تغییرات انجام شده در مبدل های ولتاژ بالا در نیروگاه ها

1 ساختار پایه و مکانیسم عملکرد ترانسفورماتورهای بالاولت

1.1 ترکیب ماژول‌ها

• ماژول مستقیم‌ساز: این ماژول برق متناوب با ولتاژ بالا را به برق مستقیم تبدیل می‌کند. بخش مستقیم‌ساز عمدتاً شامل تایریستورها، دیودها یا دیگر دستگاه‌های نیمه‌رسانا برای تبدیل از AC به DC است. همچنین، از طریق یک واحد کنترل، تنظیم ولتاژ و جبران توان در محدوده مشخص قابل انجام است.

• ماژول فیلتر DC: برق مستقیم مستقیم‌سازی شده توسط یک مدار فیلتر پردازش می‌شود تا نوسانات ولتاژ را صاف کند و یک ولتاژ DC پایدار تشکیل دهد. این ولتاژ نه تنها انرژی را برای مرحله بعدی یعنی معکوس‌ساز فراهم می‌کند بلکه نقش مهمی در تضمین ثبات ولتاژ خروجی و توانایی پاسخ دینامیکی دارد.

• ماژول معکوس‌ساز: برق مستقیم فیلتر شده در ماژول معکوس‌ساز با استفاده از دستگاه‌های نیمه‌رسانا مانند IGBT‌ها و تکنولوژی مدولاسیون عرض پالس (PWM) دوباره به برق متناوب تبدیل می‌شود. با تنظیم ضریب دیوتی سیکل و فرکانس تغییر وضعیت PWM، معکوس‌ساز می‌تواند به طور دقیق آمپلیتود و فرکانس برق متناوب خروجی را کنترل کند و نیازهای مختلف بارهایی مانند موتورها، فن‌ها و پمپ‌ها را برآورده کند. این تکنولوژی به معکوس‌ساز اجازه می‌دهد تا عملکردهایی مانند روشن‌شدگی نرم، کنترل سرعت بدون سطح، شرایط عملکرد بهینه و صرفه‌جویی در انرژی را ارائه دهد.

1.2 مکانیسم عملکرد

ترانسفورماتورهای بالاولت از توپولوژی چندسطحی متعدد استفاده می‌کنند که موج خروجی را به موج سینوسی نزدیک می‌کند. آنها می‌توانند برق متناوب با ولتاژ بالا را به طور مستقیم تولید کرده و موتورها را به حرکت درآورند. این ساختار نیاز به فیلترهای اضافی یا ترانسفورماتورهای افزایش دهنده را حذف می‌کند و مزیت محتوای هارمونیک پایین را ارائه می‌دهد. سرعت موتور $n$ در معادله زیر صدق می‌کند:

که در آن: $P$ تعداد جفت‌های قطب موتور است؛ $f$ فرکانس عملکرد موتور است؛ $s$ نسبت لغزش است. چون نسبت لغزش معمولاً کوچک است (معمولاً در محدوده 0-0.05)، تنظیم فرکانس تغذیه موتور $f$ می‌تواند منجر به تنظیم سرعت واقعی $n$ شود. نسبت لغزش موتور $s$ با شدت بار مثبت همبستگی دارد - هرچه بار بیشتر باشد، نسبت لغزش بیشتر خواهد بود و منجر به کاهش سرعت واقعی موتور می‌شود.

1.3 عوامل کلیدی در انتخاب فنی

• تطابق ولتاژ: بر اساس ولتاژ اسمی موتور، اسکیم‌های تطابق مناسب مانند "بالا-بالا" یا "بالا-پایین-بالا" را انتخاب کنید. برای موتورهای با توان بیش از 1000 کیلووات، اسکیم "بالا-بالا" توصیه می‌شود. برای موتورهای زیر 500 کیلووات، می‌توان اسکیم "بالا-پایین-بالا" را اولویت داد.

• کاهش هارمونیک: هارمونیک‌ها به راحتی در انتهای ورودی و خروجی ترانسفورماتورهای بالاولت تولید می‌شوند. برای کاهش تأثیر آنها، می‌توان از تکنیک‌های چندگانه یا فیلترهای اضافی استفاده کرد. با تنظیم صحیح فیلترها، می‌توان تحریف هارمونیک را در 5% کنترل کرد و کاهش مؤثر هارمونیک را انجام داد.

• تأقلم با محیط: ترانسفورماتورهای بالاولت نیاز به سیستم‌های خنک‌سازی هوایی یا آبی دارند تا مطمئن شوند که دمای داخل کابین کنترل زیر 40 درجه سانتیگراد باشد. معمولاً در محل ترانسفورماتورهای بالاولت، خشک‌کن‌ها و دستگاه‌های هوا چiler به کار می‌روند. در مناطق خاصی که دارای هوا چیلر نیستند، باید در طراحی، رتبه‌بندی دمایی قطعات را در نظر گرفت و ظرفیت تهویه سیستم‌های خنک‌سازی را افزایش داد تا عملکرد پایدار را تضمین کرد.

2 مثال کاربردی ترانسفورماتورهای بالاولت در نیروگاه‌ها

سیستم برق یک نیروگاه معمولاً شامل تجهیزاتی از توربین‌های ژنراتور، بویلرهای آب، سیستم‌های پردازش آب، سیستم‌های انتقال زغال و سیستم‌های دی‌سولفوریزاسیون است. بخش توربین برق را برای پمپ‌های آب خوراکی و پمپ‌های چرخان آب فراهم می‌کند، بخش بویلر فن‌های تخلیه اجباری (فن‌های اصلی)، فن‌های ثانویه و فن‌های جاذب را فراهم می‌کند، در حالی که بخش انتقال زغال نوارهای انتقال را به کار می‌گیرد. با استفاده از ترانسفورماتورهای بالاولت برای کنترل سرعت متغیر این دستگاه‌ها بر اساس تغییرات بار، می‌توان مصرف انرژی را کاهش داد، مصرف برق کمکی را کاهش داد و اقتصادی‌تر عمل کرد.

یک پروژه تولید نیکل-آهن در موروالی، اندونزی، واقع در جزیره سوماترا، بین سال‌های 2019 تا 2023 هشت یکای ژنراتور 135 مگاوات را به کار گرفت. برای بهینه‌سازی عملیات داخلی و کاهش هزینه‌های تولید، بین سال‌های 2023 تا 2024، بازسازی‌های فنی شامل نصب ترانسفورماتورهای بالاولت برای پمپ‌های آب متكثف یکاهای 1، 2، 3، 4 و 7 و پمپ‌های آب خوراکی یکاهای 2 و 5 انجام شد.

2.1 وضعیت تجهیزات

این پروژه از فرآیند پیرومتالورژی نیکل-آهن با 25 خط تولید مجهز به هشت بویلر سیال شونده تصفیه‌ای دائره‌ای DG440/13.8-II1 شرکت دونگفانگ الکتریک و هشت مجموعه ژنراتور توربین بخار میانی بازسوزی 135 مگاوات استفاده می‌کند. هر واحد با دو پمپ آب متكثف با فرکانس ثابت، دو پمپ کنترل‌شده با کوپل‌های هیدرولیکی و شش فن کنترل‌شده با کوپل‌های هیدرولیکی مجهز است.

پمپ‌های آب خوراکی و فن‌ها با قابلیت اضافی طراحی شده‌اند که ظرفیت پشتیبان 10٪-20٪ را فراهم می‌کنند. یکاهای 5 و 6 در حالت جزیره با نرخ بار حدود 70٪ کار می‌کنند. با بهینه‌سازی سرعت موتور برای تطابق با نیازهای واقعی بار و ادغام بازخورد انرژی ترمز به شبکه، مصرف غیرضروری انرژی از فن‌ها، پمپ‌ها و دیگر تجهیزات کاهش می‌یابد و از دست دادن انرژی سیستم کاهش می‌یابد.

2.2 طرح بازسازی

با توجه به شرایط عملکردی تجهیزات فعلی، بازسازی ترانسفورماتورهای بالاولت برای پمپ‌های آب خوراکی و آب متكثف یکاهای 135 مگاوات انجام شد.

• بازسازی پمپ آب خوراکی: یک کنفیگوراسیون "اتوماتیک یک به یک" اتخاذ شد که در آن هر پمپ آب خوراکی با یک ترانسفورماتور بالاولت اختصاصی مجهز شده است، از جمله یک کابین بای‌پس برای تضمین قابلیت اطمینان سیستم.

• بازسازی پمپ آب متكثف: یک کنفیگوراسیون "یک به دو" اعمال شد که در آن دو پمپ آب متكثف یک ترانسفورماتور بالاولت مشترک دارند و بهینه‌سازی کارایی و هزینه را تأمین می‌کند.

با توجه به محدوده دمای حداکثر تاریخی محلی 23-32 درجه سانتیگراد، قطعاتی انتخاب شدند که در دمای محیطی 40 درجه سانتیگراد عمل می‌کنند. همچنین، طراحی خروج اجباری از کابین ترانسفورماتور بر اساس دمای اتاق 40 درجه سانتیگراد تنظیم شد تا تضمین شود که تảnش گرما مؤثر است و نیازی به اتاق ترانسفورماتور جداگانه یا سیستم‌های هوا چیلر وجود ندارد.

2.3 ارزیابی سود اقتصادی

سرمایه‌گذاری کل این پروژه بازسازی حدود 6 میلیون یوان بود، که شامل 5 میلیون یوان برای تجهیزات، 400000 یوان برای ساخت و ساز و 600000 یوان برای مواد کمکی ارائه شده توسط مشتری بود. محاسبات نشان می‌دهد که سود صرفه‌جویی در انرژی سالانه 6.58 میلیون یوان است و سرمایه‌گذاری در کمتر از یک سال بازپرداخت می‌شود و اهداف اقتصادی مورد انتظار با موفقیت به دست آمده است.

3 نتیجه‌گیری

با پیشرفت سریع تکنولوژی ترانسفورماتورهای بالاولت، کاربردهای آن به سرعت در صنایع مختلف گسترش یافته است. در سیستم‌های تولید نیروگاه، باید تکنولوژی ترانسفورماتورهای بالاولت به طور فعال ترویج یابد. اولویت باید به بازسازی یکاهایی با ساعات عملکرد طولانی یا آنهایی که به به‌روزرسانی فوری نیاز دارند داده شود، زیرا چنین اقداماتی ارزش اقتصادی و استراتژیک قابل توجهی دارند.