Трансформаторы для опреснительных установок: расчет мощности насосов в системах обратного осмоса с морской водой, подавление гармоник и защита от коррозии

 

Подрядчик EPC, осуществляющий строительство установки опреснения морской воды методом обратного осмоса в районе Джебель-Али, направил нам в марте однолинейную схему с сопроводительной запиской, в которой электрический раздел проекта характеризовался как «по существу окончательный». На чертеже был указан один трансформатор мощностью 20 МВА с номинальным напряжением 33/11 кВ, проектная температура окружающей среды — 45 °C, а также одиннадцать двигателей высоконапорных насосов, питающихся от общей шины 11 кВ. Два вопроса изменили техническое задание до размещения любого заказа: какова реальная температура окружающей среды в июле на площадке и сколько из этих насосов запускаются в течение одного и того же десятиминутного интервала. Ответы на оба вопроса требуют увеличения номинальной мощности трансформатора для опреснительной установки значительно превышающей расчётные значения, основанные на перечне нагрузок.

На бумаге трансформатор для опреснения выглядит как простой агрегат базовой нагрузки — одно значение в кВА. На практике он работает непрерывно при высокой температуре окружающей среды, питает двигатели, мощность которых велика по сравнению с общей подключённой нагрузкой установки, поглощает гармоники от частотно-регулируемых приводов насосов подачи на мембраны и размещается в воздухе, насыщенном солью, который разрушает каждый корпус, изолятор и крепёжный элемент на объекте. В этом руководстве рассматриваются четыре решения, от которых зависит, достигнет ли агрегат расчётного срока службы.

 

Почему нагрузки опреснительных установок не соответствуют стандартным техническим требованиям к трансформаторам

Обратный осмос морской воды — это процесс базовой нагрузки. Завод может не работать по выходным; линия опреснения — нет. Её крупнейшими потребителями электроэнергии являются высоконапорные насосы, которые большую часть дня работают в стационарном режиме. Согласно опубликованным исследованиям энергопотребления ОМВО, удельное энергопотребление составляет примерно 2,5–3,5 кВт·ч на кубический метр после установки устройств рекуперации энергии и возрастает до 3,5–5,5 кВт·ч/м³ при менее оптимальной рекуперации.

Примените эти расчёты к завод мощностью 300 000 м³/сутки а электрическая нагрузка стабилизируется на уровне примерно 30–40 МВт постоянной нагрузки — до учёта предварительной обработки, перекачки и вспомогательных систем. Такие программы, как программа Управления по освоению водных ресурсов США «Исследования в области опреснения и очистки воды» созданы специально для снижения этого энергопотребления, что наглядно показывает, где сосредоточены затраты: продуктом является вода, а электроэнергия — самой крупной статьёй эксплуатационных расходов.

 

Картирование электрической нагрузки завода ОСМО

Прежде чем определять размеры оборудования, разделите завод на группы нагрузок. Их поведение различно, а на крупных заводах они обычно питаются от разных шин.

 

Группа нагрузок	Типичный рейтинг	Характер работы
Высоконапорные ОСМО-насосы	по 3–8 МВт каждый, 11 кВ или 6,6 кВ	Постоянная базовая нагрузка; частотное регулирование или плавный пуск
Устройства рекуперации энергии	0,5–2 МВт	Непрерывный режим, отслеживает рабочую нагрузку насоса высокого давления
Повышающие и перекачивающие насосы	200 кВт–2 МВт	Непрерывный режим с частыми пусками
Предварительная обработка (фильтры, дозирование)	100–800 кВт	Прерывистый
Вспомогательные системы (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха, освещение, системы управления)	300–1500 кВт	Стабильный сигнал с низким содержанием гармоник

 

Группа высоконапорных насосов управляет всем остальным. На крупной Установке опреснения морской воды (SWRO) с восемью линиями суммарная установленная мощность только высоконапорных насосов может составлять от 40 до 50 МВт. Остальные группы важны для вспомогательной шины, однако именно группа насосов определяет номинальную мощность главного трансформатора, схему охлаждения и уровень тока короткого замыкания, который устройство должно выдерживать.

 

Расчёт мощности трансформатора для установки опреснения

Aтрансформатора для опреснительной установки выполняется одновременно по трём параметрам: непрерывная нагрузка, пусковая нагрузка самого крупного двигателя и содержание гармоник в приводах. Агрегаты, поставленные с недостаточной мощностью, почти всегда выходят из строя именно по первому из этих параметров.

Начните с расчёта непрерывной нагрузки. Сложите номинальные мощности двигателей, примените реалистичный коэффициент спроса — от 0,85 до 0,95 для установки, работающей на проектной производительности, — затем добавьте нагрузку вспомогательной шины. Далее проверьте пусковые характеристики двигателей: высоконапорный насос мощностью 6 МВт при прямом пуске ток может в течение нескольких секунд превышать номинальный в пять–шесть раз, а вызванный этим провал напряжения на зажимах двигателя должен оставаться в пределах, допустимых как технологическим процессом, так и энергоснабжающей организацией. Устройства плавного пуска и преобразователи частоты снижают пусковой ток, однако они не устраняют необходимости обеспечения этого тока трансформатором.

 

Проверка выбора мощности	Что проверять	Типовая проектная цель
Непрерывный режим	Постоянная нагрузка с учётом коэффициента спроса и поправки на температуру окружающей среды	Недопустима длительная работа выше номинальной мощности в кВА
Запуск двигателя	Пуск самого крупного насоса при работе всех остальных нагрузок	Провал напряжения в пределах требований предприятия и энергоснабжающей организации
Гармоническая нагрузка	Количество импульсов преобразователя и спектр гармонических токов	Понижение номинальной мощности рассчитано в соответствии со стандартом IEEE C57.110
Резервная мощность	Будущие поезда или замена мембран	15–25 % резервной мощности в кВА
Ток короткого замыкания	Ток короткого замыкания на объекте от энергоснабжающей организации	Подтверждённая стойкость к короткому замыканию
Оценка потерь	Потери холостого хода и потери под нагрузкой, капитализированные за весь срок службы	Минимальная совокупная стоимость владения, а не минимальная цена

 

Гармоническая нагрузка от высоконапорных насосов с регулированием частоты

Почти каждый новый Установке опреснения морской воды (SWRO) приводит свои высоконапорные насосы через преобразователи частоты, поскольку дросселирование насоса мощностью 6 МВт приводит к большим потерям энергии, чем стоимость самого преобразователя. Преобразователь также является основным источником искажения тока на установке. Шестипульсный преобразователь создаёт характерные гармоники на 5-й, 7-й, 11-й и 13-й гармониках; двенадцатипульсная конфигурация компенсирует 5-ю и 7-ю гармоники на трансформаторе; восемнадцатипульсная схема смещает первую значимую гармонику ещё выше.

Трансформатор оплачивает эти гармоники дважды. Дополнительные вихревые и рассеянные потери нагревают обмотки сверх того, что вызвал бы только ток нагрузки, поэтому единица, работающая с гармониками, требует рейтинга K-фактора или эквивалентного понижения номинала, рассчитанного согласно IEEE C57.110 а не число кВА, скопированное из каталога. Совокупное искажение в точке общего подключения должно оставаться в пределах, установленных энергоснабжающей организацией — проверка проводится на этапе ввода в эксплуатацию, а не на стадии проектирования. Ассоциацией стандартов IEEE опубликовала гармонические пределы, на которые ссылаются энергоснабжающие организации Северной Америки, и их стоит изучить до выбора поставщика преобразователей, а не после.

Один подход к составлению технических требований устраняет большую часть этого риска: запросите у поставщика преобразователей спектр гармонических токов при фактическом рабочем режиме, а не значение ТГИ из паспортных данных при полной нагрузке. Мембранные установки редко длительное время работают при полной нагрузке, а искажения обычно наиболее выражены в диапазоне частичной нагрузки, при которой установка функционирует на практике.

 

Коррозия, температура окружающей среды и снижение номинальных характеристик на побережье залива

Опреснительная установка представляет собой самую агрессивную электрическую среду, в которой приходится работать трансформатору. Солевой аэрозоль, высокая влажность и температура окружающей среды на побережье залива, которая может превышать 45 °C в течение нескольких месяцев, одновременно воздействуют на оборудование и его номинальные параметры.

Защита от коррозии начинается с технических требований к корпусу. ISO 12944-8 , часть серии стандартов ISO 12944, регулирующая порядок разработки систем защитных покрытий для новых объектов, — это основной стандарт, на который ссылаются большинство европейских и ближневосточных подрядчиков при составлении технических требований. На практике это означает наличие документально подтверждённой системы для Морской категории коррозионной агрессивности C5-M , оцинкованной методом горячего погружения стальной конструкции или аналогичного по толщине покрытия, крепёжных элементов из нержавеющей стали на всём протяжении конструкции и герметизированных соединений втулок.

Амбиентная температура — второй «подводный камень», и именно она незаметно снижает ёмкость. Согласно правилам поправки на амбиентную температуру в IEC 60076-2 и IEEE C57.12.00, допустимое среднее повышение температуры обмоток снижается по мере роста температуры окружающей среды на площадке выше опорного значения. На объекте с температурой окружающей среды на 10 °C выше опорной просто улучшить изоляцию недостаточно — устройство либо должно принять меньшее повышение температуры, либо снизить номинальную мощность в кВА. Мы постоянно сталкиваемся с этим при рассмотрении запросов от стран Залива, где в тендерной документации указана проектная температура окружающей среды «45 °C», а фактическая температура на площадке составляет 50 °C.

Системе охлаждения также требуется столь же тщательный анализ. В неподвижном, жарком и влажном прибрежном воздухе радиаторный блок с естественным масляным охлаждением (ONAN) работает ниже заявленных в паспорте характеристик, поэтому на прибрежных объектах обычно предусматривают трансформатор с масляным охлаждением систему с принудительным масляным охлаждением и воздушным обдувом (ONAF), а эксплуатационные параметры указывают для проектной температуры окружающей среды на площадке, а не для стандартного опорного значения. Именно поэтому вопросы минимизации потерь в магнитопроводе и обеспечения запаса по охлаждению должны решаться одновременно.

 

 

Что Ryan Electric предлагает для проектов опреснения

Те же четыре вопроса определяют каждый трансформатора для опреснительной установки мы предоставляем коммерческие предложения, поэтому инженерный анализ стандартизирован, а не импровизирован. Обе части задачи мы изготавливаем на нашем заводе площадью 120 000 м² в Цзянсу, Китай. Наша трансформатор с масляным охлаждением линейка охватывает диапазон от 10 кВ до 200 МВА с радиаторными блоками ONAN/ONAF и устройствами регулирования напряжения под нагрузкой; литые эпоксидные и вакуумно-пропитанные сухие трансформаторы предназначены для внутренних распределительных устройств и вспомогательных шин. Компания Ryan Electric производит трансформаторы с 2007 года, владеет 37 патентами, эксплуатирует более 180 комплектов производственного и испытательного оборудования и с 2023 года работает в качестве партнёра совместного предприятия Eaton.

Для прибрежных проектов стандартный объём работ включает документированную систему покрытия C5-M, испытание на соляной туман в течение 1000 часов контроль толщины покрытия и приемочные испытания с участием заказчика в нашей аккредитованной лаборатории DEKRA и CNAS по стандартам IEC 60076-1 и IEEE C57.12.90 перед отгрузкой.

Как обычно ошибаются при запросе трансформатора для опреснительной установки

Повторяющийся характер отказов позволяет описать их обобщённо. Подрядчик из стран Залива выдаёт техническое задание на трансформатор мощностью 25 МВА, 33/11 кВ трансформатор с масляным охлаждением при проектной температуре окружающей среды 45 °C, рассчитано на основе суммарной мощности, указанной на табличке двигателя. Позже поставщик преобразователя предоставляет спектр гармоник, а на объекте фиксируется температура окружающей среды в июле. Требуемая мощность возрастает, схема охлаждения меняется с ONAN на ONAF, а диапазон регулировки ответвлений приходится расширять. Если производственный слот был забронирован под первоначальную мощность, то данное изменение происходит уже в пределах срока изготовления, а не до его начала.

 

Check	Что демонстрирует надёжный поставщик
Основа для определения размеров	Список нагрузок с коэффициентом спроса и приложенный спектр гармоник преобразователя
Окружающая среда	Расчёт понижающего коэффициента при подтверждённой заказчиком температуре окружающей среды на объекте, оформленный письменно
Коррозия	Документированная система покрытия C5-M и результаты испытаний на солевом тумане
Охлаждение	Производительность в режиме ONAF указана при проектной температуре окружающей среды на объекте, а не при стандартной эталонной температуре
Сертификация	Протоколы испытаний по стандартам IEC 60076-1 / IEEE C57.12.90 для точно заявленной мощности
График	Производственный слот зарезервирован с привязкой к дате ввода завода в эксплуатацию, что подтверждено письменно

 

Ни один из этих пунктов не является экзотическим. Это вопросы, на которые необходимо ответить до окончательного утверждения чертежей; если ответы поступают с задержкой, обычная заявка превращается в повторное цитирование.

 

Направьте нам перечень нагрузок до окончательного утверждения технического задания

Если вы разрабатываете техническое задание на трансформатора для опреснительной установки услугу, направьте нам четыре параметра: номинальную производительность завода в м³/сутки, график работы высоконапорного насоса с указанием типа пускателя или привода, проектные значения температуры окружающей среды на площадке (подтверждённые заказчиком) и параметры электросети — ток короткого замыкания и диапазон напряжения. Наши инженеры предоставят рекомендации по подбору оборудования, включая схему охлаждения, расчёт гармонических составляющих, систему защиты от коррозии и реалистичный диапазон производительности.

Свяжитесь с командой через ryantransformers.com и приложите однолинейную схему — даже PDF-файл с пометками достаточен для начала работы. Анализ чертежа занимает меньше времени, чем повторный вывод перечня нагрузок из таблицы технического задания; кроме того, для проектов в прибрежных районах именно температура окружающей среды и спектр приводов чаще всего влияют на итоговое решение.

Об авторе: Эта статья написана инженерной командой компании Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), партнёра Eaton по совместному предприятию с 2023 года и производителя трансформаторов маслонаполненных, литых в эпоксидной смоле и устанавливаемых на фундаментных плитах в провинции Цзянсу, Китай. Компания Ryan Electric обслуживает энергоснабжающие организации, подрядные организации EPC, а также разработчиков инфраструктурных проектов в Северной Америке, Юго-Восточной Азии, на Ближнем Востоке и в Африке.