Câu trả lời trước tiên: máy biến áp cho nhà máy giấy và bột giấy được chọn công suất từ danh mục phụ tải theo khu vực và từ yêu cầu duy trì hoạt động liên tục (ride-through) của máy xeo giấy, chứ không phải từ chỉ tiêu kWh/tấn. Điều thực sự quyết định cấp công suất là ba yếu tố không liên quan gì đến nhu cầu phụ tải trung bình: dòng điện hài mà các bộ truyền động phân đoạn của máy xeo đẩy ngược trở lại thanh cái 690 V, dòng khởi động của động cơ máy nghiền lớn nhất trong nhà máy bột giấy, và thực tế là một lần sụt áp 150 ms khiến nhà máy bị đứt giấy trong khi sụt áp 300 ms khiến nhà máy phải khởi động lại. Do đó, một bản đặc tả kỹ thuật đủ năng lực bắt đầu bằng danh mục phụ tải theo từng khu vực của nhà máy, áp dụng hệ số nhu cầu và hệ số đồng thời cho từng khu vực, giảm định mức máy biến áp theo phổ hài đo được, kiểm tra độ sụt áp khi khởi động động cơ lớn nhất, và chỉ sau đó mới xác định tổng trở để giữ cho thiết bị đóng cắt 690 V và 11 kV nằm trong giới hạn chịu dòng sự cố của chúng.
Những điểm chính cần nắm
- Một máy xeo giấy hiện đại trước hết là một hệ thống truyền động chứ không chỉ là một phụ tải: 80–150 bộ truyền động phân đoạn trên cùng một thanh cái 690 V, phần lớn trong số đó có chế độ tái sinh, phần lớn có bộ chỉnh lưu diode hoặc bộ chỉnh lưu phía trước tích cực (active front end) quyết định mức độ làm việc với hài của máy biến áp.
- Chọn công suất máy biến áp cho máy xeo từ danh mục phụ tải theo khu vực với hệ số nhu cầu 0,5–0,75, sau đó giảm định mức do hài theo IEEE C57.110 — một thanh cái 690 V với bộ chỉnh lưu 6 xung mất 13–20% công suất máy biến áp trước khi cộng thêm bất kỳ biên dự phòng nào.
- Động cơ đơn lẻ lớn nhất trong nhà máy bột giấy — một máy nghiền TMP công suất 10–30 MW — quyết định độ mạnh tối thiểu của thanh cái. Một máy nghiền 12 MW khởi động trực tiếp (direct-on-line) trên máy biến áp 40 MVA, 8% kéo thanh cái 11 kV xuống 12,5%; trên máy 25 MVA, nó kéo xuống 18,7% và làm nhảy khởi động tất cả các bộ truyền động trên cùng bảng điện.
- Máy biến áp khô đúc nhựa epoxy thuộc về bên trong nhà xưởng máy, khu vực chuẩn bị bột giấy và phân xưởng tẩy trắng; máy biến áp ngâm dầu thuộc về vị trí ngoài trời ở cấp 33 kV và ở đầu ra máy phát (generator step-up). Quyết định dựa trên tải trọng cháy và ăn mòn, không phải giá thành.
- Với một nhà máy vận hành 8.000 giờ mỗi năm, 1 kW tổn thất không tải tương đương khoảng 7.300 USD chi phí vốn hóa trong 20 năm ở mức 0,08 USD/kWh — nhiều hơn chênh lệch giá giữa các cấp hiệu suất trên một tổ máy 4 MVA.
Tại sao nhà máy giấy là một bài toán điện trước khi là một bài toán máy biến áp?
Một nhà máy giấy tích hợp không phải là một phụ tải với một hệ số phụ tải duy nhất. Đó là tám hoặc chín khu vực công nghệ có đặc tính điện hoàn toàn khác nhau, trải dọc 1–2 km trên mặt bằng và được kết nối vào một điểm đấu nối duy nhất 132 kV hoặc 110 kV. Khu vực bãi gỗ khởi động và dừng băng tải suốt cả ngày. Nồi nấu (digester) vận hành các bơm liên tục ở mức tải phẳng 90%. Phân xưởng tẩy trắng có hàng chục bộ truyền động nhỏ trong môi trường khí clo dioxide. Các máy nghiền chuẩn bị bột giấy tiêu thụ 20–40 MW và có thể khởi động khoảng hai lần mỗi ngày. Máy xeo giấy chạy 24 giờ với độ khả dụng 95% và có biểu đồ phụ tải phẳng đến mức hệ số nhu cầu của nó trông như một hằng số. Lò thu hồi và tuabin máy phát biến nhà máy thành một đơn vị phát điện trong một phần thời gian của năm.
Mỗi khu vực đó có máy biến áp riêng, mức dòng sự cố riêng và lý do hư hỏng riêng. Đó là lý do tại sao đơn vị đặc tả hữu ích trong một nhà máy là trạm biến áp khu vực, chứ không phải tổng công suất của toàn nhà máy. Một con số kVA cho toàn nhà máy không cho bạn biết liệu thanh cái 690 V có chịu được bước nhảy tải của lưỡi dao tráng phủ (coater blade) hay không, hay liệu bảng điện 11 kV có giữ được khi máy nghiền khởi động hay không.
| Khu vực nhà máy | Điện áp cấp | Tỷ trọng phụ tải kết nối | Đặc tính điện | Máy biến áp điển hình |
|---|---|---|---|---|
| Bãi gỗ, băm dăm, vận chuyển dăm | 0.69 / 0.4 kV | 4–6% | Nhiều động cơ nhỏ, khởi động DOL thường xuyên, nhiều bụi | 1–2 MVA đúc nhựa, IP54 |
| Nấu bột hóa học, rửa, sàng | 11 kV + 0.69 kV | 10–14% | Bơm liên tục, dịch ăn mòn, tải phẳng | 8–16 MVA ngâm dầu |
| Nghiền TMP / CTMP | 11 kV (động cơ 8–30 MW) | 18–25% | Khởi động động cơ lớn nhất tại nhà máy, mô-men khởi động cao | 25–40 MVA dầu + VFD hoặc LCI |
| Phân xưởng tẩy trắng | 0.69 / 0.4 kV | 5–8% | Môi trường ClO2, truyền động nhỏ, ẩm ướt | 2–4 MVA đúc nhựa, C5-M |
| Chuẩn bị bột (nghiền tinh, sàng) | 0.69 kV | 6–9% | Mô-men khởi động cao, VFD, tải thay đổi theo bậc | 6.3–10 MVA khô hoặc dầu |
| Máy xeo giấy | 0.69 kV truyền động + 0.4 kV phụ trợ | 22–28% | 80–150 truyền động phân đoạn, tái sinh, tải phẳng | 2–4 × 4–6.3 MVA |
| Tráng phủ, cán láng, hoàn thiện, cuộn | 0.69 kV | 8–12% | Gia tốc cao, tái sinh sâu, bụi | 6.3 MVA đúc nhựa |
| Lò thu hồi, lò hơi điện, tuabin | 11 kV thanh cái máy phát | 8–12% | Phát điện, công suất ngược, vận hành độc lập | 40–63 MVA GSU (dầu) |
| Tiện ích: nước, khí, nước thải, HVAC | 0.69 / 0.4 kV | 10–14% | Liên tục, độ đa dạng thấp, bơm ngoài trời | 6–10 MVA dầu |
Bảng này dẫn đến hai hệ quả. Thứ nhất, tổng công suất máy biến áp của nhà máy thường bằng 1,4–1,8 lần phụ tải cực đại, vì các khu vực không đạt đỉnh cùng lúc và vì mỗi khu vực đều cần một lộ cắt điện bảo trì mà không làm dừng máy. Thứ hai, hệ thống máy biến áp rất đa dạng: một nhà máy 700 t/ngày sẽ có 25–40 máy biến áp trên 1 MVA, và những máy gây dừng máy hầu như không bao giờ là những máy lớn nhất.
Dây chuyền máy xeo giấy 700 t/ngày thực sự mang bao nhiêu phụ tải kết nối?
Lấy ví dụ một máy xeo giấy cao cấp tráng phủ với chiều rộng cắt 8,4 m, tốc độ thiết kế 1.500 m/phút và sản lượng 700 t/ngày, tức 29,2 t/h. Bản thân máy — không tính nhà máy bột phía sau — mang khoảng 17 MW phụ tải kết nối. Danh sách phụ tải dưới đây là loại danh sách cần được đính kèm theo yêu cầu báo giá máy biến áp; nếu nhà cung cấp báo giá máy biến áp cho máy xeo giấy mà không có danh sách này, con số chỉ là phỏng đoán.
| Nhóm phụ tải | kW kết nối | Hệ số nhu cầu | kW nhu cầu | Yếu tố quyết định hệ số |
|---|---|---|---|---|
| Dòng tiếp cận và hộp phun bột | 900 | 0.70 | 630 | Phụ tải bơm và quạt ổn định ở tốc độ không đổi |
| Truyền động phần lưới | 1,200 | 0.60 | 720 | Mô-men thấp, tải một phần ở trạng thái ổn định |
| Truyền động phần ép | 1,800 | 0.65 | 1,170 | Tải khe ép thay đổi theo loại giấy |
| Truyền động phần sấy và quạt hút chụp sấy | 3,400 | 0.75 | 2,550 | Quạt hút chụp sấy và MG chạy gần định mức |
| Máy ép hồ / máy tráng màng | 2,600 | 0.55 | 1,430 | Bơm dung dịch tráng và truyền động trục đỡ |
| Máy cán láng | 1,400 | 0.55 | 770 | Tải thủy lực, đỉnh tải ngắn |
| Cuộn và máy cuộn lại | 1,600 | 0.50 | 800 | Tăng tốc và giảm tốc, tái sinh |
| Thông gió máy và hút bụi | 2,100 | 0.70 | 1,470 | Liên tục, bộ lọc tích tụ bụi dần |
| Thủy lực, khí nén, bôi trơn | 700 | 0.50 | 350 | Bơm gián đoạn |
| Phụ trợ MCC của máy | 1,300 | 0.45 | 585 | Chiếu sáng, ổ cắm, truyền động nhỏ, độ đa dạng cao |
| Tổng | 17,000 | — | 10,475 | Hệ số nhu cầu tổng thể 0.62 |
Ở hệ số công suất dịch chuyển 0,96, nhu cầu là 10,9 MVA. Đó là con số mà hầu hết mọi người dừng lại, và đó là con số sai. Máy biến áp cấp cho thanh cái này nhìn thấy dòng điện bị méo, không phải dòng hình sin, vì vậy công suất khả dụng của nó thấp hơn công suất danh định — phép tính trong phần sóng hài bên dưới đưa 10,9 MVA lên 12,8 MVA. Bốn tổ máy 4 MVA sau đó nằm ở mức tải 80% mỗi tổ, đây là mức tải mà một máy biến áp cho máy xeo giấy nên được thiết kế: đủ cao để biện minh cho tài sản, đủ thấp để hấp thụ một lần nâng cấp bộ phận hoặc cải tạo bộ biến tần mà không cần máy biến áp mới. Liệu 80% có phải là mức tải liên tục an toàn cho một thiết kế cụ thể hay không phụ thuộc vào độ tăng điểm nóng và chu trình tải hàng ngày, đây là chủ đề của hướng dẫn về hệ số tải và quá tải.
Lưu ý về đơn vị: thanh cái máy xeo giấy thường được quy định ở 690 V, không phải 400 V. Ở 690 V, một máy biến áp 4 MVA cung cấp 3.347 A, nằm trong phạm vi của tủ đóng cắt 690 V tiêu chuẩn. Ở 400 V, cùng 4 MVA sẽ cần 5.774 A, buộc phải dùng cáp song song, tủ đóng cắt song song và dòng sự cố lớn hơn nhiều tại MCC. Lựa chọn duy nhất đó — 690 V so với 400 V — là quyết định điện áp có hệ quả lớn nhất trên một máy xeo giấy, và nó thường được nhà cung cấp bộ biến tần đưa ra trước khi máy biến áp được thảo luận.
Nhà máy giấy nên sử dụng kiến trúc điện áp nào?
Hầu hết các nhà máy chọn bốn cấp, với các con số chính xác do công ty điện lực địa phương quy định chứ không phải theo sở thích. Ở châu Âu và phần lớn châu Á, chuỗi là 132 hoặc 110 kV đầu vào, 33 hoặc 35 kV quanh khu vực nhà máy, 11 hoặc 10 kV đến các động cơ lớn và trạm biến áp khu vực, 690 V đến các hệ thống biến tần và 400 V đến chiếu sáng và phụ tải nhỏ. Ở Bắc Mỹ, kiến trúc tương tự xuất hiện dưới dạng 138/115 kV, 34,5/13,8 kV, 4,16 kV và 480 V.
| Cấp | Công suất điển hình | Thiết bị kết nối ở cấp này | Tổng trở máy biến áp | Mức sự cố cần thiết kế |
|---|---|---|---|---|
| Lưới 132 / 110 kV | 63–120 MVA | Đấu nối với điện lực, tăng áp máy phát | 10–14% | 25–40 kA |
| Vòng 33 / 35 kV nhà máy | 20–63 MVA | Trạm biến áp khu vực, tuyến cáp dài, máy cắt liên kết | 8–10,5% | 16–25 kA |
| Thanh cái động cơ 11 / 10 kV | 8–25 MVA | Máy nghiền bột, bơm lớn, quạt, máy nén | 6–8% | 13–20 kA |
| Thanh cái biến tần 690 V | 2–6,3 MVA | Các bộ phận máy xeo giấy, máy tráng phủ, máy cuộn | 6–8% | 40–65 kA |
| Phụ trợ 400 V | 0,63–2 MVA | Chiếu sáng, HVAC, MCC nhỏ, thiết bị đo lường | 4–6% | 25–50 kA |
Cấp điện áp không phải là lựa chọn tự do: vòng 33 kV tồn tại vì nhà máy có chiều dài vật lý lớn và cáp 11 kV đến đầu xa của khu vực sẽ không kinh tế ở 20 MW. Cấp 11 kV tồn tại vì các động cơ 8–30 MW không được chế tạo ở 690 V. Cấp 690 V tồn tại vì công suất định mức của bộ biến tần giảm dần trên khoảng 2 MW và vì máy xeo giấy cần hàng trăm bộ biến tần nhỏ trên một thanh cái chung. Mỗi cấp có một máy biến áp giữa nó và cấp tiếp theo, và mỗi máy biến áp đó có một nhiệm vụ khác nhau: các tổ máy 132/33 kV gánh toàn nhà máy, các tổ máy 33/11 kV gánh dòng khởi động, các tổ máy 33/0,69 kV gánh sóng hài. Lý luận tương tự, được áp dụng riêng cho các tùy chọn 6, 10, 11, 20 và 33 kV, được trình bày trong hướng dẫn lựa chọn cấp điện áp.
Tại sao thanh cái biến tần 690 V lại là trung tâm thực sự của một máy xeo giấy hiện đại?
Máy xeo giấy là một tấm giấy liên tục chạy ở 1.500–2.000 m/phút qua một chuỗi các khe ép: hộp phun bột, lưới, ép, sấy, ép hồ, cán láng, cuộn. Tấm giấy không thể chịu được sự chênh lệch tốc độ giữa các bộ phận, vì vậy mỗi bộ phận được dẫn động bằng động cơ riêng dưới điều khiển lực căng hoặc tốc độ vòng kín. Một máy hiện đại có 80–150 bộ phận như vậy, từ 5 kW cho một con lăn hồi lưới đến 400–600 kW cho trống cuộn.
Kiến trúc đó tạo ra một phụ tải với các đặc tính mà một máy biến áp phân phối thông thường không được thiết kế để đáp ứng: hệ số công suất dịch chuyển gần bằng một, hàm lượng sóng hài cao từ các đầu vào chỉnh lưu, và — trên các giá tháo cuộn, máy cuộn và cán láng — dòng công suất ngược duy trì khi bộ biến tần giảm tốc hoặc giữ lực căng. Do đó, máy biến áp trên thanh cái đó không phải là một thiết bị kVA thụ động. Nó là một phần của hệ thống biến tần, và tổng trở, khả năng chịu sóng hài và hằng số thời gian nhiệt của nó đều thể hiện trong hoạt động của máy.
| Đầu vào bộ biến tần | THDi điển hình tại thanh cái | Hệ số K mà máy biến áp chịu | Tái sinh | Khi nào được chọn |
|---|---|---|---|---|
| Chỉnh lưu diode 6 xung, không cuộn kháng | 35–45% | 6–9 | Không (bộ hãm xung) | Thiết bị cũ hoặc bộ biến tần nhỏ có chi phí đầu tư thấp nhất |
| Diode 6 xung với cuộn kháng DC hoặc AC | 25–35% | 3–5 | Không | Cải tạo, yêu cầu sóng hài ở mức vừa phải |
| Diode 12 xung với máy biến áp dịch pha | 8–12% | 2–3 | Không | Bộ biến tần đơn lớn, hệ thống lắp đặt cũ |
| Đầu vào tích cực (AFE) với bộ lọc LCL | 3–5% | 1.0–1.2 | Đầy đủ, bốn góc phần tư | Bộ biến tần phân đoạn hiện đại, máy cuộn, máy tráng phủ |
| Thanh cái DC chung với nguồn cấp AFE | 3–5% tại bộ nguồn | 1.0–1.2 | Chia sẻ giữa các phân đoạn | Mặc định cho máy giấy mịn mới |
Thanh cái DC chung chính là yếu tố thay đổi cách tính toán. Khi 40 phân đoạn dùng chung một thanh cái DC, năng lượng giải phóng từ một phân đoạn sấy đang giảm tốc sẽ cấp cho một phân đoạn đang tăng tốc, và chỉ phần chênh lệch thực mới quay về phía AC. Điều này giảm số lượng điện trở hãm, giảm chu kỳ nhiệt của máy biến áp, và khiến bộ nguồn AFE — thường 2–4 MW — trở thành bộ chỉnh lưu duy nhất mà máy biến áp thực sự thấy. Vấn đề sóng hài không biến mất mà tập trung lại: thay vì 100 bộ chỉnh lưu 6 xung phân tán, bạn có hai hoặc ba bộ AFE lớn, và máy biến áp được chọn kích cỡ theo các bộ này.
Làm thế nào để chọn kích cỡ máy biến áp phía sau thanh cái bộ biến tần máy giấy 690 V?
Phép tính có bốn bước và mỗi bước đều có thể thay đổi kết quả. Sử dụng danh sách phụ tải ở trên:
- Bước 1 — kVA nhu cầu: 10,475 kW ÷ 0.96 = 10.9 MVA. Điều này giả định các bộ biến tần hiệu chỉnh hệ số công suất dịch chuyển về gần bằng một, điều mà bộ biến tần AFE làm được.
- Bước 2 — giảm định mức do sóng hài: nếu thanh cái có đầu vào 6 xung với THDi 35%, giảm định mức theo IEEE C57.110 tại hệ số K 4.7 cho phép 85% công suất danh định, do đó công suất danh định yêu cầu là 10.9 ÷ 0.85 = 12.8 MVA. Với bộ biến tần AFE có THDi 4% thì mức giảm định rất không đáng kể và yêu cầu giữ nguyên ở 11.0 MVA.
- Bước 3 — cấp định mức tiêu chuẩn và phân chia: 12.8 MVA làm tròn thành 4 × 4 MVA trên hai phân đoạn thanh cái, phần ướt và phần khô, với một thanh liên kết thường mở. Bốn bộ thay vì hai bộ nghĩa là một sự cố máy biến áp chỉ làm mất một nửa máy, chứ không phải toàn bộ máy.
- Bước 4 — kiểm tra: điều chỉnh điện áp tại các đầu cực bộ biến tần phải nằm trong ±10% của 690 V ở trạng thái ổn định và cao hơn ngưỡng cắt bảo vệ điện áp thấp của bộ biến tần trong quá trình tăng tốc một phân đoạn; dòng ngắn mạch tại các đầu cực 690 V phải nằm trong định mức của tủ đóng cắt.
Bước 3 là điểm mà máy giấy khác với phân phối thông thường. Một máy biến áp 4 MVA, 690 V với tổng trở 8% có công suất ngắn mạch 50 MVA tại các đầu cực, tức là 41.8 kA — nằm trong định mức tủ đóng cắt 50 kA nhưng không nằm trong tủ 40 kA. Giảm tổng trở xuống 6% sẽ nâng lên 55.8 kA và buộc phải dùng tủ đóng cắt 65 kA. Ngược lại, tăng lên 10% sẽ giảm dòng sự cố xuống 33.4 kA nhưng thêm 1.5–2% vào độ sụt áp tại đầu cực bộ biến tần ở tải đầy và khiến AFE phải làm việc vất vả hơn để giữ thanh cái DC. Trên thanh cái 690 V, 6–8% là khoảng thực tế và 8% là mặc định an toàn. Nếu bạn cần dòng sự cố tại MCC thay vì tại đầu cực máy biến áp, phương pháp ba bước trong tính toán dòng ngắn mạch bao gồm cả các số hạng đóng góp của cáp và động cơ.
| Máy biến áp | Tổng trở | Dòng sự cố tại 690 V | Độ sụt áp ở tải đầy | Cấp tủ đóng cắt |
|---|---|---|---|---|
| 4 MVA, 33/0.69 kV | 6% | 55.8 kA | 4.2% | 65 kA |
| 4 MVA, 33/0.69 kV | 8% | 41.8 kA | 5.6% | 50 kA |
| 4 MVA, 33/0.69 kV | 10% | 33.4 kA | 7.0% | 40 kA |
| 6.3 MVA, 33/0.69 kV | 8% | 65.9 kA | 5.6% | 65 kA |
Các số liệu sụt áp là độ điều chỉnh của bản thân máy biến áp tại dòng định mức, được tính từ tổng trở và tỷ số X/R; chúng không bao gồm sụt áp trên cáp và tổng trở phía thượng nguồn. Trên một thanh cái 690 V thực tế, sụt áp trên cáp từ máy biến áp đến MCC có thể thêm 1.5–2.5% trên các tuyến dài, đó là lý do máy biến áp thường được đặt trong phạm vi 50 m tính từ dãy bộ biến tần.
Tại sao sóng hài của VFD lại tiêu tốn nhiều công suất máy biến áp hơn so với danh sách phụ tải gợi ý?
Một máy biến áp định mức 4 MVA ở 50 Hz với tải hình sin được định mức 4 MVA ở 50 Hz với tải hình sin. Đặt một bộ chỉnh lưu 6 xung ở phía thứ cấp và cùng 4 MVA công suất biểu kiến đó giờ chứa 35% dòng điện hài, và các hài này làm hai việc mà thành phần cơ bản không làm: chúng tăng dòng điện hiệu dụng cho cùng công suất thực, và chúng tập trung trong các cuộn dây thông qua hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lân cận, do đó tổn thất dòng xoáy tăng xấp xỉ theo bình phương bậc hài. IEEE C57.110 tồn tại chính xác vì hiệu ứng thứ hai không được phản ánh bởi hiệu ứng thứ nhất. Cơ chế, và năm cách để giảm dòng điện hài tại nguồn thay vì tại máy biến áp, được trình bày trong hướng dẫn về hài của máy biến áp.
Việc giảm định mức được tính từ phổ hài, không phải từ một quy tắc kinh nghiệm:
Imax (pu) = √[ (1 + PEC-R) / (1 + K · PEC-R) ]
trong đó PEC-R là tỷ lệ tổn thất dòng xoáy trên tổng tổn thất tải ở dòng điện định mức (thường là 0,10–0,15 đối với máy biến áp phân phối) và K là hệ số tổn thất hài, K = Σ(h² · Ih²) / Σ(Ih²). Hệ số K bị chi phối bởi các hài bậc thấp do trọng số h²: hài bậc 5 đóng góp gấp 25 lần trên mỗi đơn vị so với thành phần cơ bản, đó là lý do tại sao một phổ có 30% hài bậc 5 tạo ra K ≈ 4,7 thay vì K ≈ 1,2 mà một cách đọc ngây thơ của THD sẽ gợi ý.
| Bậc hài | 6 xung, % của thành phần cơ bản | 6 xung + cuộn kháng, % | 12 xung, % | AFE, % |
|---|---|---|---|---|
| Bậc 5 | 30 | 22 | 3 | 3,5 |
| Bậc 7 | 15 | 11 | 2 | 1,5 |
| Bậc 11 | 7 | 5 | 4 | 0,8 |
| Bậc 13 | 4 | 3 | 3 | 0,5 |
| THDi | 35% | 25% | 9–12% | 4% |
| Hệ số K | 4,7 | 3,1 | 2,0–2,5 | 1,0–1,1 |
| Hệ số K của tải | Công suất máy biến áp khả dụng (PEC-R = 0,12) | Công suất bị mất | Nguồn điển hình của phổ đó |
|---|---|---|---|
| 1 | 100% | 0% | Tải tuyến tính, động cơ trên nguồn hình sin |
| 2 | 95% | 5% | Tải hỗn hợp động cơ và biến tần nhỏ |
| 4 | 87% | 13% | Biến tần 6 xung có cuộn kháng |
| 6 | 81% | 19% | Biến tần 6 xung không có cuộn kháng |
| 9 | 73% | 27% | Biến tần nhỏ không lọc, UPS, tải IT |
| 13 | 66% | 34% | Chỉnh lưu một pha, biến tần DC cũ |
| 20 | 57% | 43% | Méo hài đa nguồn nghiêm trọng |
Hai kết luận thực tiễn rút ra. Thứ nhất, một máy biến áp định mức K không cho bạn thêm công suất — nó cho bạn một máy biến áp chịu được hệ số K mà bạn thực sự có, với thiết kế trung tính và cuộn dây không bị quá nhiệt. Công suất vẫn lấy từ nhãn máy. Thứ hai, cách rẻ nhất để thu hồi 13–19% bị mất là chỉ định biến tần AFE cho máy xeo ngay từ đầu: việc giảm định mức biến mất, khả năng tái sinh có được miễn phí, và thanh cái 33 kV không còn cần một tủ tụ bù có cuộn kháng giải điều hòa. Hãy so sánh điều đó với giá của một cỡ máy biến áp lớn hơn trên mỗi bộ phận máy trước khi quyết định rằng biến tần 6 xung là lựa chọn kinh tế. Khung quyết định giữa máy biến áp định mức K và máy biến áp quá cỡ được trình bày trong hướng dẫn lựa chọn máy biến áp hệ số K.
Sự kiện khởi động động cơ lớn nhất trong một nhà máy bột giấy là gì — và nó gây ra sụt áp bao nhiêu?
Đó không phải là máy xeo, vốn khởi động bằng biến tần và tăng tốc dần. Đó là máy nghiền bột. Một dây chuyền bột nhiệt cơ có hai hoặc ba máy nghiền, mỗi máy được dẫn động bởi một động cơ đồng bộ hoặc không đồng bộ 10–30 MW ở 11 kV, và mỗi lần khởi động là một sự kiện hệ thống: động cơ lấy dòng điện gấp 5–6 lần dòng điện định mức trong 10–40 giây trong khi các đĩa nghiền tăng tốc chống lại tải nguyên liệu.
Tính toán cho một động cơ máy nghiền 12 MW, 11 kV, hiệu suất 0,96, hệ số công suất 0,95, dòng điện khóa rôto gấp 5,5 lần định mức:
- Công suất biểu kiến định mức của động cơ = 12.000 ÷ (0,96 × 0,95) = 13,2 MVA
- Công suất biểu kiến khởi động = 5,5 × 13,2 = 72,4 MVA
- Ở 11 kV, đó là trở kháng khởi động 11² ÷ 72,4 = 1,67 Ω với hệ số công suất khởi động khoảng 0,25
Mức sụt áp tại thanh cái 11 kV sau đó gần như phụ thuộc hoàn toàn vào độ mạnh của nguồn. Với máy biến áp 40 MVA có tổng trở 8%, tổng trở nguồn là 0,242 Ω và thanh cái giảm xuống còn 87,5% giá trị danh định — tức sụt áp 12,5%. Với máy biến áp 25 MVA, cùng một lần khởi động tạo ra mức sụt 18,7%, và với máy biến áp 63 MVA là 8,3%.
| Phương pháp khởi động cho máy nghiền tinh 12 MW | Dòng khởi động (pu so với định mức) | Sụt áp thanh cái với nguồn 40 MVA, 8% | Mô-men khởi động | Khi nào sử dụng |
|---|---|---|---|---|
| Khởi động trực tiếp | 5,5 | 12,5% | 100% | Chỉ trên thanh cái rất mạnh (>63 MVA) |
| Máy biến áp tự ngẫu, đầu phân áp 80% | 3,5 | 8,4% | 64% | Các hệ thống cũ với tải dăm nhẹ |
| Máy biến áp tự ngẫu, đầu phân áp 65% | 2,3 | 5,7% | 42% | Nơi máy nghiền tinh có thể khởi động không tải |
| Bộ khởi động mềm, giới hạn 3,0 × | 3,0 | 7,2% | 30% | Cải tạo, không có VFD, có ly hợp cơ khí |
| VFD hoặc LCI, giới hạn dòng 110% | 1,1 | 2,8% | 100% ở mọi tốc độ | Dây chuyền mới, và mọi dây chuyền khởi động dưới tải |
| Khởi động bằng động cơ phụ | <1,0 | <2% | không áp dụng | Máy nghiền tinh đồng bộ với bộ truyền động phụ nhỏ |
Quy tắc thiết kế mà hầu hết các nhà máy áp dụng là giới hạn sụt áp 10% tại tủ phân phối 11 kV và 15% tại đầu cực động cơ, vì các contactor nhả ra ở khoảng 70–75% và các bộ biến tần ngắt theo cài đặt bảo vệ thấp áp của chúng ở đâu đó trong khoảng 80% đến 85%. Do đó, mức sụt 12,5% trên tủ phân phối 40 MVA không phải là trường hợp biên — nó vượt giới hạn, và sẽ làm nhả mọi contactor trên cùng một phân đoạn không được cấp nguồn qua mạch điều khiển có UPS. Đó chính là thời điểm nhà máy phát hiện ra rằng việc khởi động máy nghiền tinh và máy xeo dùng chung một phân đoạn thanh cái.
Hệ số công suất khởi động quan trọng hơn nhiều so với giả định của hầu hết các nghiên cứu phân bố công suất. Ở hệ số công suất khởi động 0,25, gần như toàn bộ tổng trở khởi động của động cơ là phản kháng, nên sụt áp là vấn đề X/R chứ không phải vấn đề R, và việc tăng thêm chiều dài cáp đến máy nghiền tinh lại làm tình hình xấu đi đôi chút thay vì tốt hơn. Đây là lý do tại sao một máy nghiền tinh được cấp nguồn từ trạm biến áp 11 kV ở xa có thể cho thấy mức sụt áp lớn hơn so với cùng máy nghiền tinh đó được cấp nguồn từ tủ phân phối bên cạnh, dù cả hai đều dùng chung một máy biến áp.
Việc khởi động máy nghiền tinh quyết định tổng trở máy biến áp như thế nào?
Ở đây các yêu cầu kéo theo những hướng ngược nhau. Tổng trở cao hơn giới hạn dòng sự cố tại tủ phân phối 11 kV và cho phép dùng thiết bị đóng cắt rẻ hơn; nhưng nó cũng làm tăng mức sụt áp trong quá trình khởi động máy nghiền tinh, tăng tổn thất tải của máy biến áp và làm xấu đi chất lượng điều chỉnh điện áp cho toàn khu vực. Bảng dưới đây giữ máy biến áp ở 20 MVA và thay đổi tổng trở cho cùng một lần khởi động trực tiếp 12 MW.
| Tổng trở | Mức sự cố tại 11 kV | Dòng sự cố | Sụt áp khi khởi động trực tiếp 12 MW | Hệ quả thực tế |
|---|---|---|---|---|
| 6% | 333 MVA | 17,5 kA | 17,7% | Thiết bị đóng cắt 20 kA, sụt áp vượt xa giới hạn |
| 8% | 250 MVA | 13,1 kA | 22,3% | Thiết bị đóng cắt 16 kA, vẫn vượt giới hạn |
| 10% | 200 MVA | 10,5 kA | 26,4% | Thiết bị đóng cắt 12,5 kA, cần khởi động bằng VFD |
| 12% | 167 MVA | 8,7 kA | 30,1% | Thiết bị đóng cắt 10 kA, điều chỉnh điện áp trở nên kém |
Đọc bảng theo chiều ngược lại thì thiết kế trở nên rõ ràng: tổng trở không phải là công cụ bạn dùng để làm cho việc khởi động máy nghiền tinh trở nên chấp nhận được. Ngay cả ở 6% mức sụt áp vẫn là 17,7%, vì tổng trở khởi động của chính động cơ chiếm ưu thế. Công cụ khắc phục việc khởi động máy nghiền tinh là phương pháp khởi động — VFD, LCI hoặc động cơ phụ — và một khi dòng khởi động được giới hạn ở 110%, tổng trở máy biến áp có thể được chọn chỉ dựa trên dòng sự cố và điều chỉnh điện áp. Những nhà máy cố gắng giải quyết việc khởi động máy nghiền tinh bằng một máy biến áp lớn hơn cuối cùng phải mua 63 MVA để phục vụ tải 20 MW, đó là một cách tốn kém để tránh phải dùng bộ biến tần.
Tại sao sụt áp 100 ms lại làm đứt giấy — và một lần đứt giấy tốn bao nhiêu?
Máy xeo không có quán tính trong tờ giấy. Tờ giấy được giữ căng giữa các bộ phận, và nếu một bộ phận mất mô-men trong 100 ms trong khi các bộ phận bên cạnh vẫn chạy, hiện tượng quá độ lực căng hoặc sẽ làm đứt tờ giấy hoặc tạo ra một chỗ dày hơn, yếu hơn và sẽ đứt ở khe ép tiếp theo. Bản thân các bộ biến tần thường chịu được sụt áp; tờ giấy thì không. Trình tự diễn ra là: sụt áp, một hoặc hai bộ phận ngắt do thấp áp hoặc quá dòng, giấy đứt, giấy vụn tràn vào máy nghiền bột, và tổ công nhân mất 15–45 phút để xâu lại giấy từ hộp phun bột đến trục cuốn.
| Thiết bị | Khả năng chịu sụt áp điển hình | Điều gì xảy ra khi sụt áp 20% trong 100 ms | Biện pháp khắc phục |
|---|---|---|---|
| Động cơ cảm ứng khởi động trực tiếp (DOL) | 0,80 pu trong 2 s | Tốc độ giảm, phục hồi khi điện áp trở lại | Không cần |
| Cuộn dây contactor | Nhả ở 0,70–0,75 pu | Nhả, động cơ dừng, không tự khởi động lại | Contactor chốt hoặc cuộn dây được nuôi bằng UPS |
| Bộ biến tần 6 xung | 0,85 pu trong 100 ms theo mặc định điển hình | Ngắt trừ khi được cấu hình chế độ ride-through | Đệm động năng, hỗ trợ thanh cái DC, khởi động lại khi đang quay |
| Bộ biến tần AFE | 0,85 pu trong 100 ms, hoặc 0,70 pu trong 500 ms nếu được lập trình | Ngắt do điện áp thanh cái DC thấp | Lập trình ride-through, tăng kích thước mạch DC link |
| PLC và hệ thống an toàn | Duy trì hoạt động nhờ UPS | Tiếp tục chạy, phát lệnh dừng | UPS cho hệ thống điều khiển, không phải cho nguồn động lực |
| Cuộn giấy | Không có khả năng chịu đựng | Đứt giấy | Phối hợp ride-through trên tất cả các bộ phận |
Chi phí của một lần đứt giấy không phải là tiền điện. Trên một máy 700 t/ngày chạy giấy mịn tráng phủ, một lần đứt giấy tốn 3–5 giờ sản xuất bao gồm luồn lại giấy và xử lý giấy hỏng, với công suất 29 t/h và biên lợi nhuận đóng góp 300–600 USD/tấn, tức là 26.000–87.000 USD mỗi lần, cộng với giá trị giấy hỏng và gián đoạn lịch trình hạ nguồn. Do đó, các nhà máy có 10–30 lần đứt giấy mỗi năm thực sự chi tiền cho ride-through, và thông số kỹ thuật máy biến áp là một phần của khoản chi đó: máy biến áp có tổng trở thấp hơn và thanh cái cứng hơn cho các bộ biến tần nhiều dư địa hơn, và nhà máy có sơ đồ chuyển nguồn thanh cái nhanh có thể chuyển máy sang nguồn vào khỏe mạnh trong 200–300 ms thay vì làm đứt giấy.
Máy biến áp ngâm dầu hay khô — mỗi loại phù hợp ở đâu trong nhà máy giấy?
Trong nhà máy, lựa chọn được quyết định bởi vị trí, không phải bởi sở thích. Máy biến áp khô đúc nhựa là lựa chọn mặc định trong các tòa nhà vì không có dầu để cháy, không cần bể chứa, không cần tường chắn lửa và không cần bảo trì bình dầu phụ hay khí nitơ. Máy biến áp ngâm dầu là lựa chọn mặc định ngoài trời ở 33 kV trở lên vì rẻ hơn trên mỗi MVA, hiệu suất cao hơn và tản nhiệt tốt hơn trong khí hậu nóng.
| Vị trí | Điện áp / công suất | Loại khuyến nghị | Lý do | Điểm thông số kỹ thuật chính |
|---|---|---|---|---|
| Sân ngoài trời 132/33 kV | 40–120 MVA | Ngâm dầu, ONAN/ONAF | Chi phí trên mỗi MVA, hiệu suất, tản nhiệt | Bình dầu phụ hoặc kín hoàn toàn, OLTC, rơ le Buchholz, tường chắn lửa |
| Trạm biến áp khu vực 33/11 kV, trong nhà | 20–40 MVA | Ngâm dầu trong ngăn chịu lửa | Mức sự cố và chi phí; máy khô ở cỡ này rất đắt | Chịu lửa 2–3 h, bể chứa, phun nước dập lửa, phát hiện khí |
| Xưởng máy giấy, 690 V | 4–6,3 MVA | Khô đúc nhựa, IP54 | Không có dầu bên trong tòa nhà có tải lửa cao và bụi giấy | Cách điện cấp F/H, nhiệt độ môi trường 45 °C, điện trở sấy chống ngưng tụ |
| Chuẩn bị bột giấy, 690 V | 4–10 MVA | Khô đúc nhựa | Bụi, rung động, vị trí trong nhà | Định mức K hoặc giảm công suất, IP54, giằng chống động đất |
| Xưởng tẩy trắng | 1–4 MVA | Đúc nhựa, kín, C5-M | ClO2 và độ ẩm ăn mòn kim loại, dầu là mối nguy thứ hai | Lớp phủ ISO 12944 C5-M, IP55, phụ kiện thép không gỉ 316 |
| Tăng áp máy phát | 40–63 MVA | Ngâm dầu, ONAF | Ngoài trời, công suất ngược, hiệu suất cao | OLTC hai cấp điện áp, bảo vệ công suất ngược, 11/132 kV |
Hai điểm đặc thù của nhà máy thường bị bỏ qua. Thứ nhất, máy biến áp đúc nhựa trong xưởng máy giấy hoạt động ở nhiệt độ môi trường 40–45 °C với bụi giấy đọng trên cuộn dây, nên công suất định mức phải được hiệu chỉnh theo nhiệt độ môi trường và vỏ máy phải được thiết kế sao cho bụi không cầu nối cách điện — IP54 với đường thông gió có lọc, không phải IP21. Thứ hai, chiến lược phòng cháy phải được quyết định trước khi đặt hàng máy biến áp: FM Global Data Sheet 5-4 và công ty bảo hiểm địa phương sẽ quy định khoảng cách ly và cấp chịu lửa cho các thiết bị chứa dầu, và việc bổ sung tường chắn lửa quanh một máy biến áp đã lắp đặt tốn kém hơn nhiều so với việc chọn loại khô ngay từ đầu.
Xưởng tẩy trắng, phần ướt và xưởng máy ảnh hưởng thế nào đến thông số kỹ thuật?
Nhà máy giấy ẩm ướt, ấm và ăn mòn theo cách mà ngành công nghiệp thông thường không có. Bốn môi trường quyết định thông số kỹ thuật:
- Nhà máy tẩy trắng: môi trường chứa clo dioxide và clo ở 40–50 °C với độ ẩm cao. Vỏ thép carbon bị ăn mòn trong vòng 3–5 năm. Cần chỉ định lớp phủ ISO 12944 C5-M, phụ kiện thép không gỉ 316, cuộn dây đúc nhựa epoxy kín, IP55, và dung sai ăn mòn trên vỏ thay vì chỉ dùng hệ sơn.
- Xưởng máy xeo giấy: nhiệt độ môi trường 40–45 °C, độ ẩm tương đối 80–90% tại đầu ướt, bụi giấy khắp nơi. Cần giảm định mức cho nhiệt độ môi trường trên 40 °C, chỉ định bộ gia nhiệt chống ngưng tụ được cấp điện khi máy biến áp ngừng hoạt động, và bố trí thiết bị sao cho nước rửa không thể chảy vào vỏ.
- Chuẩn bị bột giấy: rung động từ máy nghiền tinh và sàng, cùng với hơi nước và bột giấy bắn tung tóe. Cần chỉ định giằng chống địa chấn hoặc chống rung được định mức cho móng máy nghiền tinh, kết nối thanh cái mềm, và máy biến áp đặt ngoài vùng bắn tóe.
- Xử lý nước thải và nước cấp: lắp đặt ngoài trời, khí hydro sulphua trong môi trường cống rãnh, và các máy bơm khởi động thường xuyên. Cần dùng thiết bị ngâm dầu với lớp phủ C4/C5, hộp cáp kín, và lối tiếp cận bảo trì không yêu cầu phải dừng nhà máy.
Hiệu chỉnh theo nhiệt độ môi trường không phải là sai số làm tròn. Một máy biến áp đúc nhựa epoxy 4 MVA được định mức ở nhiệt độ môi trường 40 °C mất khoảng 5–8% công suất ở 45 °C, và một thiết bị ngâm dầu 33 kV mất khoảng 1% cho mỗi kelvin vượt nhiệt độ môi trường định mức. Trong một nhà máy mà xưởng máy xeo ở 45 °C trong sáu tháng mỗi năm, việc hiệu chỉnh đó phải nằm trong yêu cầu chào hàng, không phải phát hiện ra khi chạy thử nghiệm thu. Điều tương tự cũng áp dụng cho độ cao, vấn đề quan trọng đối với các nhà máy ở vị trí vùng cao; phương pháp hiệu chỉnh là phương pháp dùng cho mọi máy biến áp phân phối, và nên kiểm tra đường cong giảm định mức trước khi ấn định công suất. Mối quan hệ giữa cấp làm mát, độ tăng nhiệt và tải cho phép được trình bày trong hướng dẫn phương pháp làm mát và độ tăng nhiệt.
Nhà máy nên được cấu hình thế nào để đảm bảo độ tin cậy?
Một nhà máy giấy hoạt động 350 ngày mỗi năm và mất 30.000–90.000 USD cho mỗi lần dừng ngoài kế hoạch, vì vậy câu hỏi về dự phòng là vấn đề kinh tế chứ không phải triết lý. Bốn cấu hình dưới đây bao quát gần như mọi nhà máy; lựa chọn thường được thực hiện theo từng khu vực, không phải cho toàn bộ nhà máy.
| Cấu hình | Công suất máy biến áp | Độ sẵn sàng | Thời gian mất điện khi máy biến áp hỏng | Nơi phù hợp |
|---|---|---|---|---|
| Một nhánh hướng tâm | 1,0 × nhu cầu | 99,0–99,5% | Khu vực dừng cho đến khi thay thế (vài tuần) | Bãi gỗ, tiện ích, phụ trợ không quan trọng |
| Hai đầu với liên kết thường mở | 2 × 65–75% nhu cầu khu vực | 99,7–99,9% | Khu vực tiếp tục ở tải giảm sau khi chuyển đổi 200–300 ms | Máy xeo giấy, chuẩn bị bột giấy |
| 2 × 100% với chuyển đổi tự động | 2 × 100% | 99,9% | Không mất sản xuất, chuyển đổi trong <300 ms | MCC quan trọng, máy tráng phủ, máy cuộn, nguồn DCS |
| Vòng hoặc lưới ở 33 kV | N+1 trên toàn vòng | 99,8–99,9% | Vòng được cấu hình lại, một cáp hoặc máy biến áp bị loại | Phân phối nội bộ giữa các khu vực |
Riêng đối với máy xeo giấy, mô hình hiệu quả là bốn máy biến áp trên hai phân đoạn với liên kết thường mở và sơ đồ chuyển đổi nhanh: mỗi cặp mang một nửa máy ở tải 80%, và khi mất một thiết bị, liên kết đóng lại và máy tiếp tục ở tốc độ giảm với máy tráng phủ và một máy cuộn được cắt bỏ. Đó là một thỏa hiệp có chủ đích — không dễ biện minh cho cấu hình 2 × 100% đầy đủ trên thanh cái máy 16 MVA, trong khi một nhánh hướng tâm đơn lẻ là không thể bảo vệ được.
Một chi tiết về độ tin cậy dễ bị làm sai sau khi dừng máy. Khi nhà máy được cấp điện lại, mọi máy biến áp trên bảng điện đều hút dòng từ hóa xung kích tại cùng một thời điểm, và một thiết bị 4 MVA có thể kéo dòng 8–12 lần dòng định mức trong 100–200 ms. Nếu các bộ truyền động máy xeo giấy đã được kích hoạt khi máy cắt đầu vào đóng, sụt áp do dòng xung kích đủ để làm chúng nhảy. Giải pháp là trình tự cấp điện theo giai đoạn — máy biến áp trước, bộ truyền động kích hoạt sau 2–3 s, các phân đoạn tăng tốc theo thứ tự — và nguyên lý vật lý đằng sau dòng điện này được giải thích trong hướng dẫn dòng xung kích máy biến áp.
Tại sao nhà máy giấy cần cả máy biến áp tăng áp lẫn giảm áp?
Hầu hết các nhà máy tích hợp tự sản xuất phần lớn điện năng cho mình. Một lò thu hồi cộng với một lò hơi sinh khối cộng với một tuabin trích hơi-ngưng hơi thường cung cấp 30–60 MW ở 11 kV, và nhà máy bán phần điện dư lên lưới ở một số thị trường và nhập điện vào ban đêm ở những thị trường khác. Điều đó đòi hỏi một máy biến áp tăng áp máy phát ở 11/132 kV hoặc 11/110 kV, được chọn kích cỡ theo công suất định mức của tuabin với biên độ quá tải, và nó thay đổi triết lý bảo vệ và đo đếm của toàn bộ nhà máy.
Ba hệ quả đối với thông số kỹ thuật của máy biến áp:
- Dòng công suất ngược: các máy biến áp 33 kV và 132 kV của nhà máy phải được chỉ định cho công suất hai chiều, với rơ le quá dòng có hướng và rơ le công suất ngược, và với dải nấc phân áp hoạt động theo cả hai chiều. Một máy biến áp chỉ được chỉ định cho nhập điện sẽ có dải OLTC hết nấc khi nhà máy xuất điện ở điện áp 105%.
- Dòng hài lên lưới: khi nhà máy xuất điện, các hài từ biến tần của máy xeo chảy qua máy biến áp tăng áp đến điểm đấu nối của công ty điện lực. Các giới hạn của IEEE 519 áp dụng tại điểm đó, không phải tại thanh cái 690 V, và công ty điện lực sẽ đo chúng. Đây là lý do một nhà máy tuân thủ tại tủ điện 11 kV của chính mình vẫn có thể nhận được khiếu nại về chất lượng điện năng từ đơn vị vận hành lưới điện.
- Vận hành độc lập: nếu mất nguồn cấp từ công ty điện lực, nhà máy có thể vận hành độc lập bằng nguồn phát của chính mình. Khi đó máy biến áp tăng áp mang toàn bộ tải của nhà máy với mức dòng ngắn mạch rất khác và không có quán tính lưới phía sau, và sơ đồ cắt giảm tải phải được thiết kế cho trường hợp đó thay vì trường hợp nối lưới.
Việc vốn hóa tổn thất trông như thế nào đối với một nhà máy chạy 8.000 giờ một năm?
Máy biến áp của nhà máy giấy chạy liên tục, vì vậy tổn thất của nó là một chi phí vốn, không phải một chi tiết vận hành. Hãy vốn hóa chúng ở 8.000 giờ một năm, 0,08 USD/kWh, 20 năm và lãi suất chiết khấu 6%, và hệ số niên kim là 11,47. Một kilowatt tổn thất không tải khi đó trị giá 8.000 × 0,08 × 11,47 = 7.341 USD, và một kilowatt tổn thất có tải ở hệ số tải 70% trị giá 8.000 × 0,49 × 0,08 × 11,47 = 3.597 USD.
| Thông số | Giá trị | Ghi chú |
|---|---|---|
| Giờ vận hành | 8.000 h/năm | 350 ngày với trung bình 23 h |
| Giá năng lượng | 0,08 USD/kWh | Biểu giá công nghiệp, điều chỉnh theo địa phương |
| Lãi suất chiết khấu | 6% | Chi phí vốn bình quân gia quyền |
| Tuổi thọ | 20 năm | Tuổi thọ máy biến áp điển hình trong nhà máy |
| Hệ số niên kim | 11,47 | (1 − 1,06−20) / 0,06 |
| Giá trị 1 kW tổn thất không tải | 7.341 USD | Chạy 8.000 h ở giá trị đầy đủ |
| Giá trị 1 kW tổn thất có tải | 3.597 USD | Ở hệ số tải 70% |
Áp dụng điều này cho một máy 4 MVA với tổn thất không tải 3,2 kW và tổn thất có tải 32 kW: 151.040 kWh một năm, 12.083 USD một năm, 138.593 USD trong suốt tuổi thọ 20 năm. Đó là con số để so sánh với chênh lệch giá giữa một máy cấp S13 và một máy cấp S20, hoặc giữa một thiết kế tiêu chuẩn và một thiết kế tổn thất thấp. Trong hầu hết các trường hợp, máy tổn thất thấp thắng ở chu trình làm việc của nhà máy và thua ở chu trình làm việc 2.000 giờ, đó là lý do cùng một máy biến áp có thể là lựa chọn đúng cho nhà máy giấy và là lựa chọn sai cho công trường xây dựng. Phương pháp đầy đủ, bao gồm cách xử lý tăng trưởng tải và cách xử lý chi phí vốn hóa cùng với giá mua, được trình bày trong tính toán tổng chi phí sở hữu.
Những gì cần có trong RFQ cho gói máy biến áp nhà máy giấy?
Một yêu cầu chào hàng cho nhà máy giấy thất bại theo một trong hai cách: nhà cung cấp báo giá một máy biến áp phân phối tiêu chuẩn và các hài, chế độ khởi động hoặc môi trường ăn mòn được phát hiện sau đó; hoặc yêu cầu quá mở đến mức mỗi chào hàng là cho một sản phẩm khác nhau. Danh mục dữ liệu dưới đây khắc phục cả hai lỗ hổng. Đây cũng là danh mục để so sánh các chào hàng, bởi vì một báo giá không thể trả lời các mục 5, 6 và 9 thì không phải là báo giá cho ứng dụng này.
| # | Hạng mục dữ liệu | Lý do nhà cung cấp cần thông tin này |
|---|---|---|
| 1 | Danh sách phụ tải theo khu vực: kW đấu nối, hệ số nhu cầu, kW nhu cầu theo từng nhóm | Xác định công suất định mức dựa trên tính toán kỹ thuật, không dựa vào kinh nghiệm ước lượng |
| 2 | Vị trí đặt máy biến áp: trong nhà/ngoài trời, nhiệt độ môi trường, độ ẩm, cấp ăn mòn | Quyết định kiểu máy, vỏ bọc, hệ sơn và mức giảm công suất |
| 3 | Điện áp sơ cấp và thứ cấp, tổ đấu dây, dải điều chỉnh đầu phân áp | Dyn11 là tiêu chuẩn ở 690 V; dải điều chỉnh đầu phân áp phải bao phủ dải điện áp của lưới điện |
| 4 | Mục tiêu tổng trở và dải cho phép | Đồng thời xác định dòng sự cố và điều chỉnh điện áp |
| 5 | Phổ sóng hài hoặc hệ số K, và tiêu chuẩn dùng để giảm công suất | Giảm công suất theo IEEE C57.110, máy biến áp định mức K hoặc lõi quá cỡ |
| 6 | Khởi động động cơ lớn nhất: công suất định mức, phương pháp khởi động, giới hạn dòng, mức sụt áp cho phép | Xác nhận thanh cái đủ mạnh cho máy nghiền tinh hoặc khởi động biến tần |
| 7 | Chế độ làm việc: liên tục, chu kỳ, biểu đồ phụ tải dự kiến | Thiết kế nhiệt và lựa chọn cấp làm mát |
| 8 | Đánh giá tổn thất: giá trị vốn hóa cho tổn thất không tải và tổn thất có tải | Giúp so sánh các cấp hiệu suất trên cùng một chỉ số |
| 9 | Dự phòng: đơn, hai đầu, 2 × 100%, thời gian chuyển đổi | Xác định máy được chọn công suất ở 65–75% hay 100% |
| 10 | Bảo vệ và giám sát: nhiệt độ, rơ-le Buchholz hoặc van xả áp, lấy mẫu DGA | Giám sát tình trạng rẻ hơn so với sự cố |
| 11 | Tiêu chuẩn: IEC 60076 hoặc IEEE C57, cấp hiệu suất, yêu cầu CE/UL | Quyết định chế độ thử nghiệm và bộ tài liệu |
| 12 | Điều kiện công trường: độ cao, vùng địa chấn, tải trọng tuyết và gió | Thiết kế cơ khí và giảm công suất |
| 13 | Giao hàng, tuyến vận chuyển và giới hạn nâng hạ | Một máy 40 MVA có thể không lọt đường vào công trường |
Hạng mục 13 xứng đáng được khảo sát riêng. Một máy 40 MVA, 132/33 kV nặng 60–80 t cùng dầu và cần khảo sát tuyến đường về giới hạn cầu, đường dây trên cao và bán kính quay vòng trước khi đặt hàng; một máy đúc nhựa 4 MVA cho gian máy có thể phải đi qua cửa cao 2,5 m và được cẩu vào vị trí trước khi lợp mái. Các ràng buộc về vận chuyển và lắp đặt, bao gồm vận chuyển dầu có nạp khí nitơ và giới hạn nghiêng trong quá trình xử lý, được trình bày trong hướng dẫn vận chuyển và lắp đặt.
Câu hỏi thường gặp
Một máy biến áp 33/0,69 kV có thể cấp điện cho toàn bộ máy xeo giấy không?
Về mặt kỹ thuật thì có, nhưng thực tế thì không. Một máy 16 MVA ở 690 V sẽ cần thanh cái 13.400 A, đặt toàn bộ máy xeo sau một điểm sự cố duy nhất, và tập trung dòng sóng hài của mọi bộ biến tần lên một cuộn dây. Bốn máy 4 MVA trên hai phân đoạn tốn kém hơn về thiết bị đóng cắt nhưng ít tổn thất sản xuất hơn, và cho phép đưa một máy ra bảo trì mà không dừng máy xeo.
Tôi có còn cần máy biến áp định mức K nếu tất cả biến tần đều là AFE không?
Không, và việc trả tiền cho một máy như vậy là lãng phí phổ biến. Biến tần AFE có bộ lọc LCL tạo ra THDi 3–5%, tương ứng với hệ số K gần bằng 1. Một máy biến áp tiêu chuẩn với dây trung tính được chọn đúng cỡ là đủ. Định mức K trở nên cần thiết khi vẫn còn biến tần 6 xung trên thanh cái — thường trong trường hợp cải tạo, khi một phần máy được nâng cấp còn một phần thì không.
Tôi nên chỉ định tổng trở bao nhiêu cho máy biến áp cấp điện cho máy nghiền tinh?
Hãy chọn theo dòng sự cố và điều chỉnh điện áp trước, sau đó kiểm tra khởi động. Trên một máy biến áp 11 kV, 20 MVA, mức 8% giữ dòng sự cố ở 13,1 kA và phù hợp với thiết bị đóng cắt 16 kA; tăng lên 10% tiết kiệm được một khung thiết bị đóng cắt nhưng tăng thêm 4% mức sụt áp khi khởi động trực tiếp máy nghiền tinh, đây là sự đánh đổi sai. Nếu máy nghiền tinh khởi động trực tiếp và mức sụt áp vượt quá 10%, giải pháp là VFD hoặc khởi động mềm, không phải một máy biến áp khác.
Máy biến áp cho nhà máy giấy có thể lắp trong nhà không?
Có, và hầu hết máy biến áp 690 V cho gian máy đều được lắp trong nhà. Máy biến áp khô đúc nhựa được thiết kế để lắp trong nhà, không cần bể chứa dầu hay tường chắn lửa, và có sẵn vỏ bọc IP54 cho khu vực nhiều bụi và ẩm. Các ràng buộc là nhiệt độ môi trường, thông gió và quản lý bụi, không phải bản thân công nghệ máy biến áp. Máy biến áp ngâm dầu trên 20 MVA lắp trong nhà yêu cầu khoang chống cháy, bể chứa dầu và thường có hệ thống phun nước chữa cháy, đó là lý do chúng thường được đặt ngoài trời hoặc trong tòa nhà trạm biến áp riêng.
Nguồn tham khảo / 资料来源
Nguồn: IEC 60076-1 — Máy biến áp lực, yêu cầu chung.
Nguồn: IEC 60076-2 — Độ tăng nhiệt đối với máy biến áp ngâm trong chất lỏng.
Nguồn: IEC 60076-11 — Máy biến áp lực khô.
Nguồn: IEC 60038 — Điện áp tiêu chuẩn, bao gồm cấp 690 V.
Nguồn: IEC 60034-12 — Đặc tính khởi động của động cơ cảm ứng lồng sóc ba pha một tốc độ.
Nguồn: IEEE C57.110-2018 — Xác định khả năng của máy biến áp khi cấp dòng tải không hình sin.
Nguồn: IEEE 519-2014 — Kiểm soát sóng hài trong hệ thống điện.
Nguồn: IEEE C57.12.00 — Yêu cầu chung đối với máy biến áp phân phối, máy biến áp lực và máy biến áp điều chỉnh ngâm trong chất lỏng.
Nguồn: GB/T 6451-2015 — Thông số kỹ thuật và yêu cầu đối với máy biến áp lực ba pha ngâm dầu.
Nguồn: GB 20052-2020 — Giá trị hiệu suất năng lượng tối thiểu cho phép và cấp hiệu suất năng lượng đối với máy biến áp lực.
Nguồn: GB/T 1094.1-2013 — Máy biến áp lực, quy định chung.
Nguồn: Quy định của Ủy ban (EU) số 548/2014 — Yêu cầu thiết kế sinh thái đối với máy biến áp lực loại nhỏ, trung bình và lớn, Cấp 2 từ ngày 1 tháng 7 năm 2021.
Nguồn: Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, 10 CFR Phần 431 Tiểu phần K — Tiêu chuẩn tiết kiệm năng lượng đối với máy biến áp phân phối.
Nguồn: ISO 12944-2 — Phân loại độ ăn mòn đối với kết cấu thép, loại C5-M cho môi trường khí quyển ven biển và công nghiệp.
Nguồn: NFPA 70 (Bộ Quy tắc Điện Quốc gia) Điều 450 — Máy biến áp và hầm máy biến áp.
Nguồn: NFPA 13 — Lắp đặt hệ thống phun nước chữa cháy, cho bối cảnh tải trọng cháy của nhà máy.
Nguồn: Bảng dữ liệu FM Global 5-4 — Máy biến áp, yêu cầu của nhà bảo hiểm về khoảng cách ly và bảo vệ chống cháy.
Nguồn: IEC 60079-10-1 — Phân loại khu vực nguy hiểm, áp dụng cho khu vực pha chế sơn gốc dung môi.
Nguồn: Kinh nghiệm kỹ thuật QDTB — danh mục tải theo khu vực nhà máy giấy, tính toán cỡ thanh cái truyền động phân đoạn 690 V, nghiên cứu khởi động máy nghiền tinh và thực tiễn giảm định mức do sóng hài. Các giá trị được đánh dấu là kinh nghiệm ngành là những dải điển hình từ các dự án nhà máy, không phải tiêu chuẩn đã công bố.
Nếu bạn đang chuẩn bị yêu cầu báo giá cho trạm biến áp của máy xeo giấy hoặc nhà máy bột giấy, cách nhanh nhất để nhận được báo giá có thể so sánh là gửi đồng thời danh mục tải theo khu vực, sơ đồ một sợi, bảng truyền động kèm loại đầu vào và dữ liệu khởi động của động cơ lớn nhất. Đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi có thể chuyển những thông tin đó thành đặc tính kỹ thuật máy biến áp đã được tính cỡ, tính toán giảm định mức do sóng hài và dự toán ngân sách chỉ dẫn trong một lần xử lý. Bạn cũng có thể bắt đầu từ các công cụ tính toán hệ thống điện để kiểm tra mức sự cố, độ sụt áp và vốn hóa tổn thất trước khi liên hệ với bất kỳ nhà cung cấp nào — và nếu câu hỏi là loại máy biến áp nào phù hợp ở đâu, phần so sánh giữa máy biến áp ngâm dầu và máy biến áp khô sẽ trình bày quyết định này chi tiết hơn.