バイオマスおよび廃棄物発電プラント用の油入変圧器: 発電機昇圧ユニットおよび補助ユニットのサイジング

バイオマスプラントは、今月到着するあらゆる燃料で稼働します。ある週は木材チップ、次の週はパーム核の殻、それ以降はゴミ由来の燃料です。ボイラーはバリエーションに対応します。電気システムもそれに対処する必要があり、不一致が最初に現れるのは油入変圧器発電機と送電網の間に座っています。燃料の柔軟性、モーターの始動および駆動高調波を考慮せずに、銘板の負荷リストだけからユニットのサイズを決定すると、工場は初年度中に補助変圧器を再利用することになります。

バイオマスと廃棄物エネルギー負荷プロファイルが標準的な規模の想定を破る理由

2 つの植物ファミリーは同じフォルダーから引用されますが、まったく同じように動作します。 10 ～ 50 MW クラスのバイオマス燃焼プラントは、燃料の利用可能性と排熱を追跡するため、月ごとに約 60% と全負荷の間でサイクルします。 15 ～ 60 MW クラスの都市廃棄物発電プラントは、送電網が電力を必要とするかどうかに関係なく、都市は廃棄物を供給し続けるため、必須のベースロードとして稼働します。どちらも系統接続型の発電であり、どちらも従来のサイジング計算が黙って想定している安定したプロファイルと一致しません。

電気的な結果は珍しいものではありませんが、特殊なものです。あバイオマス発電所変圧器ライフサイクルを費やすと、巻線とクランプ構造で熱膨張と収縮が繰り返され、コアが主な損失源となる部分負荷で長期間過ごします。 IEC 60076-7 は、まさにこの義務についての経年劣化に関するガイダンスを提供しています。実際の解釈では、循環プラントは、ベースロード プラントからコピーした銘板の数値ではなく、負荷形状に対して選択された冷却クラスと温度上昇許容値を必要としているということです。バイオマスもニッチなものではありません。米国エネルギー情報局は、2025 年の米国の一次エネルギー総消費量の約 5% がバイオマスになると予想しています。EIA バイオマスの概要(https://www.eia.gov/energyexplained/biomass/) では、カテゴリーを木材、農業残渣、都市廃棄物ごとに分類しています。

周囲の状態が整えば作業は完了します。東南アジアや中東の燃料ヤードやボイラーハウスは、日常的に設計周囲温度 40 ～ 45 度に設定されており、燃料の取り扱いから粉塵が飛来し、廃棄物発電所では排ガス処理プラントに大きな補助負荷がかかります。 ONAN 冷却を使用し、マージンなしで周囲 40 度で指定された変圧器は、ホット スポットが絶縁寿命の計算で想定される温度を超えて動作します。バイオマス プロジェクトで最もよく見られる仕様エラーは、kVA のサイズが小さいことではありません。これは、デューティ サイクルが完全に異なる太陽光または風力プロジェクトからコピーされた冷却とインピーダンスの組み合わせです。

発電機の昇圧義務: 油入変圧器が耐えなければならないこと

の発電機昇圧変圧器バイオマスまたは廃棄物発電プラントでは通常、発電機端で 11 kV または 13.8 kV がかかり、相互接続点では最大 33 kV、132 kV または 138 kV がかかり、10 ～ 50 MW クラスのプラントでは 15 ～ 75 MVA の範囲になります。通常、インピーダンスは 8% ～ 12% の間で決まり、負荷時タップ切換器には実際の範囲が必要です (16 ～ 20 ステップで ±10% が一般的です)。これは、多くのバイオマス サイトが、都市の変電所よりもシステム電圧が変動するネットワークの遠隔のサポートが弱い部分に接続されているためです。

インバータベースのプラントとの重要な違いは、変圧器が電気的に存続するために必要なものです。同期発電機は故障電流を押し込む可能性があるため、ユニットには想定されたものではなく、検証された短絡耐量が必要です。系統コードの無効能力と電圧ライドスルー義務は発電機を通じて適用されます。つまり、変圧器のタップ範囲とインピーダンスは、単独で選択するのではなく、励磁システムと調整する必要があります。ネットワーク停止中にプラントがブラックスタートまたは単独運転に対応できる必要がある場合、接地配置とタップ戦略は送電網が存在しない状態でも機能する必要があります。このケースは通常、現場で修正できないため、白紙の状態で解決されます。

高調波の問題: VFD 負荷、空冷コンデンサー、排ガスファン

バイオマスプラントは、同様の出力の単純なガスエンジンプラントよりもはるかに高い割合の制御された駆動負荷を担っています。これには、誘引送風機、押込送風機、給水ポンプ、空冷凝縮器ファン、燃料処理コンベア、灰処理、そして廃棄物エネルギー施設では排ガス処理トレイン全体が含まれます。そのほとんどすべてが可変周波数ドライブ負荷であり、ドライブは高調波電流源です。 IEEE 519 は、プラントが共通結合点で注入できる電流歪みを、ほとんどの公共事業相互接続の総需要歪み - 5% に制限し、対応する電圧歪み制限も設けています。

6 パルスドライブが移行されないままの場合、ドライブ端子での電流の全高調波歪みが 25 ～ 40% になるのは正常です。通常の答えは、12 パルスまたは 18 パルスのドライブ、アクティブ フロントエンド、またはライン リアクトルであり、各ルートによって変圧器が吸収しなければならないものが変わります。高調波損失許容値または K ファクター定格により、巻線の設計、渦損失の計算、および温度上昇が変わります。この決定は、変圧器の注文後ではなく、前に行う必要があります。なぜなら、高調波調査が 3 か月遅れて到着するということは、通常、フィルターが大きすぎるか、変圧器が銘板に示されているよりも高温で動作していることを意味するからです。私たちのK定格変圧器選択ガイドK-4、K-9、および K-13 の選択肢について詳しく説明します。

補助変圧器および駅構内変圧器: モーターの始動が定格を決定します。

補助変圧器は、通常 11 kV または 6.6 kV から 400 V または 480 V まで下がりますが、バイオマス プロジェクトで最も頻繁にサイズを間違えるユニットです。その理由は常に同じです。始動負荷ではなく動作負荷に基づいてサイズが決定されます。ラインで直接起動された 1 MW の誘起通風ファンは、最初の 1 ～ 2 秒間、全負荷電流のおよそ 6 倍を消費します。設計目標は通常、モータ端子での電圧ディップを 10 ～ 15% としますが、ほとんどの電力会社では共通結合点でのディップを 3 ～ 5% に制限しています。

そこに行くには 2 つの方法があります。変圧器のインピーダンスを下げるとディップは縮小しますが、利用可能な故障電流が増加するため、LV 開閉装置の定格と変圧器の短絡耐量の要件が高まります。あるいは、インピーダンスを維持して起動を制御します（ソフトスターターまたは最大のモーターの VFD を使用します）。これにより、開閉装置のコストが削減され、駆動エンジニアリングのコストが増加します。プラントがどのルートを選択する場合でも、サイジング ケースは、他のすべてのプラント負荷がすでに実行されている最大のモーターから開始されます。その場合、実行負荷リストではなく、kVA が設定されます。

プラント作業における 2 つの実際的なルール: バイオマスプラントでは試運転後にコンベア、集塵、処理ステージが追加されるため、モーターのスケジュールに約 20% の予備容量を加えた補助変圧器のサイズを決定します。また、プラントに補助変圧器が 1 つある場合は、それを単一障害点として扱います。 2 台目のユニットまたは定格のスペアは、収穫期に強制的に停止するよりも安価です。

保護、監視、系統規格への準拠

バイオマス植物の保護哲学は、慣例ではなく植物のサイズによって決まります。およそ 10 MVA を超えると、油入変圧器発電機の端子には、ほとんどの場合、差動保護、内部故障、過電流および地絡のバックアップ、および巻線とトップオイルの温度トリップに対するブッフホルツリレーまたはタンクの急圧装置が搭載されています。それ以下の小型ユニットは、過電流および熱デバイスのみによって保護される場合があります。以下の表は、私たちがプラント プロジェクトで取り組んでいる分割を示しています。

さらに 2 つの項目が仕様に含まれます。 1 つ目はモニタリングです。バイオマスおよび廃棄物発電プラントは遠隔地にあることが多く、遠隔地にあるプラントではオンラインでの溶存ガス分析、シミュレートされたホットスポット値ではなく光ファイバー巻線の温度、およびタップ位置の記録が必要であるため、状態の決定は現場訪問に依存しません。 2つ目はリストアップです。北米のバイオマス プロジェクトでは通常、UL リストまたは cULus マークを取得したユニットが必要であり、相互接続当局は現在、文書パックではなくメーカーのデータベースと照合して認証をチェックしています。このチェックは、ユーザーが自分で実行できます。ULソリューション証明書の検索場所https://www.ul.com/。東南アジア、中東、アフリカのプロジェクトでは、IEC 60076 に従ってユーティリティ固有の付録が追加されることが多く、その付録には実際の要件が隠されています。

バイオマスプロジェクトの仕様と調達のチェックリスト

これら 6 つの項目を見積依頼書に書き込むと、入札段階の前にサイジングに関する論争のほとんどが解消されます。平均温度ではなく周囲温度を設計します。ドライブがプラントを支配する場合の高調波損失許容値または K ファクター。必要なインピーダンス帯域。グリッドコードが要求するタップ範囲とステップ数。そして、短絡耐性要件と、お客様が受け入れるテスト証拠を備えています。

損失の評価は独自の線に値します。必須のベースロードとして稼働する廃棄物発電プラントは、その寿命のほとんどを高負荷率で過ごすことになるため、無負荷損失と負荷損失の両方が実際のお金になります。電力会社は変圧器の入札価格を比較する際、負荷損失よりもキロワット当たりの無負荷損失を大幅に高い割合で資産計上するのが一般的です。でバイオマス発電所変圧器その評価が、標準的な粒子指向コアとプレミアム設計の違いとなる可能性があり、注文後にエネルギー料金を説明するよりも、注文前に計算を実行する方がはるかに安価です。 WTE 発電は米国の再生可能エネルギーの構成要素の一部です。のEIA 廃棄物発電の概要(https://www.eia.gov/energyexplained/biomass/waste-to-energy.php) は、都市固形廃棄物の処理能力が過去 10 年間にどのように推移したかを要約しています。

次に、パンフレットではなく工場を確認します。のために油入変圧器このサイズの場合は、IEC 60076-1 または IEEE C57.12.00 に準拠したルーチン テスト プロトコル、同等の設計での温度上昇テスト (これは、サイクル負荷の主張を証明するテストです)、短絡テストの証拠、およびコア鋼、巻線銅、タンク プレートの材料証明書を含む文書パックを要求してください。 Ryan Electric は 2007 年以来、120,000 平方メートルの施設で 180 セットを超える生産およびテスト機器と 37 件の特許を備えた変圧器を製造し、UL、CSA、IEEE、DEKRA、CNAS、CE 要件に準拠して取り組んでいます。また、2023 年からはイートンの公式合弁パートナーとして運営しています。プラント プロジェクトの場合、その便利な部分は単純です。テスト記録を渡すことができ、ユニットを組み立てる前に、モーターの始動と高調波のチェックをモーターのスケジュールに対して実行できます。

次のステップ

バイオマスおよび廃棄物発電プロジェクトが電気設計で失敗することはほとんどありません。遅れて到着する 3 つの入力、つまり燃料混合、ドライブの選択、モーターのスケジュールでは失敗します。それぞれが変化させます発電機昇圧変圧器または補助ユニットであり、それぞれ見積段階で吸収するのは安価ですが、鋼材を切断した後に吸収するのは高価です。

単線図、発電機のデータシート、モーターのスケジュール、およびご希望の燃料プロファイルをお送りください。当社のエンジニアは、ご注文の前に、推奨するインピーダンスとタップ範囲を含むサイジング提案、最大のドライブに対する高調波とモーター始動チェック、およびテスト計画の書面による確認を返信します。 ryan-transformers.com で会話を開始するか、見積もりをリクエストしてください。具体的には、お客様のデューティ サイクルにおける冷却クラスと損失の数値を返信します。

著者について

このガイドは、Ryan Electric のアプリケーション エンジニアリング チームによって作成されました。当社のエンジニアは、北米、中東、東南アジア、アフリカ全域の発電、公益事業、産業およびデータセンターのプロジェクトの変圧器仕様をサポートし、500 kVA ～ 200 MVA の油浸ユニットの工場受け入れテストを監督してきました。注文書を発行する前に、図面、モーター スケジュール、およびデータシートを当社のエンジニアリング デスクに送信し、マークアップされたレビューを依頼してください。