Сначала ответ: трансформатор цементного завода выбирается по перечню нагрузок мельниц и пиропроцесса и по режиму пуска мельниц, а не по эмпирическому правилу кВА на тонну цемента. Печь работает круглосуточно с коэффициентом загрузки выше 0,8, поэтому нагрузка не является проблемой; что определяет номинальную мощность — это то, что несколько очень крупных двигателей мельниц и вентиляторов пускаются на фоне этой нагрузки, и что растущая её доля поступает через преобразователь частоты (VFD), пусковое устройство с фазным ротором или синхронный двигатель. Составьте перечень нагрузок по участкам — дробилка, сырьевая мельница, печь и теплообменник, холодильник клинкера, цементная мельница, упаковка — примените коэффициенты спроса и неодновременности, добавьте проектный резерв, проверьте просадку напряжения на шине наибольшей мельницы, примените снижение мощности для несинусоидального тока, который фактически потребляют приводы, и только затем примените снижение мощности для температуры окружающей среды со стороны печи и токопроводящей цементной пыли, прежде чем выбрать стандартную номинальную мощность.
Трансформатор цементного завода принимает напряжение, которое подаёт энергосистема или собственная электростанция на завод — обычно 33 кВ, 66 кВ, 110 кВ или 132 кВ, а на крупных интегрированных площадках 220 кВ или 400 кВ — и преобразует его в электроэнергию, которая фактически производит клинкер и измельчает цемент: 11 кВ или 6,6 кВ для двигателей крупных мельниц, вентиляторов и дробилок; 11 кВ или 6,6 кВ до 0,4 кВ или 0,69 кВ для распределительных устройств двигателей (MCC), конвейеров, упаковочных машин, пылеуловителей и освещения; и 0,4 кВ для вспомогательных нужд контрольно-измерительных приборов, сжатого воздуха, водяных систем и ОВиК электротехнических помещений. Что отличает цементный режим от обычной промышленной распределительной нагрузки — это не общая мощность в кВА. Это то, что процесс нельзя остановить — печь, потерявшая питание, — это неделя потерянного производства и повреждённая футеровка — что крупнейшие двигатели пускаются часто и потребляют ток в несколько раз выше номинального, и что окружающая среда одновременно горячая и полна щелочной, абразивной, влагопоглощающей пыли. Эти три факта определяют выбор мощности, спецификацию гармоник и оболочку, именно в таком порядке.
Всё нижеследующее написано для человека, которому предстоит купить или задать спецификацию этого оборудования: инженера-электрика завода, подрядчика EPC или застройщика проекта, строящего новый помольный агрегат или линию клинкера. Если вы вместо этого рассчитываете обычную промышленную распределительную нагрузку, общий метод в нашем руководстве по расчёту и бюджетной формуле и руководстве по расчёту распределительной системы — правильная отправная точка. Если ваша площадка — это карьер, снабжающий завод, логика рабочего цикла в нашем руководстве по трансформаторам для горных площадок применима к этой части работ; а если вы добавляете рядом с заводом собственную сталеплавильную или ломоперерабатывающую установку, режим печи, описанный в нашем руководстве по трансформаторам для дуговых электропечей, является релевантным сравнением. Эта статья охватывает то, что меняется, когда нагрузкой является непрерывно работающая мельница и печь.
Ключевые выводы
- Начинайте с кВт·ч на тонну, а не с кВА на тонну. Удельное электропотребление современного завода сухого способа обычно указывается в диапазоне около 90–110 кВт·ч на тонну цемента, причём помол цемента (примерно 25–40 кВт·ч/т), помол сырья и вентиляторы пиропроцесса составляют большую его часть. Умножьте на производительность и часы работы, чтобы получить годовое энергопотребление, затем преобразуйте в перечень нагрузок — именно перечень нагрузок, а не эмпирическое правило, является исходным данным для расчёта (отраслевой опыт / 行业经验值 для распределения между технологическими участками).
- Пуск мельницы — это расчётное событие. Прямой пуск двигателя мельницы потребляет примерно 6–8-кратный ток полной нагрузки, двигатель с фазным ротором и пусковым устройством — примерно 2–3-кратный, а двигатель с приводом VFD — около 1,0–1,5-кратного. Это единственное число определяет, составляет ли соотношение мощности двигателя к мощности трансформатора 25% или 60%, и это самое дешёвое место для экономии на всей подстанции. См. бросок тока намагничивания для связанного события включения и регулирование напряжения для поведения шины под нагрузкой.
- Непрерывный режим плюс пыль — это проблема охлаждения и защиты от проникновения. Печь работает 300–350 дней в году, поэтому загрузка трансформатора следует плоскому, тяжёлому профилю, а не рабочему циклу, и агрегат должен быть рассчитан, охлаждён и защищён для этого. Щелочная цементная пыль проникает повсюду, покрывает вводы и изоляторы и становится токопроводящей, как только впитывает влагу — поэтому спецификация касается класса IP, длины пути утечки, доступа для очистки и охлаждения, которое всё ещё работает, когда поверхности охлаждения запылены, а не только кВА. См. методы охлаждения и превышение температуры и выбор вводов.
- Предполагайте искажённую нагрузку и слабое питание. Приводы мельниц и вентиляторов представляют собой крупную, непрерывно работающую нелинейную нагрузку, и многие цементные заводы находятся в конце длинной линии электропередачи или работают на собственной генерации с ограниченным уровнем тока КЗ. Задайте режим гармоник (K-фактор или документированное исследование гармоник, согласно нашему руководству по гармоникам), уровень изоляции для фактического уровня тока КЗ и регулирование напряжения для сети, которая проседает.
- Выбирайте масляный или сухой тип по расположению, а не по моде. Наружные подстанции мельниц и главная понижающая подстанция обычно используют масляные агрегаты; электротехнические помещения, здания MCC и кабельные подвалы внутри завода отдают предпочтение сухим трансформаторам с литой изоляцией, поскольку пожар минерального масла в занятом здании недопустим. Сравнение изложено в выборе между масляными и сухими трансформаторами.
Где находится трансформатор в цепочке электроснабжения цементного завода?
Цементный завод электрически прост по форме и жесток в деталях: небольшое число крупных нагрузок, питаемых от небольшого числа крупных трансформаторов, практически без резервирования в самом процессе. Одна линия сухого способа обычно имеет одну главную вводную подстанцию, кольцевое или радиальное распределение среднего напряжения к нескольким участковым подстанциям и комплектные подстанции в зданиях мельниц и MCC. Таблица ниже — это схема уровней, которую мы видим на большинстве новых заводов, с реалистичными диапазонами мощностей.
| Уровень | Типичное напряжение вход / выход | Типичный диапазон мощности (отраслевой опыт) | Что питает и что должно выдержать |
|---|---|---|---|
| Главная вводная подстанция | 110 / 132 / 220 кВ → 33 или 22 кВ | 40–150 МВА | Весь завод или экспортное подключение от собственной электростанции. На этом уровне применяются ограничения энергосистемы по гармоникам, фликеру и уровню тока КЗ. Обычно РПН, часто два агрегата для N-1 на крупных площадках. См. РПН против переключателя без возбуждения. |
| Понижающая подстанция сети | 33 / 22 кВ → 11 кВ или 6,6 кВ | 10–50 МВА | Питает кольцо среднего напряжения завода к участкам сырьевой мельницы, печи, цементной мельницы и вспомогательных служб. Питает длинные кабельные линии, поэтому важны регулирование напряжения и зарядный ток кабеля. |
| Подстанция мельницы (сырьевой или цементной) | 11 / 6,6 кВ → 11 / 6,6 кВ или 3,3 кВ | 3–15 МВА | Крупнейшие единичные нагрузки завода: главный привод мельницы, вспомогательные механизмы мельницы, пресс-валок, сепаратор, циркуляционные вентиляторы. Здесь определяется просадка при пуске двигателя. |
| Подстанция зоны печи | 11 / 6,6 кВ → 11 / 6,6 кВ и 0,4 кВ | 2–10 МВА | Главный привод печи, дымососы и дутьевые вентиляторы, вентиляторы теплообменника и холодильника, горелка и топливные системы. Наивысшая температура окружающей среды на площадке. |
| MCC / комплектная подстанция | 11 / 6,6 кВ → 0,4 / 0,69 кВ | 0,63–3,15 МВА | Конвейеры, насосы, пылеуловители, упаковочные машины, мастерская, освещение. Часто сухой трансформатор с литой изоляцией внутри электротехнического здания; высокое содержание гармоник, когда преобладают VFD. |
| Подстанция карьера / дробилки | 33 / 11 кВ → 6,6 / 11 кВ | 1–8 МВА | Дробилка, пластинчатый питатель, длинный наземный конвейер. Ударно-циклический режим и запылённая, открытая среда; иногда киосковый или на салазках агрегат. См. руководство по трансформаторам для горных площадок. |
| Собственная генерация и утилизация тепла | 6,6 / 11 кВ → 33 / 110 кВ | 10–100 МВА | Повышение напряжения от собственных турбин (уголь, нефтекокс, газ или установка утилизации тепла) к кольцу завода или подключению к энергосистеме. Должен выдерживать параллельную работу, обратный поток мощности и островной режим. |
| Упаковка, отгрузка и погрузка в вагоны | 11 / 6,6 кВ → 0,4 кВ | 1–2,5 МВА | Карусельные упаковочные машины, компрессорная станция, погрузка в грузовики и вагоны, рукавные фильтры. Концентрация пыли здесь наибольшая. |
В этой таблице стоит заметить две вещи, прежде чем что-либо рассчитывать. Во-первых, общая присоединённая нагрузка завода определяется, возможно, пятью-шестью двигателями, поэтому точность данных по двигателям мельниц и вентиляторов важнее точности всего остального вместе взятого. Во-вторых, электротехнические помещения расположены по технологическим участкам, а это значит, что трансформатор, питающий печь, и трансформатор, питающий упаковочный цех, находятся в двух совершенно разных средах и никогда не должны иметь общую спецификацию.
Почему обычный распределительный трансформатор не справится? Шесть отличий цементного режима
Стандартный распределительный трансформатор выдержит эти амперы. Чего он не сделает — так это не пронесёт их на цементном заводе двадцать пять лет без спецификации для шести вещей, которых распределительная система от него никогда не требует.
1. Нагрузка непрерывная и почти плоская, поэтому руководство по нагрузке определяет конструкцию
Цементная печь не останавливается. Реалистичная годовая готовность хорошо управляемой линии с теплообменником/декарбонизатором составляет порядка 300–350 рабочих дней, и печь, холодильник и мельничные контуры работают вблизи расчётной точки большую часть этого времени. Поэтому трансформатор на шине мельницы или печи видит профиль нагрузки с высоким коэффициентом загрузки — совершенно отличный от распределительного трансформатора, который проводит большую часть дня при 20–30% нагрузки и пикует на несколько часов. Это меняет расчёт: средний нагрев обмотки, влияние самого жаркого дня года поверх этого среднего и долгосрочное старение изоляции — всё это должно быть проверено по руководству по нагрузке, а не отброшено как само собой разумеющееся. Практические последствия — меньший конструктивный запас между номинальной и расчётной нагрузкой, чем вы допустили бы для распределительного агрегата энергосистемы, и реальный интерес к тому, что трансформатор делает при 105% от номинала в течение месяца, а не при 100% в течение минуты.
2. Крупнейший двигатель пускается на фоне нагрузки, и соотношение двигатель-трансформатор определяет кВА
Это самое дорогое решение на цементной подстанции. Привод мельницы, дымосос печи и крупнейшие насосные двигатели все достаточно велики, чтобы их пусковой ток составлял значительную долю номинального тока трансформатора. Если двигатель мельницы пускается прямым включением, когда остальная часть шины уже загружена на 70%, напряжение на шине падает настолько, чтобы отключить контакторы, остановить двигатель и вызвать срабатывание вышестоящей защиты. Обычное лекарство — сделать трансформатор больше. Лучшее лекарство — изменить способ пуска двигателя, но это относится к технологическому инженеру и инженеру по приводам, и это должно быть согласовано до заказа трансформатора, потому что это разница между агрегатом на 5 МВА и на 10 МВА.
3. Большая доля нагрузки поступает через силовой электронный преобразователь
Приводы мельниц, вентиляторы печи и холодильника, конвейеры, пресс-валки и вентиляторы сепараторов всё чаще питаются от VFD, а питание от VFD означает несинусоидальный ток с гармоническим спектром, богатым 5-й, 7-й, 11-й и 13-й гармониками, плюс компоненты частоты переключения от входного выпрямителя. Один крупный многоуровневый привод может быть 12-пульсным или 18-пульсным и достаточно чистым; площадка, полная 6-пульсных приводов на одной шине, — нет. Трансформатор видит сумму, и сумма проявляется как дополнительные потери на вихревые токи и потери рассеяния, сосредоточенные в обмотках и конструктивных частях. Это проблема спецификации потерь на вихревые токи (K-фактор или документированное исследование гармоник), а не просто проблема тепловой нагрузки. Подробности в нашем руководстве по гармоникам трансформаторов и выборе K-фактора.
4. Цементная пыль щелочная, абразивная и гигроскопичная
Цементная и клинкерная пыль — это не инертная грязь. Она щелочная, слегка абразивная и поглощает влагу из воздуха; отложение, образующееся на вводе на запылённом заводе, поэтому представляет собой полупроводящий путь, а не изолирующий. На практике это означает: длина пути утечки важна так же, как напряжение перекрытия, профиль ввода и изолятора должен быть задан для загрязнённой среды, а не для чистой, доступ для очистки должен быть заложен с самого начала, и оболочка должна быть действительно герметичной, а не просто жалюзийной. Классический режим отказа — внешнее перекрытие по загрязнённому пылью вводу в первый влажный день после засушливого периода — это ошибка спецификации, а не эксплуатации.
5. Зона печи горячая, и горячая окружающая среда — это не окружающая среда из паспорта
Стандартные номинальные мощности трансформаторов предполагают максимальную температуру окружающей среды 40°C с определённым суточным и годовым средним (для масляных агрегатов: максимум 40°C, суточное среднее 30°C, годовое среднее 20°C, согласно IEC 60076-2). Зона печи и холодильника клинкера может превышать это, а лучистое тепло от горячих поверхностей плюс электротехническое помещение, вентиляция которого борется с технологическим теплом, делают хуже. Каждый градус реальной температуры окружающей среды выше расчётного значения снижает нагрузочную способность агрегата, и эффект нелинейный: он одновременно бьёт по горячей точке обмотки и по температуре охлаждающего воздуха. Та же логика управляет высотой над уровнем моря, обсуждается в снижении мощности по высоте и температуре.
6. Питание часто слабое, собственное или и то и другое
Несколько цементных заводов находятся далеко от мощной шины энергосистемы, в конце длинной воздушной линии или работают на собственной генерации с ограниченным уровнем тока КЗ и собственным поведением регулятора. Слабое питание делает три вещи: оно ухудшает просадки при пуске двигателей, оно делает уровень тока КЗ — и, следовательно, допустимое сопротивление трансформатора — предметом системного исследования, а не привычки, и оно делает регулирование напряжения с помощью переключения ответвлений на главном понижающем трансформаторе действительно полезным, а не декоративным. Там, где завод добавляет турбину утилизации тепла (WHR), повышающий трансформатор, который подключает её к кольцу завода, должен выдерживать параллельную работу, распределение нагрузки и островной режим, что опять же является другой спецификацией.
Как рассчитать трансформатор цементного завода? Шесть шагов от кВт·ч на тонну до номинальной таблички
Метод тот же, что и для любого расчёта по перечню нагрузок, но исходные данные и проверки специфичны для цемента. Выполняйте их по порядку; каждый шаг может изменить ответ предыдущего.
Шаг 1 — Преобразуйте технологические данные в перечень нагрузок по участкам
Начинайте с тонн и кВт·ч, а не с кВА. Возьмите проектную производительность завода (т/ч для клинкера и для цемента и годовые часы работы), затем примените удельное электропотребление каждого технологического участка — дробилка и помол сырья, пиропроцесс с теплообменником, вентиляторами печи и холодильника, помол цемента и участок вспомогательных служб/упаковки. Опубликованный бенчмаркинг заводов показывает общее удельное электропотребление современного завода сухого способа в диапазоне около 90–110 кВт·ч на тонну цемента, причём помол цемента обычно является крупнейшим единичным потребителем. Преобразуйте энергетический показатель каждого участка в перечень установленных двигателей с номинальной мощностью в кВт, КПД, коэффициентом мощности, способом пуска и режимом, потому что трансформатор должен быть рассчитан на ток, а ток зависит от КПД и коэффициента мощности, а не только от кВт. Там, где показатель не может быть получен из собственных проектных данных завода, отметьте его как допущение и проведите через проверку чувствительности, а не встраивайте молча.
Шаг 2 — Примените коэффициенты спроса и неодновременности по участкам
Не каждый двигатель работает одновременно, и не каждый двигатель работает на номинале. Примените коэффициент спроса по группе нагрузок (какая часть присоединённой мощности фактически потребляется в расчётной точке) и коэффициент неодновременности между группами (какие группы пикуют вместе). Цементные заводы имеют необычно высокие коэффициенты, потому что процесс непрерывен: участок цементной мельницы обычно работает с коэффициентом спроса 0,85–0,95, участок пиропроцесса аналогично, тогда как мастерская, упаковка и отгрузка падают резче. Основной участок, который действительно варьируется, — это контур дробилки и карьера, поэтому ему часто выделяют отдельный трансформатор. Документируйте каждый применяемый коэффициент — самая распространённая причина неправильно рассчитанной цементной подстанции — это допущение о неодновременности, погребённое в электронной таблице без ответственного.
Шаг 3 — Преобразуйте в кВА, добавьте проектный резерв и выберите стандартную мощность
Просуммируйте до кВА, добавьте проектный резерв, требуемый техническим заданием заказчика (обычно 15–25% для завода, который может быть расширен в будущем), и затем округлите до стандартной мощности. Не останавливайтесь на этом шаге: следующие три шага регулярно сдвигают ответ на одну ступень мощности в ту или иную сторону, поэтому рассматривайте эти кВА как предварительную цифру, а не как решение.
Шаг 4 — Проверьте просадку напряжения при пуске на худшем двигателе
Возьмите крупнейший двигатель на шине, фактически выбранный способ пуска, сопротивление трансформатора, кабельную линию и нагрузку, уже присутствующую на шине; рассчитайте напряжение на зажимах двигателя во время пуска. Обычные проектные ограничения — максимальная просадка 10–15% на шине MCC для редкого пуска и часто 5–10%, когда собственный стандарт завода строже или когда отключение контакторов вызывает беспокойство (отраслевой опыт / 行业经验值 — ограничение должно исходить из технического задания заказчика). Если просадка слишком глубока, ваши варианты в порядке стоимости: изменить способ пуска, добавить выделенный трансформатор для этого двигателя, уменьшить сопротивление трансформатора или увеличить его мощность. Одновременно проверьте ток короткого замыкания, который выдаст новый трансформатор, на соответствие номиналу распределительного устройства, используя метод из расчёта тока короткого замыкания.
Шаг 5 — Примените режим гармоник и проверьте способность работы с искажённой нагрузкой
Установите гармонический спектр на шине — из данных поставщика привода, из исследования или из измерения на существующей линии — и задайте трансформатор для него. При документированном спектре способность проверяется по методу снижения мощности; без него прагматичный подход, используемый в отрасли, — задать K-фактор (K-4, K-9 или K-13 в зависимости от того, какая доля нагрузки питается от приводов) или потребовать конструкцию с испытанными потерями от гармоник. Одновременно подтвердите, чему площадка должна соответствовать в точке общего присоединения: IEEE 519 для площадок в Северной Америке, IEC 61000-3-6 для установок среднего и высокого напряжения и местный сетевой код в остальных местах. Если завод не может соответствовать с помощью фильтров или привода с большим числом пульсаций, это изменение конструкции, а не замена трансформатора.
Шаг 6 — Примените снижение мощности по окружающей среде, затем окончательно определите охлаждение, шум и потери
Теперь примените снижение мощности для того, чем площадка фактически является: максимальная температура окружающей среды в зоне печи и холодильника, а не у ворот площадки, высота над уровнем моря, если завод находится в высокогорье, и любой подъём температуры внутри электротехнического помещения. Затем выберите класс охлаждения (ONAN для большинства наружных агрегатов, ONAF там, где нужны дополнительные 20–30% мощности на том же сердечнике и баке, сухой тип с AN/AF для внутренних агрегатов), уровень звука в соответствии со спецификацией шума завода и класс потерь в соответствии с применимым регулированием эффективности. Только теперь вы записываете номинальную мощность.
Проработанный пример (иллюстративный)
Цифры ниже вымышлены, чтобы показать метод, а не описать реальный завод. Важно то, где ответ меняется.
| Шаг | Исходные данные | Результат | Что изменило бы ответ |
|---|---|---|---|
| 1 — Энергия в перечень нагрузок | 3 000 т/сутки цемента; ~100 кВт·ч/т всего; участок цементной мельницы ~35 кВт·ч/т | Энергия участка цементной мельницы ≈ 4 375 кВт·ч/ч ≈ 4,4 МВт в среднем | Исходный показатель на 15% ниже (85 кВт·ч/т или 30 кВт·ч/т помола) убирает целую ступень мощности |
| 2 — Спрос и неодновременность | Спрос 0,90; неодновременность 0,95 внутри участка | Расчётный спрос ≈ 3,7 МВт | Работа двух мельниц при меньшей нагрузке хуже для трансформатора, чем одной при полной, а не лучше |
| 3 — кВА + резерв | Коэффициент мощности 0,88; 20% проектного резерва | ≈ 5,1 МВА предварительно | Коррекция коэффициента мощности до 0,95 снижает кВА на ~7% |
| 4 — Просадка при пуске | Крупнейший двигатель мельницы 4,5 МВт; прямой пуск при 7× тока полной нагрузки; сопротивление трансформатора 7% | Просадка превышает 10% — недопустимо | Пуск с фазным ротором или VFD снижает просадку ниже 5% при том же размере трансформатора |
| 5 — Режим гармоник | ~60% рабочей нагрузки питается от VFD, 6-пульсный | Задать K-9 с документированным спектром или снизить мощность на ~10% | 12-пульсный или активный выпрямитель на крупнейших приводах устраняет снижение мощности |
| 6 — Окружающая среда | Температура окружающей среды 45°C на подстанции мельницы, запылённость | Снизить мощность на ~8–10%, задать ONAF и IP54, увеличить путь утечки | Перенос подстанции в вентилируемое электротехническое помещение полностью меняет класс |
| Итог | Всё вышеперечисленное | Выбрать 8 МВА (следующая стандартная ступень выше требуемой с учётом снижения мощности), масляный, ONAF, K-9 | Любое единичное изменение на шагах 1–5 могло бы сдвинуть это к 6,3 или 10 МВА |
Посмотрите на итоговую строку и отметьте, что её определило: не средняя рабочая нагрузка 3,7 МВт, а сочетание события пуска, спецификации искажений и горячего, запылённого расположения. Вот почему цементный трансформатор нельзя купить только по расчёту кВА.
Почему пуск двигателя мельницы является определяющим событием для выбора мощности, и какие у вас есть варианты?
Трансформатору нужно только пережить пуск; двигателю и процессу придётся жить с выбранным способом пуска. Поэтому разговор относится к инженеру по приводам, но электрические последствия ложатся на спецификацию трансформатора. Таблица ниже излагает компромисс в терминах, с которыми покупатель трансформатора может работать.