Máy biến áp cho nhà máy xi măng: Cách tính toán hệ thống phân phối trung áp cho dây chuyền clinker, vì sao dòng khởi động của máy nghiền và bụi xi măng quyết định thông số kỹ thuật, và khi nào nguồn điện tự dùng thay đổi thiết kế

Câu trả lời trước tiên: máy biến áp cho nhà máy xi măng được định cỡ từ danh mục phụ tải nghiền và phụ tải lò nung, và từ chế độ khởi động của máy nghiền, chứ không phải từ quy tắc kinh nghiệm kVA trên mỗi tấn xi măng. Lò nung hoạt động 24 giờ mỗi ngày với hệ số phụ tải trên 0,8, vì vậy phụ tải không phải là vấn đề; điều quyết định công suất định mức là một số ít động cơ máy nghiền và quạt rất lớn khởi động ngược với phụ tải đó, và ngày càng nhiều phụ tải đến qua biến tần (VFD), bộ khởi động rôto vành trượt hoặc động cơ đồng bộ. Hãy xây dựng danh mục phụ tải theo từng khu vực — máy đập, máy nghiền liệu thô, lò nung và tháp trao đổi nhiệt, làm mát clinker, máy nghiền xi măng, đóng bao — áp dụng hệ số nhu cầu và hệ số đồng thời, cộng thêm dự phòng thiết kế, kiểm tra sụt áp tại thanh cái máy nghiền lớn nhất, giảm định mức cho dòng điện không hình sin mà các biến tần thực sự tiêu thụ, và chỉ sau đó mới giảm định mức cho nhiệt độ môi trường phía lò nung và bụi xi măng dẫn điện trước khi chọn một công suất định mức tiêu chuẩn.

Máy biến áp nhà máy xi măng nhận điện áp mà một công ty điện lực hoặc nhà máy điện tự dùng cung cấp đến công trường — thường là 33 kV, 66 kV, 110 kV hoặc 132 kV, và 220 kV hoặc 400 kV tại các cơ sở tích hợp lớn — và biến đổi thành điện năng thực sự tạo ra clinker và nghiền xi măng: 11 kV hoặc 6,6 kV cho các động cơ máy nghiền, quạt và máy đập lớn; 11 kV hoặc 6,6 kV xuống 0,4 kV hoặc 0,69 kV cho các tủ điều khiển động cơ (MCC), băng tải, máy đóng bao, thiết bị lọc bụi và chiếu sáng; và 0,4 kV cho các phụ tải phụ trợ như thiết bị đo lường, khí nén, hệ thống nước và HVAC phòng điện. Điều phân biệt chế độ phụ tải xi măng với phụ tải phân phối công nghiệp thông thường không phải là tổng kVA. Mà là quy trình không thể dừng lại — một lò nung mất điện là một tuần mất sản xuất và lớp gạch chịu lửa bị hư hại — rằng các động cơ lớn nhất khởi động thường xuyên và tiêu thụ dòng điện gấp nhiều lần dòng định mức, và rằng môi trường vừa nóng vừa đầy bụi kiềm, mài mòn, hút ẩm. Ba thực tế đó định hướng việc định cỡ, đặc tính kỹ thuật sóng hài và vỏ bọc, theo thứ tự đó.

Tất cả nội dung dưới đây được viết cho người phải mua hoặc chỉ định thiết bị đó: kỹ sư điện nhà máy, nhà thầu EPC, hoặc nhà phát triển dự án đang xây dựng một trạm nghiền mới hoặc dây chuyền clinker. Nếu bạn đang định cỡ một phụ tải phân phối công nghiệp thông thường, phương pháp chung trong hướng dẫn công thức định cỡ và ngân sách và hướng dẫn định cỡ hệ thống phân phối của chúng tôi là điểm khởi đầu đúng. Nếu cơ sở của bạn là một mỏ đá cung cấp cho nhà máy, logic chu kỳ phụ tải trong hướng dẫn máy biến áp mỏ của chúng tôi áp dụng cho phần đó của công trình; và nếu bạn đang thêm một cơ sở thép hoặc phế liệu tự dùng bên cạnh nhà máy, chế độ phụ tải lò được mô tả trong hướng dẫn máy biến áp lò hồ quang điện của chúng tôi là so sánh phù hợp. Bài viết này đề cập những gì thay đổi khi phụ tải là một máy nghiền và lò nung chạy liên tục.

Những điểm chính cần nắm

• Bắt đầu từ kWh trên mỗi tấn, không phải kVA trên mỗi tấn. Suất tiêu thụ điện năng riêng của một nhà máy công nghệ khô hiện đại thường được công bố trong khoảng 90–110 kWh mỗi tấn xi măng, với nghiền xi măng (khoảng 25–40 kWh/t), nghiền liệu thô và các quạt của quá trình lò nung chiếm phần lớn. Nhân với năng suất và giờ vận hành để có con số năng lượng hàng năm, sau đó chuyển đổi thành danh mục phụ tải — danh mục phụ tải, không phải quy tắc kinh nghiệm, là đầu vào định cỡ (kinh nghiệm ngành / 行业经验值 cho sự phân chia giữa các khu vực quy trình).
• Khởi động máy nghiền là sự kiện thiết kế. Động cơ máy nghiền khởi động trực tiếp tiêu thụ khoảng 6–8 lần dòng toàn tải, động cơ vành trượt với bộ khởi động rôto khoảng 2–3 lần, và động cơ điều khiển bằng VFD khoảng 1,0–1,5 lần. Con số đó quyết định tỷ lệ máy biến áp là 25% kW động cơ trên kVA hay 60%, và đây là nơi tiết kiệm chi phí rẻ nhất cho toàn bộ trạm biến áp. Xem dòng điện xung kích cho sự kiện đóng điện liên quan và điều chỉnh điện áp cho cách thanh cái hoạt động dưới tải.
• Chế độ liên tục cộng với bụi là vấn đề làm mát và xâm nhập. Lò nung chạy 300–350 ngày mỗi năm, vì vậy phụ tải máy biến áp theo một biên dạng phẳng, nặng thay vì chu kỳ phụ tải, và thiết bị phải được định cỡ, làm mát và bảo vệ cho điều đó. Bụi xi măng kiềm xâm nhập vào mọi thứ, phủ lên sứ xuyên và cách điện, và trở nên dẫn điện khi hút ẩm — vì vậy đặc tính kỹ thuật là về cấp IP, khoảng cách phóng điện, khả năng tiếp cận vệ sinh và làm mát vẫn hoạt động khi bề mặt làm mát bám bụi, không chỉ về kVA. Xem phương pháp làm mát và độ tăng nhiệt và lựa chọn sứ xuyên.
• Giả định phụ tải méo dạng và nguồn cung yếu. Các bộ truyền động máy nghiền và quạt là phụ tải phi tuyến lớn, hoạt động liên tục, và nhiều nhà máy xi măng nằm ở cuối đường dây cấp điện dài hoặc chạy bằng nguồn phát tự dùng với mức dòng ngắn mạch hạn chế. Hãy chỉ định chế độ sóng hài (hệ số K hoặc một nghiên cứu sóng hài được ghi nhận, theo hướng dẫn sóng hài của chúng tôi), cấp cách điện cho mức dòng ngắn mạch thực tế, và điều chỉnh điện áp cho lưới điện bị sụt.
• Chọn loại ngâm dầu hay loại khô theo vị trí, không theo xu hướng. Các trạm biến áp máy nghiền ngoài trời và trạm hạ áp chính thường dùng loại ngâm dầu; các phòng điện, tòa nhà MCC và tầng hầm cáp bên trong nhà máy ưu tiên máy biến áp khô đúc nhựa vì hỏa hoạn dầu khoáng trong một tòa nhà có người là không thể chấp nhận. So sánh được trình bày trong lựa chọn ngâm dầu so với loại khô.

Máy biến áp nằm ở đâu trong chuỗi điện năng của nhà máy xi măng?

Một nhà máy xi măng đơn giản về hình dạng và khắc nghiệt về chi tiết: một số ít phụ tải lớn được cấp từ một số ít máy biến áp lớn, với hầu như không có dự phòng trong chính quy trình. Một dây chuyền công nghệ khô thường có một trạm biến áp đầu vào chính, phân phối trung áp dạng vòng hoặc hình tia đến một số trạm biến áp khu vực, và các trạm biến áp đơn vị tại các tòa nhà máy nghiền và MCC. Bảng dưới đây là quy ước phân lớp chúng tôi thấy ở hầu hết các nhà máy mới, với các dải công suất thực tế.

Có hai điều đáng chú ý trong bảng đó trước khi bạn định cỡ bất cứ thứ gì. Thứ nhất, tổng phụ tải kết nối của nhà máy bị chi phối bởi khoảng năm hoặc sáu động cơ, vì vậy độ chính xác của dữ liệu động cơ máy nghiền và quạt của bạn quan trọng hơn độ chính xác của mọi thứ khác cộng lại. Thứ hai, các phòng điện được bố trí theo khu vực quy trình, nghĩa là máy biến áp cấp cho lò nung và máy biến áp cấp cho nhà máy đóng bao nằm trong hai môi trường hoàn toàn khác nhau và không bao giờ nên chia sẻ một đặc tính kỹ thuật chung.

Tại sao một máy biến áp phân phối thông thường không thể làm được việc này? Sáu điểm khác biệt của chế độ phụ tải xi măng

Một máy biến áp phân phối tiêu chuẩn sẽ mang được dòng điện. Điều nó không làm được là mang dòng điện đó trong một nhà máy xi măng suốt hai mươi lăm năm mà không được chỉ định cho sáu điều mà một hệ thống phân phối không bao giờ yêu cầu.

1. Phụ tải liên tục và gần như phẳng, vì vậy hướng dẫn mang tải chi phối thiết kế

Lò nung xi măng không dừng. Độ khả dụng hàng năm thực tế cho một dây chuyền tháp trao đổi nhiệt/tiền nung vận hành tốt vào khoảng 300–350 ngày vận hành, và các mạch lò nung, làm mát và máy nghiền chạy gần điểm thiết kế trong phần lớn thời gian đó. Do đó, một máy biến áp trên thanh cái máy nghiền hoặc lò nung thấy một biên dạng phụ tải với hệ số phụ tải cao — rất khác với một máy biến áp phân phối dành phần lớn thời gian trong ngày ở 20–30% tải và đạt đỉnh trong vài giờ. Điều đó thay đổi cách tính: độ tăng nhiệt cuộn dây trung bình, ảnh hưởng của ngày nóng nhất trong năm lên trên mức trung bình đó, và sự lão hóa lâu dài của cách điện đều phải được kiểm tra theo hướng dẫn mang tải thay vì giả định bỏ qua. Hệ quả thực tế là biên thiết kế nhỏ hơn giữa tải định mức và tải tính toán so với mức bạn sẽ cho phép trên một máy phân phối của công ty điện lực, và sự quan tâm thực sự đến việc máy biến áp làm gì ở 105% công suất danh định trong một tháng, không phải ở 100% trong một phút.

2. Động cơ lớn nhất khởi động ngược với phụ tải, và tỷ lệ động cơ trên máy biến áp quyết định kVA

Đây là quyết định tốn kém nhất trong một trạm biến áp xi măng. Bộ truyền động máy nghiền, quạt hút lò nung và các động cơ bơm lớn nhất đều đủ lớn để dòng khởi động của chúng là một phần đáng kể của dòng định mức máy biến áp. Nếu một động cơ máy nghiền được khởi động trực tiếp khi phần còn lại của thanh cái đã ở 70% tải, điện áp thanh cái sụp đủ sâu để ngắt các contactor, làm động cơ bị kẹt và ngắt bảo vệ thượng nguồn. Cách khắc phục thông thường là làm máy biến áp lớn hơn. Cách khắc phục tốt hơn là thay đổi cách động cơ khởi động — nhưng đó là việc của kỹ sư quy trình và truyền động, và phải được thống nhất trước khi đặt hàng máy biến áp, vì đó là sự khác biệt giữa một tổ máy 5 MVA và 10 MVA.

3. Một phần lớn phụ tải đến qua bộ biến đổi điện tử công suất

Các bộ truyền động máy nghiền, quạt lò nung và làm mát, băng tải, máy ép con lăn và quạt phân ly ngày càng được cấp bằng VFD, và cấp bằng VFD nghĩa là dòng điện không hình sin với phổ sóng hài giàu bậc 5, 7, 11 và 13, cộng với các thành phần tần số đóng cắt từ đầu vào chỉnh lưu. Một biến tần đa mức lớn duy nhất có thể là 12 xung hoặc 18 xung và khá sạch; một cơ sở đầy các biến tần 6 xung trên cùng một thanh cái thì không. Máy biến áp thấy tổng, và tổng xuất hiện dưới dạng tổn thất dòng xoáy và tổn thất tản bổ sung tập trung trong cuộn dây và các bộ phận kết cấu. Đó là vấn đề đặc tính kỹ thuật tổn thất dòng xoáy (hệ số K hoặc một nghiên cứu sóng hài được ghi nhận), không chỉ là vấn đề phụ tải nhiệt. Chi tiết trong hướng dẫn sóng hài máy biến áp của chúng tôi và lựa chọn hệ số K.

4. Bụi xi măng có tính kiềm, mài mòn và hút ẩm

Bụi xi măng và clinker không phải là bụi bẩn trơ. Nó có tính kiềm, hơi mài mòn, và hấp thụ hơi ẩm từ không khí; do đó lớp cặn hình thành trên một sứ xuyên trong một nhà máy bụi là một đường dẫn bán dẫn, không phải một đường cách điện. Trong thực tế, điều đó có nghĩa là: khoảng cách phóng điện quan trọng ngang với điện áp phóng điện, biên dạng sứ xuyên và cách điện phải được chỉ định cho môi trường ô nhiễm thay vì môi trường sạch, khả năng tiếp cận vệ sinh phải được thiết kế ngay từ đầu, và vỏ bọc phải thực sự kín thay vì chỉ có các khe thông gió. Chế độ hỏng kinh điển — phóng điện bề mặt ngoài qua một sứ xuyên nhiễm bụi vào ngày ẩm đầu tiên sau một đợt khô hạn — là một lỗi đặc tính kỹ thuật, không phải lỗi vận hành.

5. Khu vực lò nung nóng, và môi trường nóng không phải là môi trường trên bảng dữ liệu

Công suất định mức máy biến áp tiêu chuẩn giả định nhiệt độ môi trường tối đa 40°C với nhiệt độ trung bình ngày và năm xác định (đối với loại ngâm dầu, tối đa 40°C, trung bình ngày 30°C, trung bình năm 20°C, theo IEC 60076-2). Khu vực lò nung và làm mát clinker có thể vượt mức đó, và nhiệt bức xạ từ các bề mặt nóng, cộng với một phòng điện có hệ thống thông gió đang chống lại nhiệt quy trình, làm cho tình hình tồi tệ hơn. Mỗi độ của nhiệt độ môi trường thực tế trên giá trị thiết kế đều làm giảm khả năng mang tải của thiết bị, và ảnh hưởng không tuyến tính: nó tác động đồng thời vào điểm nóng cuộn dây và nhiệt độ không khí làm mát. Logic tương tự chi phối độ cao, được thảo luận trong giảm định mức theo độ cao và nhiệt độ.

6. Nguồn cung thường yếu, tự dùng, hoặc cả hai

Nhiều nhà máy xi măng nằm xa một thanh cái công ty điện lực mạnh, ở cuối một đường dây trên không dài, hoặc chạy bằng nguồn phát tự dùng với mức dòng ngắn mạch hạn chế và hành vi điều tốc riêng. Nguồn cung yếu gây ra ba điều: nó làm sụt áp khởi động động cơ tồi tệ hơn, nó làm cho mức dòng ngắn mạch — và do đó tổng trở máy biến áp chấp nhận được — trở thành vấn đề nghiên cứu hệ thống thay vì thói quen, và nó làm cho điều chỉnh điện áp bằng bộ điều chỉnh nấc trên máy biến áp hạ áp chính thực sự hữu ích thay vì chỉ để trang trí. Khi một nhà máy thêm một tuabin thu hồi nhiệt thải (WHR), máy biến áp tăng áp kết nối nó vào vòng nhà máy phải xử lý song song, chia sẻ tải và vận hành đảo, đó lại là một đặc tính kỹ thuật khác.

Làm thế nào để định cỡ một máy biến áp nhà máy xi măng? Sáu bước từ kWh trên mỗi tấn đến công suất danh định

Phương pháp giống như bất kỳ bài tập định cỡ danh mục phụ tải nào, nhưng các đầu vào và kiểm tra là đặc thù của xi măng. Hãy làm theo thứ tự; mỗi bước có thể thay đổi kết quả của bước trước đó.

Bước 1 — Chuyển đổi dữ liệu quy trình thành danh mục phụ tải, theo từng khu vực

Bắt đầu từ tấn và kWh, không phải từ kVA. Lấy năng suất thiết kế của nhà máy (t/h cho clinker và cho xi măng, và số giờ vận hành hàng năm), sau đó áp dụng suất tiêu thụ điện năng riêng của từng khu vực quy trình — máy đập và nghiền liệu thô, quá trình lò nung bao gồm tháp trao đổi nhiệt, lò nung và quạt làm mát, nghiền xi măng, và khu vực tiện ích/đóng bao. Các nghiên cứu chuẩn đối sánh nhà máy được công bố đặt tổng suất tiêu thụ điện năng riêng cho một nhà máy công nghệ khô hiện đại vào khoảng 90–110 kWh mỗi tấn xi măng, với nghiền xi măng thường là hộ tiêu thụ đơn lẻ lớn nhất. Chuyển đổi con số năng lượng của mỗi khu vực thành danh mục động cơ lắp đặt với kW định mức, hiệu suất, hệ số công suất, phương pháp khởi động và chế độ phụ tải, vì máy biến áp phải được định cỡ cho dòng điện, và dòng điện phụ thuộc vào hiệu suất và hệ số công suất, không chỉ kW. Khi một con số không thể lấy từ dữ liệu thiết kế của chính nhà máy, hãy đánh dấu nó là một giả định và mang nó qua kiểm tra độ nhạy thay vì âm thầm nhúng nó vào.

Bước 2 — Áp dụng hệ số nhu cầu và hệ số đồng thời theo khu vực

Không phải mọi động cơ đều chạy cùng lúc, và không phải mọi động cơ đều chạy ở công suất danh định. Áp dụng hệ số nhu cầu cho mỗi nhóm phụ tải (bao nhiêu trong số kW kết nối thực sự được tiêu thụ tại điểm thiết kế) và hệ số đồng thời giữa các nhóm (nhóm nào đạt đỉnh cùng nhau). Các nhà máy xi măng có hệ số cao bất thường vì quy trình liên tục: khu vực máy nghiền xi măng thường chạy ở hệ số nhu cầu 0,85–0,95, khu vực quá trình lò nung tương tự, trong khi xưởng, đóng bao và xuất hàng giảm mạnh hơn. Khu vực chính thực sự thay đổi là mạch máy đập và mỏ đá, đó là lý do nó thường được cấp một máy biến áp riêng. Ghi lại mọi hệ số bạn áp dụng — nguyên nhân phổ biến nhất của một trạm biến áp xi măng được định cỡ sai là một giả định đồng thời bị chôn trong bảng tính mà không có người chịu trách nhiệm.

Bước 3 — Chuyển đổi sang kVA, cộng thêm dự phòng thiết kế, và chọn một công suất định mức tiêu chuẩn

Cộng lại thành kVA, cộng thêm dự phòng thiết kế mà cơ sở thiết kế của khách hàng yêu cầu (thường là 15–25% cho một nhà máy có thể được nâng công suất sau này), sau đó làm tròn đến một công suất định mức tiêu chuẩn. Đừng dừng ở bước này: ba bước tiếp theo thường xuyên dịch chuyển kết quả một bậc công suất theo cả hai hướng, vì vậy hãy coi kVA này là một con số tạm thời, không phải một quyết định.

Bước 4 — Kiểm tra sụt áp khởi động tại động cơ xấu nhất

Lấy động cơ lớn nhất trên thanh cái, phương pháp khởi động thực sự được chọn, tổng trở máy biến áp, tuyến cáp, và phụ tải đã có trên thanh cái; tính điện áp tại đầu cực động cơ trong khi khởi động. Các giới hạn thiết kế phổ biến là sụt áp tối đa 10–15% tại thanh cái MCC cho một lần khởi động không thường xuyên, và thường là 5–10% khi tiêu chuẩn của chính nhà máy nghiêm ngặt hơn hoặc khi việc ngắt contactor là mối lo ngại (kinh nghiệm ngành / 行业经验值 —