A resposta primeiro: um transformador de fábrica de cimento é dimensionado a partir da lista de cargas de moagem e do processo piro e da condição de partida dos moinhos, não a partir de uma regra prática de kVA por tonelada de cimento. O forno opera 24 horas por dia com um fator de carga acima de 0,8, portanto a carga não é o problema; o que decide a potência nominal é que alguns motores muito grandes de moinhos e ventiladores partem contra essa carga, e que uma parcela crescente dela chega através de um inversor de frequência (VFD), um acionador de rotor com anéis ou um motor síncrono. Monte a lista de cargas área por área — britador, moinho de cru, forno e pré-aquecedor, resfriador de clínquer, moinho de cimento, ensacamento — aplique fatores de demanda e diversidade, adicione reserva de projeto, verifique a queda de tensão no barramento do maior moinho, aplique derating para a corrente não senoidal que os acionadores realmente consomem, e só então aplique derating para a temperatura ambiente do lado do forno e a poeira condutiva de cimento antes de selecionar uma potência nominal padrão.
Um transformador de fábrica de cimento recebe a tensão que uma concessionária ou uma usina de geração própria entrega à instalação — comumente 33 kV, 66 kV, 110 kV ou 132 kV, e 220 kV ou 400 kV em grandes complexos integrados — e a converte na eletricidade que efetivamente produz clínquer e moe cimento: 11 kV ou 6,6 kV para os grandes motores de moinhos, ventiladores e britadores; 11 kV ou 6,6 kV reduzidos para 0,4 kV ou 0,69 kV para centros de controle de motores (MCCs), transportadores, ensacadeiras, coletores de poeira e iluminação; e auxiliares de 0,4 kV para instrumentação, ar comprimido, sistemas de água e HVAC da sala elétrica. O que separa o regime de cimento de uma carga de distribuição industrial comum não é o kVA total. É que o processo não pode ser interrompido — um forno que perde energia representa uma semana de produção perdida e um revestimento refratário danificado — que os maiores motores partem com frequência e consomem várias vezes sua corrente nominal, e que o ambiente é simultaneamente quente e cheio de poeira alcalina, abrasiva e higroscópica. Esses três fatos determinam o dimensionamento, a especificação de harmônicos e o invólucro, nessa ordem.
Tudo abaixo é escrito para a pessoa que precisa comprar ou especificar esse equipamento: um engenheiro elétrico de fábrica, um contratista EPC ou um desenvolvedor de projeto construindo uma nova unidade de moagem ou linha de clínquer. Se você está dimensionando uma carga de distribuição industrial comum, o método geral em nosso guia de dimensionamento e fórmula de orçamento e guia de dimensionamento de sistema de distribuição é o ponto de partida correto. Se seu site é uma pedreira que alimenta a fábrica, a lógica de ciclo de carga em nosso guia de transformador para mineração se aplica a essa parte da instalação; e se você está adicionando uma instalação cativa de aço ou sucata ao lado da fábrica, o regime de forno descrito em nosso guia de transformador para forno a arco elétrico é a comparação relevante. Este artigo aborda o que muda quando a carga é um moinho e forno operando continuamente.
Pontos-chave
- Comece com kWh por tonelada, não com kVA por tonelada. O consumo específico de energia elétrica de uma fábrica moderna de processo a seco é comumente citado na faixa de cerca de 90–110 kWh por tonelada de cimento, com a moagem de cimento (aproximadamente 25–40 kWh/t), a moagem de cru e os ventiladores do processo piro respondendo pela maior parte. Multiplique pela vazão e pelas horas de operação para obter uma cifra anual de energia, depois converta em uma lista de cargas — a lista de cargas, não uma regra prática, é a entrada do dimensionamento (experiência do setor / 行业经验值 para a divisão entre áreas de processo).
- A partida do moinho é o evento de projeto. Um motor de moinho partindo direto na linha consome aproximadamente 6–8 vezes a corrente a plena carga, um motor com anéis e acionador de rotor aproximadamente 2–3 vezes, e um motor acionado por VFD cerca de 1,0–1,5 vezes. Esse único número decide se a relação do transformador é de 25% de kW de motor para kVA ou 60%, e é o lugar mais barato para economizar dinheiro em toda a subestação. Veja corrente de inrush para o evento de energização relacionado e regulação de tensão para como o barramento se comporta sob carga.
- Serviço contínuo mais poeira é um problema de resfriamento e de proteção contra ingresso. O forno opera 300–350 dias por ano, então o carregamento do transformador segue um perfil plano e pesado em vez de um ciclo de trabalho, e a unidade deve ser dimensionada, resfriada e protegida para isso. A poeira alcalina de cimento migra para tudo, reveste buchas e isoladores, e se torna condutiva quando absorve umidade — portanto a especificação é sobre classe IP, distância de escoamento, acesso para limpeza e resfriamento que ainda funcione quando as superfícies de resfriamento estão empoeiradas, não apenas sobre kVA. Veja métodos de resfriamento e elevação de temperatura e seleção de buchas.
- Presuma uma carga distorcida e um suprimento fraco. Os acionadores de moinhos e ventiladores são uma carga não linear grande e em operação contínua, e muitas fábricas de cimento estão na extremidade de um alimentador longo da concessionária ou operam com geração própria com nível de curto-circuito limitado. Especifique o regime de harmônicos (fator K ou um estudo de harmônicos documentado, conforme nosso guia de harmônicos), o nível de isolamento para o nível de curto-circuito real, e a regulação de tensão para uma rede que apresenta afundamentos.
- Escolha imerso em óleo ou a seco pela localização, não pela moda. Subestações externas de moinhos e o abaixamento principal normalmente usam unidades imersas em óleo; salas elétricas, edifícios de MCC e subsolos de cabos dentro da fábrica favorecem transformadores a seco de resina fundida porque um incêndio de óleo mineral em um edifício ocupado não é aceitável. A comparação está em seleção entre imerso em óleo e a seco.
Onde o transformador se situa na cadeia de energia de uma fábrica de cimento?
Uma fábrica de cimento é eletricamente simples na forma e brutal nos detalhes: um pequeno número de cargas grandes alimentadas por um pequeno número de transformadores grandes, com quase nenhuma redundância no próprio processo. Uma única linha de processo a seco tipicamente tem uma subestação de entrada principal, uma distribuição de média tensão em anel ou radial para algumas subestações de área, e subestações unitárias nos edifícios de moinhos e MCC. A tabela abaixo é a convenção de camadas que vemos na maioria das novas fábricas, com faixas de potência realistas.
| Camada | Tensão típica de entrada / saída | Faixa de potência típica (experiência do setor) | O que alimenta, e o que deve suportar |
|---|---|---|---|
| Subestação de entrada principal | 110 / 132 / 220 kV → 33 ou 22 kV | 40–150 MVA | Toda a instalação, ou a conexão de exportação de uma usina de geração própria. Limites de harmônicos, flicker e nível de curto-circuito da concessionária se aplicam neste ponto. Geralmente com OLTC, frequentemente duas unidades para N-1 em grandes instalações. Veja OLTC vs comutador de derivação sem carga. |
| Subestação de abaixamento da rede | 33 / 22 kV → 11 kV ou 6,6 kV | 10–50 MVA | Alimenta o anel de média tensão da fábrica para as áreas de moinho de cru, forno, moinho de cimento e utilidades. Alimenta longos trechos de cabos, portanto a regulação de tensão e a corrente capacitiva dos cabos importam. |
| Subestação do moinho (cru ou cimento) | 11 / 6,6 kV → 11 / 6,6 kV ou 3,3 kV | 3–15 MVA | As maiores cargas individuais da fábrica: acionamento principal do moinho, auxiliares do moinho, prensa de rolos, separador, ventiladores de circulação. É aqui que se decide a queda de tensão na partida do motor. |
| Subestação da área do forno | 11 / 6,6 kV → 11 / 6,6 kV e 0,4 kV | 2–10 MVA | Acionamento principal do forno, ventiladores de tiragem induzida e forçada, ventiladores do pré-aquecedor e do resfriador, sistemas de queimador e combustível. Maior temperatura ambiente do site. |
| MCC / subestação unitária | 11 / 6,6 kV → 0,4 / 0,69 kV | 0,63–3,15 MVA | Transportadores, bombas, coletores de poeira, ensacadeiras, oficina, iluminação. Frequentemente a seco de resina fundida dentro de um edifício elétrico; alto teor de harmônicos quando os VFDs predominam. |
| Subestação da pedreira / britador | 33 / 11 kV → 6,6 / 11 kV | 1–8 MVA | Britador, alimentador de sapatas, transportador de longa distância. Regime cíclico com choques e ambiente empoeirado e exposto; às vezes uma unidade tipo quiosque ou montada sobre skid. Veja guia de transformador para mineração. |
| Geração própria e recuperação de calor residual | 6,6 / 11 kV → 33 / 110 kV | 10–100 MVA | Elevação a partir de turbinas cativas (carvão, coque de petróleo, gás, ou uma unidade de recuperação de calor residual) para o anel da fábrica ou a conexão da concessionária. Deve lidar com paralelismo, fluxo de potência reverso e operação ilhada. |
| Ensacamento, expedição e carregamento ferroviário | 11 / 6,6 kV → 0,4 kV | 1–2,5 MVA | Ensacadeiras rotativas, central de compressores, carregamento de caminhões e vagões, filtros de manga. A concentração de poeira é mais alta aqui. |
Duas coisas merecem atenção nessa tabela antes de você dimensionar qualquer coisa. Primeiro, a carga total conectada da fábrica é dominada por talvez cinco ou seis motores, portanto a precisão dos dados dos seus motores de moinhos e ventiladores importa mais do que a precisão de todo o resto combinado. Segundo, as salas elétricas são dispostas por área de processo, o que significa que o transformador que alimenta o forno e o transformador que alimenta a ensacadeira vivem em dois ambientes completamente diferentes e nunca devem compartilhar uma especificação comum.
Por que um transformador de distribuição comum não dá conta? Seis formas pelas quais o regime de cimento difere
Um transformador de distribuição padrão suportará os ampères. O que ele não fará é suportá-los em uma fábrica de cimento por vinte e cinco anos sem ser especificado para seis coisas que um sistema de distribuição nunca exige dele.
1. A carga é contínua e quase plana, então o guia de carregamento governa o projeto
Um forno de cimento não para. A disponibilidade anual realista para uma linha bem operada com pré-aquecedor/pré-calcinador está na região de 300–350 dias operacionais, e os circuitos de forno, resfriador e moinho operam próximos ao seu ponto de projeto durante a maior parte desse tempo. Um transformador no barramento do moinho ou do forno, portanto, vê um perfil de carga com um fator de carga alto — muito diferente de um transformador de distribuição que passa a maior parte do dia com 20–30% de carga e atinge picos por algumas horas. Isso muda o cálculo: a elevação média do enrolamento, o efeito do dia mais quente do ano sobre essa média, e o envelhecimento de longo prazo do isolamento todos precisam ser verificados contra o guia de carregamento em vez de assumidos. As consequências práticas são uma margem de projeto menor entre a carga nominal e a carga calculada do que você permitiria em uma unidade de distribuição da concessionária, e um interesse real no que o transformador faz a 105% da placa por um mês, não a 100% por um minuto.
2. O maior motor parte contra a carga, e a relação motor-transformador decide o kVA
Esta é a decisão mais cara em uma subestação de cimento. O acionamento do moinho, o ventilador de tiragem induzida do forno e os maiores motores de bombas são todos grandes o suficiente para que sua corrente de partida seja uma fração significativa da corrente nominal do transformador. Se um motor de moinho parte direto na linha enquanto o resto do barramento já está com 70% de carga, a tensão do barramento cai o suficiente para desligar contatores, travar o motor e atuar a proteção a montante. A cura convencional é aumentar o transformador. A cura melhor é mudar a forma como o motor parte — mas isso pertence ao engenheiro de processo e de acionamento, e precisa ser acordado antes de o transformador ser encomendado, porque é a diferença entre uma unidade de 5 MVA e uma de 10 MVA.
3. Uma grande parcela da carga chega através de um conversor eletrônico de potência
Acionamentos de moinhos, ventiladores de forno e resfriador, transportadores, prensas de rolos e ventiladores de separador são cada vez mais alimentados por VFD, e alimentado por VFD significa corrente não senoidal com um espectro harmônico rico nas 5ª, 7ª, 11ª e 13ª ordens, mais componentes de frequência de chaveamento do estágio retificador de entrada. Um único acionamento multinível grande pode ser de 12 pulsos ou 18 pulsos e razoavelmente limpo; um site cheio de acionamentos de 6 pulsos no mesmo barramento não é. O transformador vê a soma, e a soma aparece como perdas extras por correntes parasitas e perdas dispersas concentradas nos enrolamentos e nas partes estruturais. Isso é um problema de especificação de perdas por correntes parasitas (fator K ou um estudo de harmônicos documentado), não simplesmente um problema de carga térmica. Detalhes estão em nosso guia de harmônicos em transformadores e seleção de fator K.
4. A poeira de cimento é alcalina, abrasiva e higroscópica
A poeira de cimento e clínquer não é sujeira inerte. É alcalina, é levemente abrasiva, e absorve umidade do ar; o depósito que se forma em uma bucha em uma fábrica empoeirada é, portanto, um caminho semicondutor, não um isolante. Na prática, isso significa: a distância de escoamento importa tanto quanto a tensão de descarga disruptiva, o perfil da bucha e do isolador deve ser especificado para um ambiente poluído em vez de limpo, o acesso para limpeza deve ser projetado desde o início, e o invólucro deve ser genuinamente selado em vez de apenas com venezianas. O modo de falha clássico — descarga disruptiva externa através de uma bucha contaminada por poeira no primeiro dia úmido após um período seco — é um erro de especificação, não de operação.
5. A área do forno é quente, e o ambiente quente não é o ambiente da folha de dados
As potências nominais padrão de transformadores assumem uma temperatura ambiente máxima de 40°C com uma média diária e anual definida (para unidades imersas em óleo, máxima de 40°C, média diária de 30°C, média anual de 20°C, conforme IEC 60076-2). A área do forno e do resfriador de clínquer pode exceder isso, e o calor radiante de superfícies quentes, mais uma sala elétrica cuja ventilação está lutando contra o calor do processo, piora a situação. Cada grau de ambiente real acima do valor de projeto reduz a capacidade de carga da unidade, e o efeito não é linear: atinge simultaneamente o ponto quente do enrolamento e a temperatura do ar de resfriamento. A mesma lógica governa a altitude, discutida em derating por alta altitude e temperatura.
6. O suprimento é frequentemente fraco, cativo, ou ambos
Várias fábricas de cimento estão longe de um barramento forte da concessionária, na extremidade de um longo alimentador aéreo, ou operam com geração própria com nível de curto-circuito limitado e seu próprio comportamento de governador. Suprimento fraco faz três coisas: piora as quedas de tensão na partida de motores, torna o nível de curto-circuito — e portanto a impedância aceitável do transformador — uma questão de estudo de sistema em vez de hábito, e torna a regulação de tensão por comutação de derivação no transformador de abaixamento principal genuinamente útil em vez de decorativa. Onde uma fábrica adiciona uma turbina de recuperação de calor residual (WHR), o transformador elevador que a conecta ao anel da fábrica deve lidar com paralelismo, compartilhamento de carga e operação ilhada, o que é novamente uma especificação diferente.
Como se dimensiona um transformador de fábrica de cimento? Seis passos de kWh por tonelada até a placa
O método é o mesmo de qualquer exercício de dimensionamento por lista de cargas, mas as entradas e as verificações são específicas de cimento. Faça-os em ordem; cada passo pode mudar a resposta do anterior.
Passo 1 — Converta dados de processo em uma lista de cargas, área por área
Comece por toneladas e kWh, não por kVA. Tome a vazão de projeto da fábrica (t/h para clínquer e para cimento, e as horas de operação anuais), depois aplique o consumo específico de energia elétrica de cada área de processo — britador e moagem de cru, o processo piro incluindo pré-aquecedor, forno e ventiladores do resfriador, moagem de cimento, e a área de utilidades/ensacamento. O benchmarking publicado de fábricas coloca o consumo específico total de energia elétrica para uma fábrica moderna de processo a seco na região de cerca de 90–110 kWh por tonelada de cimento, com a moagem de cimento geralmente o maior consumidor individual. Converta a cifra de energia de cada área em uma lista de motores instalados com kW nominal, rendimento, fator de potência, método de partida e regime, porque o transformador deve ser dimensionado para corrente, e a corrente depende do rendimento e do fator de potência, não apenas do kW. Onde uma cifra não puder ser obtida dos próprios dados de projeto da fábrica, marque-a como uma premissa e leve-a até a verificação de sensibilidade em vez de embuti-la silenciosamente.
Passo 2 — Aplique fatores de demanda e diversidade por área
Nem todo motor opera ao mesmo tempo, e nem todo motor opera na placa. Aplique um fator de demanda por grupo de carga (quanto do kW conectado é realmente consumido no ponto de projeto) e um fator de diversidade entre grupos (quais grupos atingem pico juntos). Fábricas de cimento têm fatores excepcionalmente altos porque o processo é contínuo: a área do moinho de cimento tipicamente opera com demanda de 0,85–0,95, a área do processo piro similarmente, enquanto oficina, ensacamento e expedição caem mais acentuadamente. A principal área que genuinamente varia é o circuito do britador e da pedreira, razão pela qual frequentemente recebe seu próprio transformador. Documente cada fator que você aplicar — a causa mais comum de uma subestação de cimento mal dimensionada é uma premissa de diversidade enterrada em uma planilha sem responsável.
Passo 3 — Converta para kVA, adicione reserva de projeto, e escolha uma potência nominal padrão
Some para kVA, adicione a reserva de projeto que a base de projeto do cliente exige (comumente 15–25% para uma fábrica que pode ser desgargalada depois), e então arredonde para uma potência nominal padrão. Não pare neste passo: os próximos três passos rotineiramente movem a resposta em um degrau de potência em qualquer direção, então trate este kVA como uma cifra provisória, não uma decisão.
Passo 4 — Verifique a queda de tensão na partida no pior motor
Tome o maior motor no barramento, o método de partida realmente escolhido, a impedância do transformador, o trecho de cabo, e a carga já no barramento; calcule a tensão nos terminais do motor durante a partida. Limites de projeto comuns são uma queda máxima de 10–15% no barramento do MCC para uma partida infrequente, e frequentemente 5–10% onde o padrão da própria fábrica é mais rigoroso ou onde a desenergização de contatores é uma preocupação (experiência do setor / 行业经验值 — o limite deve vir da base de projeto do cliente). Se a queda for muito profunda, suas opções em ordem de custo são: mudar o método de partida, adicionar um transformador dedicado para esse motor, reduzir a impedância do transformador, ou aumentar sua potência. Verifique a corrente de curto-circuito que o novo transformador fornecerá contra a capacidade do painel de manobra ao mesmo tempo, usando o método em cálculo de corrente de curto-circuito.
Passo 5 — Aplique o regime de harmônicos e verifique a capacidade para carga distorcida
Estabeleça o espectro harmônico no barramento — a partir dos dados do fornecedor do acionamento, de um estudo, ou de uma medição em uma linha existente — e especifique o transformador para ele. Com um espectro documentado, a capacidade é verificada contra o método de derating; sem um, a abordagem pragmática usada em todo o setor é especificar um fator K (K-4, K-9 ou K-13 dependendo de quanto da carga é alimentada por acionamentos) ou exigir um projeto com perdas harmônicas testadas. Ao mesmo tempo, confirme com o que o site deve cumprir no ponto de acoplamento comum: IEEE 519 para sites na América do Norte, IEC 61000-3-6 para instalações de média e alta tensão, e o código de rede local em outros lugares. Se a fábrica não puder cumprir com filtros ou um acionamento com maior número de pulsos, isso é uma mudança de projeto, não uma mudança de transformador.
Passo 6 — Aplique derating ambiental, depois finalize resfriamento, ruído e perdas
Agora aplique derating para o que o site realmente é: temperatura ambiente máxima na área do forno e do resfriador em vez de no portão do site, altitude se a fábrica estiver em região montanhosa, e qualquer elevação de temperatura interna em uma sala elétrica. Depois escolha a classe de resfriamento (ONAN para a maioria das unidades externas, ONAF onde você precisa dos 20–30% extras de capacidade no mesmo núcleo e tanque, a seco com AN/AF para unidades internas), o nível de ruído contra a especificação de ruído da fábrica, e o grau de perdas contra a regulamentação de eficiência aplicável. Só agora você escreve a potência nominal.
Um exemplo trabalhado (ilustrativo)
Os números abaixo são inventados para mostrar o método, não para descrever uma fábrica real. O ponto é onde a resposta se move.
| Passo | Entrada | Resultado | O que mudaria a resposta |
|---|---|---|---|
| 1 — Energia para lista de cargas | 3.000 t/dia de cimento; ~100 kWh/t total; área do moinho de cimento ~35 kWh/t | Energia da área do moinho de cimento ≈ 4.375 kWh/h ≈ 4,4 MW em média | Uma cifra de origem 15% menor (85 kWh/t ou 30 kWh/t de moagem) elimina um degrau inteiro de potência |
| 2 — Demanda e diversidade | Demanda 0,90; diversidade 0,95 dentro da área | Demanda de projeto ≈ 3,7 MW | Operar dois moinhos com carga menor é pior para o transformador do que um a plena carga, não melhor |
| 3 — kVA + reserva | Fator de potência 0,88; 20% de reserva de projeto | ≈ 5,1 MVA provisório | Correção do fator de potência para 0,95 reduz o kVA em ~7% |
| 4 — Queda na partida | Maior motor de moinho 4,5 MW; partida DOL a 7× FLC; Z do transformador 7% | Queda excede 10% — não aceitável | Partida com anéis ou VFD leva a queda para menos de 5% no mesmo tamanho de transformador |
| 5 — Regime de harmônicos | ~60% da carga em operação alimentada por VFD, 6 pulsos | Especificar K-9 com espectro documentado, ou derating de ~10% | Um front-end de 12 pulsos ou ativo nos maiores acionamentos elimina o derating |
| 6 — Ambiente | Ambiente de 45°C na subestação do moinho, empoeirado | Derating de ~8–10%, especificar ONAF e IP54, aumentar escoamento | Mover a subestação para uma sala elétrica ventilada muda a classe inteiramente |
| Final | Tudo acima | Selecionar 8 MVA (próximo degrau padrão acima do requisito com derating), imerso em óleo, ONAF, K-9 | Qualquer mudança única nos passos 1–5 poderia mover isso para 6,3 ou 10 MVA |
Olhe a linha final e note o que a determinou: não a carga média em operação de 3,7 MW, mas a combinação de um evento de partida, uma especificação de distorção e uma localização quente e empoeirada. É por isso que um transformador de cimento não pode ser comprado apenas a partir de um cálculo de kVA.
Por que a partida do motor do moinho é o evento de dimensionamento, e quais são suas opções?
O transformador só precisa sobreviver à partida; o motor e o processo têm que conviver com o método de partida escolhido. Portanto a conversa pertence ao engenheiro de acionamento, mas as consequências elétricas recaem sobre a especificação do transformador. A tabela abaixo apresenta o trade-off em termos sobre os quais um comprador de transformador pode agir.