Посібник з вибору трансформаторів для цементних заводів: розрахунок потужності для запуску млинів, гармонік та пилу

Гранулювальна станція у Західній Африці минулого кварталу попросила нас перерахувати вартість одиниці потужністю 8 МВА. Оригінальний трансформатор для цементного заводу було замовлено виходячи з потужності, що споживається млином у робочому режимі, і протягом одинадцяти місяців при кожному запуску сировинного млина напруга на шині падала настільки, що пусковий пристрій млина відмовлявся залишатися увімкненим. Ніхто не вимірював кВА при запуску. Усі вважали, що проблема полягає у трансформаторі — або ще гірше, вважали, що проблеми немає.

Цементна промисловість — одна з небагатьох галузей, де електричне навантаження визначається кількома дуже потужними двигунами, які запускаються під навантаженням, працюють місяцями й практично ніколи не зупиняються. Трансформатор трансформатор для цементного заводу у такому режимі виконує дві функції одночасно: він забезпечує постійне навантаження цілодобово й поглинає пускові струми обладнання, чия повна потужність при запуску перевищує його номінальну потужність у кілька разів. Якщо хоча б одну частину цього розрахунку виконано неправильно, збій проявиться під час введення в експлуатацію, а не під час заводських випробувань.

 

 

 

Як профіль навантаження цементного заводу впливає на стандартну специфікацію

Сучасний цементний завод споживає приблизно 110–120 кВт·год електричної енергії на тонну цементу, а електродвигуни становлять переважну частину цього показника — за оцінками галузі, навантаження двигунів становить 65–75 % від загального споживання електроенергії заводом. Найбільша частина цього навантаження припадає на подрібнення: сировинний млин, цементний млин і, у новіших лініях, валковий прес — кожен із них приводиться в дію головним двигуном потужністю 3–6 МВт.

Сторона попиту погоджується. У дослідженні Міністерства енергетики США щодо споживання електроенергії цементними заводами великі млини для подрібнення визначено як найбільші одиночні електричні навантаження на об’єкті; у ньому також зазначено, що ці заводи, як правило, працюють безперервно протягом місяців між зупинками. Обидва ці показники мають значення для технічних вимог: завод без добового циклу навантаження має коефіцієнт навантаження 0,8–0,9 від номінальної потужності протягом тривалих періодів, що є іншою тепловою задачею порівняно з промисловим заводом, який досягає пікового навантаження двічі на добу. Контекст на рівні сектора відстежується на Сторінці Міжнародного енергетичного агентства щодо цементного сектора , а базові дані про заводи походять із Дослідження цементної галузі Лабораторії імені Лоуренса Берклі / Міністерства енергетики США .

Три параметри технічних вимог у проектах цементних заводів визначають недостатньо точно частіше, ніж будь-які інші: кВА при пуску двигунів, гармонійний вміст від приводів млинів та реальні навколишні умови й рівень пилу на місці. Решта цього посібника розглядає кожен із цих параметрів у порядку, у якому вони зазвичай створюють проблеми.

 

Підбір обладнання з огляду на пускові струми двигунів млинів, а не на потужність у режимі роботи

Зазвичай запит на цитату надходить із вказаним підключеним навантаженням у кВт і проханням «підібрати трансформатор». Цього недостатньо для визначення розмірів трансформатор для цементного заводу . Початкове кВА визначає провал напруги, а початкове кВА залежить від струму замкненого ротора, а не від потужності в режимі роботи.

Розглянемо двигун сировинного млина потужністю 4 МВт, напругою 6,6 кВ і струмом замкненого ротора, що в шість разів перевищує номінальний струм, ККД 0,94 та коефіцієнтом потужності 0,90. Номінальне кВА двигуна становить приблизно 4,7 МВА, тому початкове кВА — близько 28 МВА, тобто приблизно в шість разів більше номінальної повної потужності двигуна. Провал напруги на шині, що виникає після цього, можна приблизно оцінити за формулою: (початкове кВА × відсоток імпедансу трансформатора) ÷ номінальна потужність трансформатора. Ігноруючи імпеданс джерела живлення (що допустимо лише за умови жорсткого живлення від енергосистеми), обчислення виглядають так:

Номінальна потужність трансформатора	Імпеданс	Приблизна величина провалу напруги на шині під час пуску млина потужністю 28 МВА	Практичне значення
6 МВА	7.5%	35%	Пускач млина не утримується; спрацьовує захист двигуна
10 МВА	7.5%	21%	Межевий випадок — потрібен пуск зі зниженою напругою або плавний пуск
16 МВА	8.0%	14%	Працює на стабільному джерелі; перевірте рівень аварійного струму вище за струмоприймач
20 МВА	8.0%	11%	Зручне пускання, але підтвердіть стійкість до струмів короткого замикання

 

Підбір трансформатора на цементному заводі тому починається з переліку двигунів, а не з загального навантаження. Ці дані передбачають, що млина — єдиний великий двигун, який запускається, і що джерело достатньо потужне, щоб його можна було ігнорувати. На практиці слабке живлення від енергопостачальника обмежує провал напруги незалежно від потужності трансформатора, і рішенням стає м’який пускач, частотний перетворювач або дослідження пуску двигунів, а не більш потужний трансформатор трансформатор з масляним охолодженням .Провал напруги під час пуску двигуна, струм у стані заблокованого ротора та імпеданс наведено детальніше в нашому посібнику з пуску двигунів.

 

Гармоніки: чому специфікація, сумісна з приводами, зазвичай припиняється наполовину

Більшість цементних ліній, побудованих або модернізованих за останнє десятиліття, працюють із млинами та вентиляторами через частотні перетворювачі змінного струму; шестипульсний перетворювач споживає струм із хвилею, багата на п’яті та сьомі гармоніки, до будь-якого фільтрування. Ці струми виконують дві функції: вони спотворюють напругу на шині підприємства й викликають додаткові вихрові втрати в обмотках трансформатора, що проявляються у вигляді локальних «гарячих точок», а не загального підвищення температури масла, яке показує термометр масла. Наслідком для трансформатор для цементного заводу є те, що температура «гарячої точки» в обмотці, а не температура верхнього шару масла, стає визначальним обмеженням.

IEEE 519 встановлює граничні значення гармонічних струмів, виміряних у точці спільного підключення; для коефіцієнтів короткого замикання, типових для шини підприємства, загальне спотворення за рахунок навантаження (TDD) знаходиться в однозначному діапазоні — саме тому при перевірці підключення до електромережі комунальна служба вимагає не заявленого рейтингу K, а фактично виміряної відповідності. гармоніки частотних перетворювачів змінного струму тому є вхідним параметром специфікації, а не проблемою, що виникає на подальших етапах.

Трансформатори з коефіцієнтом K існують саме для такого навантаження й є стандартним рішенням у випадках, коли гармоніки частотних перетворювачів змінного струму такі навантаження присутні у великій кількості. Коефіцієнт K — це сума, за всіма гармоніками, квадратів відносних значень струму гармоніки, помножених на квадрат її порядку: 25-відсоткова п’ята гармоніка окремо вносить 0,25² × 5² = 6,25 відносних одиниць вихрових втрат. Трансформатори з коефіцієнтами K-4, K-9 та K-13 виготовляються так, щоб втрати в обмотках і осерді залишалися в межах проектного градієнта при такому спектрі, а маркування визначено в стандарті UL для сухих трансформаторів.

Для потужних трансформатор з масляним охолодженням одиниць одного лише рейтингу K недостатньо. Теплову проблему вирішують шляхом зниження номінальної потужності одиниці з урахуванням реального спектру гармонік — саме це описано в стандарті IEEE C57.110 — а також шляхом вимоги до постачальника надати розрахунки гармонійних втрат замість просто вказувати суфікс на табличці. У випадках жорсткого спектру економічніше рішення часто знаходиться на рівні живлення: дванадцятипульсна конфігурація, активний вхідний каскад або банк детюнованих фільтрів на шині приводу.

 

Пил, тепло та охолодження: умови майданчика, що визначають тип корпусу

Підвищення температури трансформатора вказується за максимальною навколишньою температурою 40 °C у звичайній основі IEC 60076. Цементні заводи в Затоці, Сахелі та частинах Південной Азії постійно працюють при температурі в тіні 45–50 °C, а теплове випромінювання від обертових пічних корпусів і башт передгрівачів додає навантаження до локального середовища. При температурі навколишнього середовища вище базової номінальна потужність агрегату має бути знижена, або його слід замовити з меншим проектним градієнтом температури — при тій самій номінальній потужності агрегат просто буде працювати при вищій температурі й швидше старіти.

Пил — друга частина проблеми, і це спочатку проблема охолодження, а вже потім — чистоти. Цементний та сировинний пил є дрібним, лужним і трохи провідним після поглинання вологи, тому він утворює «мостик» вздовж шляхів креепажу навколо вводів та клемних коробок. Він також заповнює зазори в гофрованих стінках бака та ребрах радіатора, де відбувається значна частина трансформатор з масляним охолодженням втрачає більшу частину тепла. Примусово охолоджуваний пристрій із засміченими фільтрами повністю втрачає примусовий клас охолодження й повертається до свого класу самостійного охолодження саме в той момент, коли електростанція працює з максимальною навантаженістю.

Що це означає на етапі технічних специфікацій: більша відстань між ребрами або радіаторами у пилових умовах, корпуси кінцевих з’єднань ступеня захисту IP54 або вище, ущільнення й прокладки, розраховані на лужний пил, а також постійний контроль перепаду тиску в будь-якому примусово охолоджуваному блоку, щоб команда технічного обслуговування могла вчасно виявити забруднення фільтрів до того, як це призведе до втрати потужності. Якщо сухий трансформатор встановлюють усередині приміщення РУВН, вибір корпусу ґрунтується на тій самій логіці — фільтри, ущільнення та плановий інтервал очищення. Трансформатори, спеціально розроблені для гарячих і пилових об’єктів дотримуються порівняльного набору правил.

 

Сертифікація та випробувальні дані, які слід вимагати під час ФАВ

Для цементних проектів Північної Америки питання сертифікації вирішується раніше, ніж питання експлуатаційних характеристик, оскільки інспектор прибуває зі списком. Рідинозаповнені та сухі трансформатори повинні мати відповідну сертифікацію залежно від їхньої категорії; канадські об’єкти потребують позначок CSA або визнаного еквівалента, а ринки IEC регулюються стандартом IEC 60076, причому до сухих трансформаторів застосовується IEC 60076-11. Загальні вимоги та методи випробувань для рідинозаповнених трансформаторів викладено в стандартах IEEE C57.12.00 та IEEE C57.12.90.

Поза межами встановлених норм, заводські приймальні випробування — це той етап реалізації цементного проекту, на якому визначається, чи буде дотримано графік пусконалагодження. Базовими параметрами є коефіцієнт трансформації, полярність, опір обмоток, втрати холостого ходу, втрати під навантаженням, імпеданс, випробування з прикладеною та індукованою напругою, а також підвищення температури й імпульсні випробування як типові випробування. Два додаткові елементи варті додаткового дня у випробувальному боксі: по-перше, звіт про виміряне підвищення температури, пов’язаний із фактичною температурою навколишнього середовища на об’єкті замість загального значення 40 °C; по-друге, аналіз частотної відповідки (SFRA) з отриманням «відбитку» до відправлення одиниці, щоб будь-які пошкодження під час транспортування можна було виявити порівнянням на місці, а не обговорювати.

 

Як ми виготовляємо та випробовуємо одиниці для цементних застосувань

Ryan Electric виробляє розподільні та силові трансформатори з 2007 року на виробничій базі площею понад 120 000 м², оснащеній більш ніж 180 комплектами виробничого й випробувального обладнання та забезпеченою 37 патентами. З 2023 року компанія підтримує спільне підприємство з Eaton. Одиниці для цементних застосувань виготовляються на тих самих лініях, що й продукція для енергетичних мереж та дата-центрів, як у трансформатор з масляним охолодженням та сухий тип конструкції.

 

 

У цементних проектах ми вимірюємо втрати холостого ходу та навантаження на кожному агрегаті замість того, щоб наводити розрахункові значення, а запас за втратами на гармоніках розраховуємо окремо для кожного проекту з урахуванням графіку роботи приводів замовника. Першим документом, який просять наші інженери з підбору обладнання, є не специфікація трансформатора, а перелік приводів — скільки приводів, яке число імпульсів і чи є в ланцюзі роликова дробарка, — оскільки саме цей документ визначає коефіцієнт K, клас імпедансу та систему охолодження у зазначеному порядку.

Інша звичка, що скорочує терміни введення в експлуатацію на тижні, — це упаковка. Цементний завод, як правило, розташований у внутрішніх районах країни, тобто до нього потрібно добиратися автомобільним або залізничним транспортом після порту, тому агрегати закріплюють для перевезення наземним транспортом з урахуванням ударних навантажень, мастило постачається в герметичних барабанах для агрегатів більшої потужності, а відбиток SFRA надсилається разом із звітом про випробування, щоб команда на місці мала базове значення для порівняння.

 

Розміщення замовлення відповідно до вікна зупинки печі

Цементний завод не зупиняється через трансформатор. Він зупиняється на технічне обслуговування, а дата цього обслуговування визначається тривалістю кампанії печі, тому графік закупівель має розраховуватися назад від цієї дати, а не вперед від моменту замовлення. підбір трансформатора за потужністю і планування термінів поставки також повинні бути включені в цей графік.

Надішліть нам однолінійну схему, перелік приводів, параметри навколишнього середовища на місці та дату зупинки, і ми надамо вам номінальну потужність, клас імпедансу, схему охолодження та дату. Зверніться до нашої групи інженерів з застосувань за адресою [email protected] або за телефоном +86-15371760308, і ми розрахуємо пускові та гармонійні параметри для вашого реального переліку двигунів.

Про автора: Цей посібник підготувала команда інженерів з застосувань компанії Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd. (Ryan Transformers), яка проектує та виробляє трансформатори масляного й сухого типів для промислових клієнтів, енергетичних компаній та центрів обробки даних з 2007 року. Питання, пов’язані з конкретними проєктами — наприклад, запуском на мілі, зниженням потужності через гармоніки або зниженням потужності через температуру навколишнього середовища на об’єкті, — безпосередньо вирішує інженерна команда за адресою [email protected].