Вибір трансформатора для заводів зі стиснення ПГ: розрахунок потужності для приводів компресорів, корозійна стійкість у прибережних зонах та використання в небезпечних зонах

 

Минулого грудня підрядник EPC у Перській затоці надіслав нам специфікацію на шість трансформаторів напругою 13,8 кВ для живлення приводів компресорів хладагенту в лінії зрідження. Потужність у кВА була вказана, імпеданс також був вказано, а систему фарбування описано трьома словами: «морського класу». Цей вираз майже нічого не говорить заводу трансформаторів. Перш ніж надати комерційну пропозицію, ми поставили два запитання: де розташований кожен трансформатор щодо технологічної зони та який гармонійний спектр на вході приводу? Відповіді змінили конструкцію чотирьох із шести трансформаторів.

А трансформатор для заводів ЗПГ не є звичайною потужністю у кВА під іншою назвою на табличці. Він розташований там, де перетинаються три набори вимог: тривала важка експлуатація від потужних приводів змінної частоти, морське середовище, що «пожирає» фарбу, і система безпеки, розроблена навколо контролю вогню та газу, а не електричної зручності. Цей перетин стає все більш насиченим. Експорт ЗПГ із США у середньому становив 17,4 млрд куб. футів/добу у першій половині 2026 року — на 23 % більше, ніж за аналогічний період 2025 року , із Plaquemines, що працює на повну потужність, Corpus Christi Stage 3, що експортує з шести з семи потужностей, та Golden Pass, що почне поставки з квітня 2026 року, згідно з Аналізом EIA щодо експорту СПГ . Потужність експорту Північної Америки, за прогнозами, майже подвоїться до 2029 року, і практично кожна з цих потужностей розташована на узбережжі.

Чому трансформатор для заводів СПГ працює інтенсивніше, ніж вказано на табличці

 

Почнемо з навантаження. Ліквідаційна потужність — це безперервний процес, а не фабрика, що працює у зміни. Компресори хладагенту працюють під високим навантаженням протягом місяців поспіль, а коефіцієнт навантаження протягом звичного тижня знаходиться в діапазоні 80–95 %. Не буває спокійної недільної ночі, щоб дати обмотці охолонути, тож конструкції, запозичені з практики будівництва комерційних будівель, виявляються недостатньо потужними для такого навантаження.

Потім додають умови навколишнього середовища. Об’єкт із Південного узбережжя США, Північної Африки або Південно-Східної Азії для рідкого природного газу поєднує температуру навколишнього середовища 45 °C, повітря, насичене соллю, а в деяких місцях — також експозицію циклонам. Зовнішній блок піддається всім трьом чинникам; внутрішній блок — лише вологості та конденсації. Механічна специфікація — система фарбування, прокладки, клапани-вентилятори, нагрівальні елементи — має таке саме значення, як і електрична.

Третій чинник стосується покупців, які приходять із звичайних промислових підприємств: ці навантаження є багатогармонійними, і це проблема розміру обладнання, а не просто зауваження щодо якості живлення.

Навантаження, що визначає розмір одиниці: приводи компресорів та гармоніки

 

Компресори для пропану та суміші хладагентів на сучасному потязі зазвичай мають потужність від 4 МВт до 30 МВт і працюють від двигунів на 6,6 кВ або 13,8 кВ; їх майже завжди живлять частотні перетворювачі. Шестипульсний перетворювач споживає струм, багатий п’ятими та сьомими гармоніками. Перехід до 18- або 24-пульсної схеми чи до активного вхідного каскаду значно зменшує спотворення, але не усуває його повністю.

Гармонійні струми не просто накладаються на основну хвилю. Вони викликають вихрові та розсіяні втрати в обмотках і конструктивних частинах, а ці втрати концентрують тепло в «гарячій точці» обмотки — саме в цьому місці визначається термін служби ізоляції. Зниження номінальної потужності через гармоніки — це корекція, а IEEE C57.110 — це посилання, яким найчастіше користуються проєктанти Північної Америки: у ньому викладено методи визначення реальної навантажувальної здатності маслонаповнених або сухих трансформаторів за умови, що частина навантаження має несинусоїдальну форму. Обмеження спотворень у точці приєднання регулюються окремо в стандарті IEEE 519. Для трансформатор для заводів ЗПГ , цей спектр має надходити від постачальника приводу, а не з шаблону.

Ось та частина, що змінює проект. У двигуні з прямим підключенням до мережі струм під час пуску, як правило, визначає потужність трансформатора. У компресорному приводі з частотним перетворювачем (VFD) пусковий струм контролюється приводом і більше не є визначальним фактором. Розмір одиниці часто визначається тривалим навантаженням і нагріванням внаслідок гармонік — а іноді й стійкістю приводу до провалу напруги, яка залежить від імпедансу, а не від кВ·А. Ми спостерігали, як привід відключався під час введення в експлуатацію через те, що імпеданс було обрано виключно з урахуванням координації струмів короткого замикання.

Підвищення температури визначає запас. Стандарт IEEE C57.12.00 передбачає два поширені стовпці для трансформаторів з рідким охолодженням: підвищення середньої температури обмоток на 55 °C із «гарячою точкою» на 65 °C або підвищення середньої температури на 65 °C із «гарячою точкою» на 80 °C. Специфікації LNG, як правило, відповідають другому стовпцю, оскільки це забезпечує додатковий запас навантаження в умовах високої навколишньої температури без збільшення площі радіатора. Однак це також витрачає запас ізоляції, тому потрібне детальне дослідження навантаження замість припущення.

Один зі звичаїв нашого відділу цитування: коли до нас надходить технічний паспорт приводу компресора без спектру гармонік, ми вимагаємо його надання. У недавньому проекті різниця між типовим шестипульсовим спектром, вказаним у шаблоні замовника, та фактичною конфігурацією приводу призвела до зниження рекомендованого номіналу на дві стандартні сходинки. Якщо ж припуститися помилки в іншому напрямку, той самий розрив перетвориться на відмову замість економії.

 

Трансформатор з оливним охолодженням чи литий епоксидний трансформатор? Нехай рішення приймає місце встановлення.

 

Це перше рішення щодо будь-якого проекту зі СПГ, і це насправді не електротехнічне рішення. Креслення класифікації зон та стратегія протипожежного захисту визначають, що саме можна встановлювати та де; лише після цього має значення порівняння технологій.

Ключовий момент прийняття рішення	Трансформатор з масляним охолодженням	Ливаний епоксидний трансформатор
Звичайна установка	Зовнішня територія поряд із технологічною лінією, на спеціальній площадці з утриманням нафти	Внутрішнє електричне приміщення або кімната поруч із системою керування
Поведінка вогню	Мінеральне масло є горючим; вимагає дотримання мінімальних відстаней, протипожежних стін та утримуючих споруд	Обмотки з епоксидною заливкою, самозагасаючі, з низьким навантаженням на пожежу
Типовий діапазон потужності	5 МВА до 60 МВА і більше	0,5 МВА до 15 МВА
Маса та площа основи	Важчий; фундамент і доступ крана сплановано заздалегідь	Легший; простіше встановлювати в модульних електричних будинках
Охолодження	ONAN або ONAF із радіаторними блоками	AN або AF із вентиляторами та приміщеннєвою вентиляцією
Зовнішня корозія	Високий ступінь впливу; потрібна система фарбування ISO 12944 C5-M	Низький ступінь впливу, захищений будівельною оболонкою
Режим технічного обслуговування	Тестування масла, перевірка повітряних фільтрів і прокладок, очищення радіаторів	Очищення, перевірка моменту затягування та інфрачервоне сканування
Найкраще підходить для об'єкта	Основне розподільне обладнання середньої напруги та живлення потужних компресорів на вулиці	Розподільне обладнання низької/середньої напруги, системи безперебійного живлення (UPS) та допоміжні навантаження з високим вмістом гармонік у приміщенні

 

Зверніть увагу: у таблиці не визначається переможець. У більшості берегових проектів СПГ, які ми цитуємо, обидві технології використовуються в одному технологічному блоку: трансформатор з масляним охолодженням на території об'єкта — для транспортування основного хладоагенту або комунального навантаження, і ливаний епоксидний трансформатор одиниці всередині електропідстанції — для живлення розподільних щитів, систем UPS та допоміжних навантажень з високим вмістом гармонік, де витік масла є неприпустимим.

Цитування вартості трансформатор з масляним охолодженням для берегового об'єкта зводиться до чотирьох пунктів: збереження масла (герметичний бак із азотною подушкою порівняно з резервуаром-консерватором із дихальним клапаном), система фарбування, регулювання напруги під навантаженням у разі коливань напруги мережі, а також захисні аксесуари, зокрема клапани зниження тиску, реле Бухгольца та індикація температури обмоток.

Для ливаний епоксидний трансформатор , еквівалентний перелік включає клас ізоляції щодо проектної навколишньої температури, рейтинг AN порівняно з AF, ступінь захисту корпусу за класифікацією IP та зниження номінальної потужності через гармоніки за рахунок конструкції з коефіцієнтом K або документованого розрахунку. У приміщеннях вентиляція кімнати стає частиною специфікації трансформатора, оскільки блок із примусовим охолодженням вентилятором відводить свої втрати в простір, який ніколи не розраховувався на таке навантаження.

Небезпечні зони, протипожежне розділення та правила, що визначають планування

 

Заводи з виробництва рідкого природного газу (LNG) — це не нафтопереробні заводи з іншим позначенням продукту. NFPA 59A визначає вимоги до розташування, проектування, будівництва та протипожежного захисту об’єктів, що виробляють, зберігають і обробляють LNG, а у Сполучених Штатах цей стандарт включено за посиланням у федеральні правила щодо об’єктів LNG у 49 CFR Part 193 обидва підходи спрямовані на одне й те саме: уникати джерел запалювання поблизу місць витоку речовин та підтверджувати це на плані ділянки. На практиці це означає, що трансформатори рідко розташовують усередині класифікованих зон; їх зазвичай встановлюють у електророзподільних будівлях у некласифікованих зонах або на відкритих територіях із чітко визначеним розділенням, системами відводу води, утримання та протипожежного захисту.

Перша наслідкова вимога — це відстань. Коли електророзподільну будівлю відсувають для забезпечення безпеки, довжина кабельних трас збільшується, що призводить до зростання спаду напруги, ємнісного струму кабелю та подовження шляху короткого замикання. Тому вибір імпедансу має узгоджуватися з частотними перетворювачами та параметрами систем захисту, а не просто копіюватися з типового шаблону — про такий компроміс йшлося в нашому посібнику з імпеданс трансформатора .

Друге — це формулювання. Ми регулярно бачимо фразу, що вимагає трансформатор «підхожий для встановлення в небезпечній зоні». Сухий трансформатор можна встановити в деяких класифікованих місцях за умови використання відповідного корпусу й системи підтримання тиску, але зазвичай дешевшим рішенням є перенесення електророзподільного приміщення замість придбання спеціалізованого трансформатора.

Корозія в прибережних районах, висока температура навколишнього середовища та навантаження від штормів

 

Корозія — це повільний механізм відмови на прибережних об’єктах із рідким природним газом, і вона рідко вражає ті ділянки, яких очікують люди. Корпус резервуара, як правило, витримує якісне фарбування; першими виходять із ладу ребра радіатора, охолоджувальні аксесуари, болтові з’єднання та таблички. Для об’єктів у зоні впливу солоного туману ми вказуємо систему покриття ISO 12944 C5-M для резервуара, радіаторів і основи, кріплення з нержавіючої сталі або гарячеоцинковане, а також герметичні кабельні коробки. Якщо присутні також кислотні гази, то характер обговорення змінюється — це ми розглянули в нашій статті про трансформатори для геотермальних електростанцій .

Температура навколишнього середовища в умовах експлуатації — другий чинник, що впливає на вартість. Стандартні параметри розраховані на середню температуру навколишнього середовища 40 °C, тоді як об’єкти в регіоні Перської затоки, Червоного моря та Західної Африки зазвичай вимагають 45 °C або 50 °C. Цю різницю доводиться компенсувати: збільшити розмір одиниці, додати ступені охолодження або прийняти знижену номінальну потужність у безперервному режимі й надати документацію з розрахунку навантаження, що підтверджує її достатність. Покупці, які просто копіюють температурні параметри навколишнього середовища з попереднього проекту, зазвичай дізнаються про додаткові витрати під час схвалення креслень, коли графік вже не залишає резерву часу.

Вимоги до стійкості проти штормів і вологості завершують механічну специфікацію: кріплення основи з урахуванням вітрового або сейсмічного навантаження для конкретного місця розташування, нагрівальні елементи проти конденсації для вологих нічних умов, а також спеціальний підбір клапанів-вентиляторів і прокладок, придатних для морського повітря. Наш довідник з вибору обладнання для тропічного клімату детальніше розглядає питання конденсації.

Місце Ryan Electric

 

Ryan Electric виробляє продукцію на заводі площею 120 000 м² у Цзянсу, де встановлено понад 180 комплектів виробничого й випробувального обладнання та зареєстровано 37 патентів; компанія виготовляє трансформатори з 2007 року. З 2023 року компанія діє як офіційний спільний підприємець Eaton, а її сертифікаційний портфель включає схвалення UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS та CE.

Для робіт із рідким природним газом (LNG) та переробки газу найважливішими частинами заводу є випробувальна камера та комплект документації. Кожна одиниця проходить вимірювання коефіцієнта трансформації, опору обмоток, втрат холостого ходу, втрат під навантаженням та імпедансу, діелектричні випробування, а також — за вказівкою — випробування на підвищення температури й вимірювання часткових розрядів у сухих трансформаторах. Коли покупець вимагає документального підтвердження здатності до роботи з гармоніками, ми розраховуємо зниження номінальної потужності через гармоніки на основі спектру приводу, використовуючи метод IEEE C57.110, і наводимо повний розрахунок, оскільки просто цифра зниження номінальної потужності без пояснення має незначну цінність під час перевірки технічної пропозиції.

Шестичастинне дослідження для затоки, яке розпочинає цю статтю, завершилося змішаним комплектом: три одиниці з масляним охолодженням для встановлення на відкритому майданчику та три одиниці з литою смолою для електрощитової будівлі, причому навантаження на компресор було знижене з урахуванням реального спектра гармонік від постачальника приводу — типова конфігурація добре спроектованого трансформаторного комплекту для LNG.

Що включити до вашого запиту пропозицій перед замовленням

 

Якщо ви готуєте запит пропозицій щодо трансформаторного комплекту для LNG або газової установки, ці сім пунктів відрізняють цитату, яку можна порівняти, від тієї, що потребує повного перероблення:

Спектр гармонік, а не загальна цифра. Зверніться до постачальника приводу за поточним спектром струмових гармонік, кількістю імпульсів та схемою фільтрів. Єдине значення THD не дозволяє знизити навантаження на обмотку.

Класифікація зони та призначена локація кожної одиниці, взята з поточного плану розташування.

Розрахункова температура навколишнього середовища, висота над рівнем моря та клас корозійної стійкості , з чітким зазначенням класу ISO 12944 замість опису.

Коефіцієнт тривалого навантаження та схема резервування , а також тривалість будь-якого очікуваного перевантаження.

Ціль сертифікації, зафіксована до завершення проектування. Сертифікація UL або CSA, випробувальні звіти IEEE C57.12.00 та C57.12.90 або документація IEC 60076 для проектів на основі стандартів IEC.

Присутність під час випробувань та надання документації , домовлено письмово до розміщення замовлення.

Запасні частини та товари з тривалим циклом поставки. Оскільки терміни поставки великих трансформаторів досі вимірюються роками, план закупівлі запасних частин і аксесуарів має бути включений у перше замовлення.

Якщо ви визначаєте трансформатор для заводів ЗПГ , надішліть однолінійну схему, умови монтажу та спектр навантаження приводу нашій інженерній команді через www.ryantransformers.com , або напишіть на [email protected]. Ви отримаєте рекомендацію щодо потужності, математичні розрахунки пониження номінальної потужності та графік виробництва, який відображає реальний черговий список замовлень, а не оптимістичну оцінку.

Про автора

Цю статтю підготувала інженерна команда з трансформаторів Ryan Electric. Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) проектує та виробляє трансформатори сухого типу з литою смолою та VPI, трансформатори з масляним охолодженням та блок-трансформатори на підставці на своїй виробничій базі площею 120 000 м² і працює як офіційний спільний підприємство Eaton з 2023 року. Компанія постачає обладнання для проектів у сфері рідкого природного газу (LNG), переробки газу, центрів обробки даних, промислових об’єктів та енергетичних систем у Північній Америці, на Близькому Сході, у Південно-Східній Азії та Африці.