычный запрос коммерческого предложения поступает с указанием подключённой нагрузки в кВт и просьбой «подобрать подходящий трансформатор». Этой информации недостаточно для определения номинала трансформатор для цементного завода . Начальная полная мощность (кВА) определяет просадку напряжения, а начальная полная мощность зависит от тока при заблокированном роторе, а не от мощности при номинальной нагрузке.

Рассмотрим двигатель сырьевого мельничного агрегата мощностью 4 МВт, напряжением 6,6 кВ, с током при заблокированном роторе, равным шести номинальным токам, КПД 0,94 и коэффициентом мощности 0,90. Номинальная полная мощность двигателя составляет примерно 4,7 МВА, поэтому начальная полная мощность достигает около 28 МВА — приблизительно в шесть раз превышая номинальную полную мощность двигателя. Последующую просадку напряжения на шине можно приближённо оценить по формуле: (начальная полная мощность в МВА × процентное значение импеданса трансформатора) ÷ номинальная мощность трансформатора. Игнорирование импеданса источника питания допустимо только при жёстком питании от энергосистемы; расчёт в этом случае выглядит следующим образом:

Номинальная мощность трансформатора	Импеданс	Примерная просадка напряжения на шине при пуске мельничного агрегата мощностью 28 МВА	Практические данные
6 МВА	7.5%	35%	Пускатель мельницы не удерживается; срабатывает защита двигателя
10 МВА	7.5%	21%	Пограничный случай — требуется пуск с пониженным напряжением или плавный пуск
16 МВА	8.0%	14%	Работает при подключении к надёжному источнику; проверьте уровень аварийного тока на стороне питания
20 МВА	8.0%	11%	Пуск проходит без проблем, но необходимо подтвердить устойчивость к токам короткого замыкания

 

Подбор трансформатора для цементного завода начинается с перечня электродвигателей, а не с суммарной присоединённой нагрузки. Эти расчёты предполагают, что в момент пуска работает только мельница — крупнейший двигатель, а источник питания настолько мощный, что его влиянием можно пренебречь. На практике слабая линия электропередачи от энергоснабжающей организации ограничивает провал напряжения независимо от мощности трансформатора, и решение заключается не в увеличении его мощности, а в применении устройства плавного пуска, преобразователя частоты (VFD) или проведении специального исследования пусковых режимов электродвигателей масляный трансформатор .Провал напряжения при пуске двигателя, ток при заблокированном роторе и импеданс рассматриваются подробнее в нашем руководстве по пуску электродвигателей.

 

Высшие гармоники: почему требования к совместимости с приводами зачастую остаются неполными

Большинство цементных линий, построенных или модернизированных за последнее десятилетие, управляют своими мельницами и вентиляторами с помощью преобразователей частоты, а шестипульсный преобразователь потребляет ток с формой волны, богатой пятой и седьмой гармониками, до любой фильтрации. Эти токи вызывают два эффекта: они искажают напряжение на шинах завода и порождают дополнительные потери на вихревые токи внутри обмоток трансформатора, проявляющиеся в виде локальных «горячих точек», а не в виде повышения температуры масла, которое показал бы масляный термометр. Последствием для трансформатор для цементного завода трансформатора является то, что температура «горячей точки» обмотки, а не температура верхнего слоя масла, становится ограничивающим фактором.

Стандарт IEEE 519 устанавливает пределы гармонических токов, измеряемых в точке общего подключения; при типичных для промышленного предприятия коэффициентах короткого замыкания предел суммарного искажения тока попадает в однозначную область — именно поэтому при согласовании с электросетью требуется подтверждённое измерение соответствия стандарту, а не заявленный коэффициент K-классификации. гармоники преобразователей частоты поэтому являются входным параметром при проектировании, а не проблемой, возникающей на последующих этапах.

Трансформаторы с коэффициентом K существуют именно для такой нагрузки и являются стандартным решением там, где гармоники преобразователей частоты они присутствуют в большом количестве. Число K — это сумма по всем гармоническим составляющим квадратов относительных значений гармонических токов, умноженных на квадрат их порядка: например, пятая гармоника с амплитудой 25 % даёт вклад 0,25² × 5² = 6,25 в относительные потери от вихревых токов. Трансформаторы с рейтингом K-4, K-9 и K-13 спроектированы так, чтобы потери в обмотках и сердечнике оставались в пределах расчётного температурного градиента при заданном спектре гармоник; маркировка определена в стандарте UL для сухих трансформаторов.

Для крупных масляный трансформатор устройств одного рейтинга K недостаточно. Тепловую задачу решают путём понижения номинальной мощности устройства под конкретный спектр гармоник — именно это описано в стандарте IEEE C57.110, — а также путём запроса у поставщика расчётов гармонических потерь вместо простого указания суффикса на табличке. При жёстком спектре более экономичным инженерным решением зачастую является применение оборудования на стороне питания: конфигурация на двенадцать импульсов, активный входной каскад или набор детюнированных фильтров на шине привода.

 

Пыль, тепло и охлаждение: условия площадки, определяющие конструкцию оболочки

Повышение температуры трансформатора нормируется относительно максимальной окружающей температуры 40 °C в соответствии с обычной базой IEC 60076. На цементных заводах в регионе Залива, Сахеле и части Южной Азии температура в тени регулярно составляет от 45 до 50 °C, а тепловое излучение от обечайки печи и башен предварительного нагрева дополнительно увеличивает локальную тепловую нагрузку. При превышении нормативной окружающей температуры мощность устройства подлежит снижению или его необходимо заказывать с меньшим проектным градиентом — при сохранении прежнего номинала устройство будет просто работать при более высокой температуре и быстрее стареть.

Пыль составляет вторую часть проблемы и представляет собой проблему охлаждения ещё до того, как становится проблемой чистоты. Цементная и сырьевая пыль мелкодисперсна, щелочна и слабо проводяща электрический ток после поглощения влаги, поэтому она замыкает пути утечки вокруг проходных изоляторов и клеммных коробок. Кроме того, она забивает зазоры в гофрированных стенках бака и рёбрах радиатора, где значительная масляный трансформатор отдает большую часть своего тепла. Принудительно охлаждаемый блок с засоренными фильтрами полностью теряет свою принудительную мощность и возвращается к своему естественному (самоохлаждаемому) номиналу именно в тот момент, когда нагрузка на объект максимальна.

Что это означает на стадии технических требований: увеличенный шаг ребер или радиаторов в пыльных условиях, корпуса выводов класса IP54 или выше, уплотнения и прокладки, рассчитанные на щелочную пыль, а также индикация перепада давления на любом принудительно охлаждаемом блоке для того, чтобы служба технического обслуживания могла отслеживать степень загрузки фильтров до того, как это скажется на мощности. При использовании масляного трансформатора внутри помещения распределительного щита выбор корпуса подчиняется той же логике — фильтр, уплотнение и график очистки. Трансформаторы, предназначенные для эксплуатации в жарких и пыльных условиях подчиняются сопоставимому набору правил.

 

Сертификация и испытательные данные, требуемые на этапе FAT

Для цементных проектов в Северной Америке вопрос сертификации решается до вопроса производительности, поскольку инспектор прибывает со списком. Единицы с жидкостным охлаждением и сухого типа должны иметь маркировку, соответствующую их категории; для канадских объектов требуются знаки CSA или признанный эквивалент, а рынки МЭК охватываются стандартом IEC 60076, причём для единиц сухого типа применяется IEC 60076-11. Общие требования и методы испытаний для единиц с жидкостным охлаждением изложены в стандартах IEEE C57.12.00 и IEEE C57.12.90.

За пределами контрольной отметки приемо-сдаточные испытания на заводе определяют, удастся ли ввести цементный проект в эксплуатацию в запланированные сроки. Базовыми параметрами являются коэффициент трансформации, полярность, сопротивление обмоток, потери холостого хода, потери короткого замыкания, импеданс, испытания при приложении и индукции напряжения, а также повышение температуры и импульсные испытания как типовые. Два дополнительных теста оправдывают затрату ещё одного дня в испытательном зале: отчёт о фактическом повышении температуры, привязанный к реальной температуре окружающей среды на площадке (вместо стандартного указания 40 °C), и анализ частотной характеристики отклика (FRA) — «отпечаток» устройства, полученный до отгрузки, чтобы выявить любые повреждения при транспортировке путём сравнения на площадке, а не спорить о них.

 

Как мы изготавливаем и испытываем трансформаторы для цементной промышленности

Компания Ryan Electric производит распределительные и силовые трансформаторы с 2007 года на производственной базе площадью 120 000 м², оснащённой более чем 180 комплектами производственного и испытательного оборудования и имеющей 37 патентов; с 2023 года компания осуществляет совместное предприятие с Eaton. Трансформаторы для цементной промышленности выпускаются на тех же линиях, что и оборудование для энергосистем и дата-центров, как в масляный трансформатор и сухой тип конструкции.

 

 

На цементных проектах мы измеряем потери холостого хода и нагрузочные потери на каждом устройстве вместо того, чтобы указывать расчётные значения, а запас по гармоническим потерям рассчитываем отдельно для каждого проекта на основе графика работы приводов заказчика. Первый документ, который наши инженеры-прикладники просят предоставить, — это не спецификация трансформатора, а перечень приводов: сколько приводов, какой у них порядок импульсов и есть ли в цепи роликовый пресс, поскольку именно этот лист определяет коэффициент K, класс импеданса и систему охлаждения — в указанном порядке.

Другая привычка, позволяющая сэкономить недели при пусконаладке, — это упаковка. Цементный завод обычно расположен во внутренних районах, то есть доставка осуществляется по дороге или железной дороге за пределы порта; поэтому устройства укрепляются для защиты от ударных нагрузок при наземной транспортировке, масло поставляется в герметичных бочках для устройств большей мощности, а отпечаток SFRA передаётся вместе с отчётом об испытаниях, чтобы команда на площадке имела эталонное значение для сравнения.

 

Заказ в период остановки печи

Цементный завод не останавливается из-за трансформатора. Он останавливается на плановом простоё, а дата простоя фиксируется продолжительностью кампании вращающейся печи; поэтому сроки закупки рассчитываются «в обратном направлении» от этой даты, а не «вперёд» от даты заказа. расчёт мощности трансформатора и планирование сроков поставки также относятся к этому расчёту.

Направьте нам однолинейную схему, перечень приводов, данные об окружающей среде на площадке и дату простоя — и мы предоставим вам номинальные параметры, класс импеданса, схему охлаждения и расчётную дату. Свяжитесь с нашей группой инженеров по применению по электронной почте [email protected] или по телефону +86-15371760308, и мы рассчитаем пусковые и гармонические характеристики на основе вашего реального перечня двигателей.

Об авторе: Данное руководство подготовлено группой инженеров по применению компании Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd. (Ryan Transformers), которая проектирует и производит масляные и сухие трансформаторы для промышленных заказчиков, энергоснабжающих организаций и центров обработки данных с 2007 года. Вопросы, касающиеся конкретных проектов, например, пуска мельниц, понижения номинальной мощности из-за гармоник или понижения номинальной мощности в зависимости от температуры окружающей среды на объекте, напрямую решает инженерная группа по адресу [email protected].