Завод по производству биомассы работает на любом топливе, поступающем в этом месяце: на одной неделе – на древесной щепе, на следующей – на пальмовой скорлупе, на следующей – на топливе, полученном из отходов. Котел справляется с вариацией. Электрической системе тоже приходится с этим справляться, и в первую очередь несоответствие проявляется вмасляный трансформаторсидит между генератором и сетью. Подберите этот блок только на основании паспортной таблицы нагрузки, без учета гибкости топлива, запуска двигателя и гармоник привода, и в течение первого года станция повторно подключит свой вспомогательный трансформатор.
Почему профили нагрузки биомассы и отходов на энергию нарушают стандартные предположения о размерах
Два семейства растений цитируются из одной папки и ведут себя совершенно одинаково. Установка для сжигания биомассы класса 10–50 МВт следит за наличием топлива и отбором тепла, поэтому месяц за месяцем она циклически переключается между примерно 60% и полной нагрузкой. Муниципальная установка по переработке отходов в энергию класса 15–60 МВт работает с обязательной базовой нагрузкой, потому что город продолжает доставлять отходы независимо от того, хочет сеть электроэнергии или нет. Обе генерации связаны с сетью, и ни одна из них не соответствует устойчивому профилю, который тихо предполагается при обычном расчете размеров.
Электрические последствия не экзотичны, но специфичны. Атрансформатор электростанции на биомассекоторый проводит свой жизненный цикл циклически, испытывает неоднократное тепловое расширение и сжатие обмотки и зажимной конструкции, а также проводит длительные периоды времени при частичной нагрузке, когда сердечник является доминирующим источником потерь. IEC 60076-7 дает рекомендации по старению именно для этой задачи; практический перевод заключается в том, что для установки циклического типа требуется класс охлаждения и допуск на повышение температуры, выбранные для формы нагрузки, а не цифры, скопированные с заводской таблички с установки с базовой нагрузкой. Биомасса также не является нишей: Управление энергетической информации США оценивает, что в 2025 году биомасса будет составлять около 5% от общего потребления первичной энергии в США.Обзор биомассы EIA(https://www.eia.gov/energyexplained/biomass/) разбивает эту категорию на древесину, сельскохозяйственные отходы и муниципальные отходы.
Условия окружающей среды завершают работу. Топливные склады и котельные в Юго-Восточной Азии и на Ближнем Востоке обычно находятся при расчетной температуре окружающей среды 40–45 градусов, с пылью от обращения с топливом, а на объектах переработки отходов в энергию установки по очистке дымовых газов потребляют большую вспомогательную нагрузку. Трансформатор, рассчитанный на температуру окружающей среды 40 градусов с охлаждением ONAN и без запаса, будет работать в горячей точке выше температуры, предполагаемой расчетом срока службы изоляции. Самая распространенная ошибка в спецификации, которую мы видим в проектах по биомассе, — это не недостаточная мощность в кВА; это комбинация охлаждения и импеданса, скопированная из проекта солнечной или ветровой энергии, где рабочий цикл был совершенно другим.
Режим повышения мощности генератора: что должен пережить масляный трансформатор
повышающий трансформатор генераторана установках по производству энергии из биомассы или отходов обычно требуется от 11 кВ или 13,8 кВ на клеммах генератора до 33 кВ, 132 кВ или 138 кВ в точке соединения, в диапазоне 15–75 МВА для установок класса 10–50 МВт. Импеданс обычно составляет от 8% до 12%, а для переключателя ответвлений под нагрузкой требуется реальный диапазон - обычно ±10% за 16-20 шагов - потому что многие объекты, работающие с биомассой, подключаются к удаленной, слабо поддерживаемой части сети, где напряжение в системе меняется больше, чем на городской подстанции.
Важным отличием от инверторной установки является то, что трансформатор должен выдерживать электрическую нагрузку. Синхронный генератор может вызвать ток повреждения, поэтому устройству необходима проверенная, а не предполагаемая способность выдерживать короткое замыкание. Обязательства по реактивной способности и сохранению напряжения, указанные в правилах сети, применяются через генератор, а это означает, что диапазон отводов и полное сопротивление трансформатора должны быть согласованы с системой возбуждения, а не выбраны изолированно. Если установка должна иметь возможность запускаться без нагрузки или работать в изолированном режиме во время отключения сети, устройство заземления и стратегия ответвления должны работать при отсутствии сети - случай, который обычно решается на чертежной доске, поскольку его невозможно исправить в полевых условиях.
Проблема гармоник: нагрузки с ЧРП, конденсаторы с воздушным охлаждением и вентиляторы дымовых газов
На электростанции, работающей на биомассе, приходится гораздо более высокая доля регулируемой приводной нагрузки, чем на простой газомоторной установке аналогичной мощности: вентиляторы с принудительной и принудительной тягой, насосы питательной воды, вентиляторы конденсаторов с воздушным охлаждением, конвейеры для подачи топлива, обработка золы, а на объектах переработки отходов в энергию вся линия очистки дымовых газов. Почти вся эта нагрузка представляет собой нагрузку преобразователя частоты, а приводы являются источниками гармонического тока. IEEE 519 ограничивает искажения тока, которые установка может вводить в точку общего соединения, - 5% общего искажения нагрузки для большинства межсетевых соединений - с соответствующим пределом искажений напряжения.
Если шестиимпульсный привод не мигрировать, общие гармонические искажения тока на клеммах привода в размере 25–40 % являются нормальными. Обычными ответами являются 12- или 18-импульсные приводы, активный входной каскад или сетевые реакторы, и каждый маршрут меняет то, что должен поглотить трансформатор. Допуск на гармонические потери или коэффициент К изменяют конструкцию обмотки, расчет вихревых потерь и повышение температуры. Это решение должно быть принято до заказа трансформатора, а не после него, поскольку исследование гармоник, которое приходит с опозданием на три месяца, обычно означает либо фильтр слишком большого размера, либо трансформатор нагревается сильнее, чем следует из его паспортной таблички. НашРуководство по выбору трансформатора с рейтингом Kболее подробно рассматривает варианты K-4, K-9 и K-13.
Трансформаторы вспомогательных и станционных сетей: где мощность двигателя зависит от запуска
Вспомогательный трансформатор, обычно от 11 кВ или 6,6 кВ до 400 В или 480 В, является устройством, размер которого чаще всего неправильно подобран в проекте по использованию биомассы, и причина всегда одна и та же: его параметры рассчитаны на рабочую нагрузку, а не на пусковой режим. Вытяжной вентилятор мощностью 1 МВт, запущенный напрямую от сети, в течение первых секунд или двух потребляет примерно в шесть раз больше тока полной нагрузки. Целью проектирования обычно является падение напряжения на клеммах двигателя на 10–15 %, в то время как большинство коммунальных предприятий ограничивают падение напряжения в точке общего соединения на уровне 3–5 %.
Есть два способа добраться туда. Уменьшите импеданс трансформатора, и провал уменьшится, но доступный ток повреждения увеличится, что приведет к повышению номинальных характеристик низковольтного распределительного устройства и требований к устойчивости трансформатора к короткому замыканию. Или сохраняйте полное сопротивление и управляйте пуском — с помощью устройства плавного пуска или частотно-регулируемого привода на самых мощных двигателях — что требует меньше затрат на распределительное устройство и больше на приводную технику. Какой бы маршрут ни выбрала установка, расчетным вариантом является запуск самого мощного двигателя, при котором все остальные нагрузки станции уже работают. В этом случае, а не в списке рабочей нагрузки, устанавливается кВА.
Два практических правила работы станции: подобрать вспомогательный трансформатор в соответствии с графиком двигателя плюс около 20% резервной мощности, поскольку на заводах по производству биомассы после ввода в эксплуатацию добавляются конвейеры, пылеудаление и этапы очистки; и если на станции имеется один вспомогательный трансформатор, рассматривайте его как единую точку отказа. Второй блок или номинальная запасная часть обходятся дешевле, чем вынужденное отключение во время сезона сбора урожая.
Защита, мониторинг и соответствие сетевому кодексу
Философия защиты установок по производству биомассы определяется размером установки, а не конвенцией. При мощности выше примерно 10 МВАмасляный трансформаторна клеммах генератора почти всегда имеется дифференциальная защита, реле Бухгольца или устройство внезапного давления на баке для внутренних неисправностей, сверхтока и резервного копирования при замыкании на землю, а также отключения обмотки и температуры верхнего масла. Ниже этого устройства меньшего размера могут быть защищены только с помощью сверхтоковых и тепловых устройств. В таблице ниже показано разделение, над которым мы работаем над заводскими проектами:
| Долг | Типичные номинальные характеристики и напряжение | Импеданс | Охлаждение | Расположение кранов | Защита ключей |
|---|---|---|---|---|---|
| Повышение генератора | 15–75 МВА, 11–21 кВ / 33–138 кВ | 8–12% | ОНАН / ОНАФ | Под нагрузкой, ±10% за 16–20 шагов. | Дифференциал, Бухгольца, сверхток |
| Блок вспомогательный | 2–6 МВА, 6,6 или 11 кВ/400–480 В | 5–7% | ОНАН | В выключенном состоянии, ±2 × 2,5% | Перегрузка по току, перегрев, блокировка запуска |
| Обслуживание/пуск станции | 1–3 МВА, 11 или 33 кВ/400 В | 5–6% | ОНАН | В выключенном состоянии, ±2 × 2,5% | Перегрузка по току, замыкание на землю |
Еще два пункта входят в спецификацию. Первый — это мониторинг: заводы по производству биомассы и отходов в энергию часто расположены удаленно, и удаленному заводу нужен онлайн-анализ растворенного газа, температура обмотки оптоволокна, а не моделируемое значение горячей точки, и регистрация положения крана, чтобы решение о состоянии не зависело от посещения объекта. Второе — листинг. Для проектов по использованию биомассы в Северной Америке обычно требуется устройство, внесенное в список UL или имеющее маркировку cULus, а органы по межсетевым соединениям теперь проверяют сертификацию по базе данных производителя, а не по пакету документов — вы можете запустить эту проверку самостоятельно вРешения ULпоиск сертификации наhttps://www.ul.com/. Проекты в Юго-Восточной Азии, на Ближнем Востоке и в Африке чаще следуют стандарту IEC 60076 с дополнениями, специфичными для коммунальных предприятий, и именно в этих дополнениях скрываются реальные требования.
Спецификации и контрольный список источников для проектов по биомассе
Впишите эти шесть пунктов в запрос котировок, и большинство споров по размерам исчезнут еще до этапа торгов: ожидаемый профиль нагрузки (циклический режим или обязательная базовая нагрузка); расчетная температура окружающей среды, а не средняя температура; допуск на гармонические потери или К-фактор, если на объекте доминируют приводы; необходимый диапазон импеданса; диапазон ответвлений и количество шагов, требуемые правилами сети; и требования к устойчивости к короткому замыканию с доказательствами испытаний, которые вы примете.
Оценка потерь заслуживает отдельной строки. Завод по переработке отходов в энергию, который работает с базовой нагрузкой, будет проводить большую часть своего срока службы при высоком коэффициенте нагрузки, поэтому как потери на холостом ходу, так и потери при нагрузке становятся реальными деньгами - коммунальные предприятия обычно капитализируют потери на холостом ходу по значительно более высокой ставке на киловатт, чем потери при нагрузке, когда они сравнивают предложения по трансформаторам. Натрансформатор электростанции на биомассеэта оценка может быть разницей между стандартным зерноориентированным сердечником и конструкцией премиум-класса, и гораздо дешевле выполнить арифметику перед заказом, чем потом объяснять счет за электроэнергию. Генерация ВТЭ является неотъемлемой частью возобновляемой энергетики США; тотОбзор EIA по переработке отходов в энергию(https://www.eia.gov/energyexplained/biomass/waste-to-energy.php) резюмирует, как изменились мощности по вывозу твердых бытовых отходов за последнее десятилетие.
Затем проверьте завод, а не брошюру. Длямасляный трансформатортакого размера, запросите протокол плановых испытаний в соответствии с IEC 60076-1 или IEEE C57.12.00, испытание на повышение температуры сопоставимой конструкции (это испытание, подтверждающее заявление о циклическом режиме работы), свидетельство испытаний на короткое замыкание и пакет документации с сертификатами материалов для стального сердечника, медной обмотки и пластины бака. Ryan Electric производит трансформаторы с 2007 года на предприятии площадью 120 000 м², располагающем более чем 180 комплектами производственного и испытательного оборудования и 37 патентами, работающими в соответствии с требованиями UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS и CE, а с 2023 года мы работаем в качестве официального партнера Eaton по совместному предприятию. Для проекта завода полезная часть этого проста: мы можем передать протоколы испытаний, а также провести проверку запуска двигателя и гармоник в соответствии с вашим графиком работы двигателя до того, как агрегат будет построен.
Следующий шаг
Проекты по производству энергии из биомассы и отходов редко терпят неудачу в электрическом проектировании. Они не справляются с тремя входными данными, которые поступают с опозданием: составом топлива, выбором привода и графиком работы двигателя. Каждый из них меняетповышающий трансформатор генератораили вспомогательный агрегат, и каждый из них дешево поглотить на этапе котировки и дорого поглотить после резки стали.
Отправьте нам однолинейную схему, техническое описание генератора, график работы двигателя и ожидаемый профиль топлива. Наши инженеры вернут предложение по размерам с рекомендуемым нами импедансом и диапазоном ответвлений, проверкой гармоник и запуска двигателя по сравнению с вашими самыми большими приводами, а также письменным подтверждением плана испытаний перед размещением заказа. Начните разговор на сайте ryan-transformers.com или запросите расценки, и мы сообщим вам класс охлаждения и показатели потерь конкретно для вашего рабочего цикла.
Об авторе
Это руководство было подготовлено командой разработчиков приложений компании Ryan Electric. Наши инженеры поддерживают спецификации трансформаторов для проектов электроэнергетики, коммунального хозяйства, промышленности и центров обработки данных в Северной Америке, на Ближнем Востоке, в Юго-Восточной Азии и Африке, а также контролируют заводские приемочные испытания масляных агрегатов мощностью от 500 кВА до 200 МВА. Прежде чем оформить заказ на поставку, отправьте чертежи, спецификации двигателей и технические характеристики в наш инженерный отдел для тщательной проверки.
