Трансформатори для опріснювальних установок: розрахунок потужності насосів SWRO, гармонік та захисту від корозії

 

Підрядник EPC, який працював над установкою зворотного осмосу морської води поблизу Джебель-Алі, надіслав нам у березні однолінійну схему разом із супровідною запискою, у якій електричний обсяг робіт був названий «по суті остаточним». На кресленні було показано один трансформатор потужністю 20 МВА на напругу 33/11 кВ, проектну навколишню температуру 45 °C та одинадцять двигунів високотискових насосів, що живляться від спільної шини 11 кВ. Дві запитання змінили специфікацію ще до замовлення будь-якого обладнання: яка справжня навколишня температура в липні на цій установці та скільки з цих насосів запускаються протягом одного й того самого десятихвилинного інтервалу. Обидві відповіді вимагають збільшити потужність трансформатора для опріснювальної установки трансформатор для опріснювальної установки на значно більшу величину, ніж вказує перелік навантажень.

На папері трансформатор для опріснення виглядає як простий агрегат базового навантаження — одна цифра у кВА. У роботі він працює безперервно за високої навколишньої температури, живить електродвигуни, які є великими порівняно з загальним підключеним навантаженням установки, поглинає гармоніки від частотно-регульованих приводів на насосах подачі розчину через мембрану й розташований у повітрі, насиченому соллю, що руйнує будь-яке корпусне обладнання, прохідні ізолятори та кріплення на об’єкті. Цей посібник охоплює чотири рішення, які визначають, чи пропрацює агрегат весь строк свого проектного терміну.

 

Чому навантаження в системах опріснення не відповідають стандартним специфікаціям для трансформаторів

Зворотний осмос морської води — це процес базового навантаження. Завод може не працювати у вихідні дні; лінія опріснення — ні. Найбільші споживачі електроенергії в ній — це насоси високого тиску, які працюють у сталому режимі більшу частину доби. Опубліковані дослідження енергоспоживання у системах ЗОМВ вказують на питоме енергоспоживання приблизно 2,5–3,5 кВт·год на кубічний метр після встановлення пристроїв рекуперації енергії, що зростає до 3,5–5,5 кВт·год/м³ за менш оптимальної рекуперації.

Проведіть ці розрахунки для завод потужністю 300 000 м³/добу а електричне навантаження стабілізується на рівні приблизно 30–40 МВт постійного навантаження — до врахування попередньої обробки, перекачування та допоміжних систем. Такі програми, як програма Державного бюро з освоєння водних ресурсів США Досліджень у галузі опріснення та очищення води створені спеціально для зниження цього показника споживання енергії, що свідчить про розташування коштів: вода — це продукт, а електроенергія — найбільша складова поточних експлуатаційних витрат.

 

Картографування електричного навантаження установки зворотного осмосу для морської води

Перш ніж визначати розміри обладнання, розділіть завод на групи навантажень. Вони мають різну поведінку, а на великих заводах зазвичай живляться від різних шин.

 

Група навантажень	Типовий рейтинг	Характер роботи
Насоси зворотного осмосу високого тиску	по 3–8 МВт кожен, 11 кВ або 6,6 кВ	Постійне базове навантаження; з регулюванням частоти (VFD) або плавним запуском
Пристрої відновлення енергії	0,5–2 МВт	Неперервна робота, слідкує за навантаженням насоса високого тиску
Підвищувальні та перекачувальні насоси	200 кВт–2 МВт	Неперервна робота з частими пусками
Попередня обробка (фільтри, дозування)	100–800 кВт	Переривчастий
Допоміжні системи (системи опалення, вентиляції та кондиціювання повітря, освітлення, системи керування)	300–1500 кВт	Стабільне, з низьким вмістом гармонік

 

Група високотискових насосів керує всім іншим. На великій Установці зворотного осмосу (SWRO) з вісімма лініями самі високотискові насоси можуть мати сумарне підключене навантаження 40–50 МВт. Інші групи мають значення для допоміжної шини, але саме група насосів визначає потужність головного трансформатора, схему охолодження та струм короткого замикання, який має витримувати одиниця.

 

Підбір трансформатора для установки опріснення

Aтрансформатор для опріснювальної установки здійснюється одночасно за трьома параметрами: постійним навантаженням, пусковим навантаженням найбільшого двигуна та вмістом гармонік у перетворювачах. Одиниці, що надходять недостатньо потужними, майже завжди не витримують саме першого параметра.

Розпочніть із постійного навантаження. Додайте потужності за табличками двигунів, застосуйте реалістичний коефіцієнт попиту — 0,85–0,95 для установки, що працює на проектній потужності, — а потім додайте навантаження допоміжної шини. Далі перевірте пускові характеристики двигунів: високотисковий насос потужністю 6 МВт при прямому підключенні до мережі двигун може споживати струм у п’ять–шість разів більший за номінальний протягом кількох секунд, і викликане цим падіння напруги на затискачах двигуна має залишатися в межах, прийнятних як для технологічного процесу, так і для енергопостачальної організації. М’які пускачі та частотні перетворювачі зменшують пусковий струм, але не усувають необхідності, щоб трансформатор забезпечував його.

 

Перевірка розмірів	Що перевіряти	Типова проектна мета
Неперервний номінальний режим	Неперервне навантаження з урахуванням коефіцієнта попиту після корекції на температуру навколишнього середовища	Немає тривалої роботи вище номінальної потужності (кВА), вказаної на табличці
Запуск двигуна	Пуск найбільшого насоса за умови, що всі інші навантаження працюють	Падіння напруги в межах допустимих значень для підприємства та енергопостачальної організації
Гармонійне навантаження	Кількість імпульсів перетворювача та спектр гармонійних струмів	Коригування номінальних параметрів, розраховане згідно з IEEE C57.110
Запасна потужність	Майбутні поїзди або заміна мембрани	запасна потужність 15–25 % у кВА
Спроможність витримувати аварійні струми	Струм короткого замикання на об’єкті від енергопостачальника	Підтверджена стійкість до короткого замикання
Оцінка втрат	Втрати холостого ходу та під навантаженням, капіталізовані протягом терміну служби	Найнижча загальна вартість володіння, а не найнижча ціна

 

Гармонійне навантаження від частотно-керованих насосів високого тиску

Майже кожен новий Установці зворотного осмосу (SWRO) керує своїми насосами високого тиску за допомогою перетворювачів частоти, оскільки дроселювання насоса потужністю 6 МВт споживає більше енергії, ніж коштує сам перетворювач. Перетворювач також є головним джерелом спотворення струму на станції. Перетворювач з шістьма імпульсами генерує характерні гармоніки 5-го, 7-го, 11-го та 13-го порядків; дванадцятиімпульсна конфігурація компенсує 5-ту та 7-му гармоніки на трансформаторі; вісімнадцятиімпульсна схема зміщує першу значущу гармоніку ще вище.

Трансформатор «оплачує» ці гармоніки двічі. Додаткові вихрові струми та розсіяні втрати нагрівають обмотки сильніше, ніж це викликано лише струмом навантаження, саме тому одиниця, що працює з гармонійним навантаженням, потребує рейтингу K-фактора або еквівалентного зниження номінальної потужності, розрахованого для IEEE C57.110 а не число кВА, скопійоване з каталогу. Загальне спотворення в точці загального підключення має залишатися в межах, встановлених енергопостачальною організацією — перевірка проводиться під час введення в експлуатацію, а не на етапі проектування. Асоціацією стандартів IEEE встановлює гармонійні обмеження, якими керуються енергопостачальні організації Північної Америки, і їх варто уважно вивчити до вибору постачальника частотних перетворювачів, а не після.

Один стандартний підхід у специфікаціях значно зменшує цей ризик: вимагайте від постачальника частотних перетворювачів спектр гармонійних струмів для фактичного режиму роботи, а не значення загального коефіцієнта гармонік (THD) з технічного паспорту при повному навантаженні. Мембранні установки рідко працюють при повному навантаженні тривалий час, а спотворення зазвичай найбільше в діапазоні часткового навантаження, у якому установка працює насправді.

 

Корозія, температура навколишнього середовища та зниження номінальних параметрів на узбережжі затоки Мексиканської

Установка зворотного осмосу — це найдужче електричне середовище, в якому доводиться працювати трансформаторам. Солений аерозоль, висока вологість та температура навколишнього середовища на узбережжі затоки Мексиканської, що протягом місяців може перевищувати 45 °C, одночасно впливають на обладнання й його номінальні параметри.

Захист від корозії починається зі специфікації корпусу. ISO 12944-8 , частина серії стандартів ISO 12944, що регулює порядок визначення захисних фарбових систем для нових робіт, — це стандарт, який найчастіше згадують європейські та близькосхідні підрядники у своїх специфікаціях. На практиці це означає документально підтверджену систему для Морської категорії корозійної агресивності C5-M , сталевих конструкцій із гарячим цинкуванням або еквівалентного покриття, кріплення з нержавіючої сталі по всьому об’єкту та герметичні місця з’єднання з втулками.

Навколишня температура — друга пастка, і саме вона непомітно зменшує потужність. Згідно з правилами корекції за навколишньою температурою в IEC 60076-2 і IEEE C57.12.00, припустиме середнє підвищення температури обмоток знижується, коли температура навколишнього середовища на місці перевищує опорну величину. Підприємство, розташоване на 10 °C вище за опорну температуру, не може просто використовувати кращу ізоляцію — пристрій або приймає нижче підвищення температури, або втрачає кВА. Ми постійно спостерігаємо це у запитах із Перської затоки, де в тендерній документації вказана проектна температура навколишнього середовища як «45 °C», а насправді на місці вона становить 50 °C.

Охолодження потребує такого ж ретельного аналізу. У нерухомому, гарячому й вологому прибережному повітрі радіаторний блок типу ONAN працює нижче своїх паспортних показників, саме тому на прибережних підприємствах зазвичай вказують трансформатор з масляним охолодженням охолодження типу ONAF із вказаною продуктивністю за проектною температурою навколишнього середовища на місці, а не за стандартною опорною температурою. Саме тому питання щодо магнітопроводів з низькими втратами й питання щодо збільшення запасу охолодження мають розглядатися одночасно.

 

 

Що Ryan Electric надає для проектів опріснення

Ті самі чотири запитання вирішують кожне трансформатор для опріснювальної установки ми надаємо цитати, тому технічний огляд є стандартизованим, а не спонтанним. Ми виготовлюємо обидві частини продукту на нашому заводі площею 120 000 м² у Цзянсу, Китай. Наш трансформатор з масляним охолодженням діапазон охоплює напругу від 10 кВ до потужності 200 МВА з радіаторними батареями ONAN/ONAF та регуляторами відводів під навантаженням; литі епоксидні та VPI сухі трансформатори призначені для внутрішніх комутаційних приміщень і допоміжних шин. Ryan Electric виробляє трансформатори з 2007 року, має 37 патентів, експлуатує понад 180 комплектів виробничого й випробувального обладнання та з 2023 року працює як партнер Eaton у спільному підприємстві.

Для прибережних проектів стандартний обсяг робіт передбачає документовану систему покриття C5-M, тест із соляним туманом тривалістю 1000 годин щодо формування покриття, а також перевірку замовником у нашій акредитованій DEKRA та CNAS лабораторії за стандартами IEC 60076-1 і IEEE C57.12.90 перед відправленням.

Як зазвичай виходить не так при запиті на десалінаційний трансформатор

Шаблон збою повторюється достатньо часто, щоб описати його у загальному вигляді. EPC із Перської затоки видає специфікацію на 25 МВА, 33/11 кВ трансформатор з масляним охолодженням за проектною навколишньою температурою 45 °C, розмір визначено за загальною потужністю на табличці двигуна. Пізніше надходять спектр гармонік від постачальника приводу та зафіксована у липні навколишня температура на об’єкті. Необхідний номінальний показник зростає, схема охолодження змінюється з ONAN на ONAF, а діапазон регулювання відводів потрібно розширити. Якщо слот у виробничому графіку був заброньований за оригінальним номіналом, ця зміна відбувається всередині терміну виготовлення замість того, щоб бути виконаною до його початку.

 

Галочка	Що демонструє надійний постачальник
Основа розрахунку розмірів	Список навантажень із коефіцієнтом одночасності та прикріпленим спектром гармонік приводу
Навколишнє	Розрахунок зниження номінальних параметрів за підтвердженою замовником навколишньою температурою на об’єкті, у письмовій формі
Корозія	Документовано систему покриття C5-M та результати випробування на стійкість до солевого туману
Охолодження	Експлуатаційні характеристики ONAF вказано для проектної навколишньої температури на об’єкті, а не для стандартної довідкової температури
Сертифікація	Протоколи випробувань за IEC 60076-1 / IEEE C57.12.90 для точно вказаного номінального значення
Графік	Виробничий слот заброньовано з урахуванням дати введення електростанції в експлуатацію, у письмовій формі

 

Жоден із цих пунктів не є екзотичним. Це питання, на які потрібно відповісти до фіксування креслень, і саме запізніла відповідь перетворює звичайне замовлення на повторне цитування.

 

Надішліть нам перелік навантажень до остаточного затвердження специфікації

Якщо ви визначаєте трансформатор для опріснювальної установки послугу, надішліть нам чотири речі: номінальну потужність заводу у м³/добу, графік роботи високотискового насоса з типом пускового пристрою або приводу, проектну температуру навколишнього середовища, підтверджену замовником, та струм короткого замикання та діапазон напруги від постачальника електроенергії. Наші інженери надішлють вам рекомендацію щодо підбору обладнання разом із схемою охолодження, розрахунком гармонійного навантаження, системою захисту від корозії та реалістичним вікном виробництва.

Зв’яжіться з командою через ryantransformers.com та додайте однолінійну схему — навіть PDF-файл із відмітками достатній для початку роботи. Перегляд креслення швидший, ніж повторне визначення переліку навантажень із таблиці специфікації, а на прибережних проєктах саме температура навколишнього середовища та спектр приводів найчастіше змінюють кінцевий результат.

Про автора: Цю статтю написала інженерна команда компанії Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), партнеру Eaton за спільним підприємством з 2023 року та виробнику трансформаторів масляного, литого епоксидного та наземних типів у Цзянсу, Китай. Ryan Electric обслуговує енергетичні компанії, підрядників EPC та розробників інфраструктури в Північній Америці, Південно-Східній Азії, на Близькому Сході та в Африці.