Transformátory pro geotermální elektrárny: Specifikace pro odolnost proti korozi způsobené H2S, trvalé zatížení a vzdálená místa

Provozovatel geotermální elektrárny v Rift Valley nám po osmnácti měsících provozu poslal ke kontrole 12 MVA zvyšující transformátor. Elektricky se nic nepoškodilo. Poškození utrpěla pouze barva: nátěr na nádrži se nad chladičovou baterií odlupoval až na holý ocelový povrch, měděné svorníky izolátorů zezelenaly až černě a křemičitan sodný v dešťovém filtru se během několika týdnů po uvedení do provozu ztmavil. Pachatelem byl sirovodík (H2S), stejný plyn, který činí geotermální ložisko vhodným pro vrtání, ale který napadá všechny součásti, které jsou k němu připevněny.

Jednotka byla správně hodnocena. Nebyla však správně specifikována. Tento rozdíl rozhoduje, zda transformátor geotermální elektrárny poskytne dvacet pět let základního provozu nebo bude vytažen při první významné poruše.

 

 

Proč je geotermální energie náročnější zátěží než sluneční nebo větrná energie

Ministerstvo energetiky Spojených států amerických popisuje geotermální energii jako základní výkon s koeficient využití kapacity koeficientem dostupnosti přibližně 90 %, což znamená, že geotermální elektrárna pracuje téměř nepřetržitě při maximálním výkonu a zároveň vyrovnává nestálé zdroje, jako jsou větrná a sluneční energie. Toto jediné číslo přeformuluje zátěž transformátoru. Úplný popis najdete na Webové stránce kanceláře pro geotermální energii DOE .

Transformátor se nestárne kvůli špičkovému zatížení. Starne kvůli době strávené za teploty. Jednotka na sluneční farmě je intenzivně zatěžována odpoledne a poté má dlouhou chladnou noc na obnovu. Geotermální jednotka nikdy takovou obnovovací dobu nemá. Během noci, o víkendech i po celou dobu provozu elektrárny pracuje téměř stále v blízkosti jmenovitého zatížení.

Následující tabulka ukazuje, proč stejný výkon v kVA odpovídá třem různým specifikacím:

Typ rostliny	Koeficient využití kapacity	Zatěžovací režim transformátoru	Dominantní zátěž
Solární fotovoltaika	20 % - 25 %	Denní nárůst zatížení, noční nečinnost	Teplotní cyklování, harmonické složky od střídačů
Vítr	30 % – 45 %	Přerušované, vysoce proměnné zatížení	Cyklování, harmonické složky generované zátěží
Geotermální	asi 90%	Téměř jmenovité zatížení po celých 24 hodin denně	Trvalé přehřátí vinutí v místě nejvyšší teploty, korozivní účinky H2S, přístup na vzdálené lokality

 

H2S: Režim poruchy, který se téměř nikdy neobjeví v technické specifikaci

Sirovodík se vyskytuje v geotermální páře a brině v koncentracích od několika částí na milion až po několik set. Na těchto úrovních nepředstavuje riziko požáru, což je přesně důvod, proč se při zakoupení ignoruje. Co však je, je „kradoucí“ kov. Korozivní účinek H2S napadá měď a stříbro preferenčně, čímž vytváří sulfidové vrstvy, které zvyšují přechodový odpor na každém šroubovaném a pokoveném spoji v cestě proudu.

V praxi to znamená ukotvovací závity, kontakty přepínače odboček, ukončení řídicích vodičů a jakýkoli stříbrem pokovený spoj uvnitř svorkovnice. Otevřeli jsme geotermální jednotky, u nichž izolace vinutí vykazovala dokonalé výsledky, avšak právě kontakty přepínače odboček byly důvodem, proč musela být jednotka vyřazena z provozu. Řešením je výběr materiálů: u objednávek pro geotermální aplikace zcela vynechat stříbrné povlaky, použít místo toho cínem pokovené nebo niklem pokovené kontaktní plochy a uzavřít řídicí skříň těsnicí gumou namísto mřížkového větracího otvoru.

Systém uchování oleje je stejně důležitý. U volně dýchajícího konzervátoru se každý den, kdy se zmenšuje objem plynu nad hladinou oleje v nádrži, nasává do oleje vzduch obsahující H2S. Pro geotermální provoz specifikujeme uzavřený dechový filtr s vysoušečem vzduchu nebo plně hermeticky uzavřené řešení, pokud to jmenovité hodnoty umožňují. olejový transformátor toto jediné rozhodnutí současně chrání olej, izolaci i kontakty přepínače odboček.

 

Dimenzování transformátoru pro geotermální elektrárnu s koeficientem vytížení 90 %

Proveďte výpočet ještě před výběrem jmenovitého výkonu. Při koeficientu vytížení 90 % koeficient využití kapacity se u geotermální jednotky ročně nahromadí přibližně 7 880 hodin provozu za zatížení. U sluneční elektrárny s koeficientem vytížení 25 % je to přibližně 2 190 hodin. Transformátor pro geotermální elektrárnu tedy každý rok stráví přibližně trojnásobně více hodin za teplotního zatížení a tepelné stárnutí je kumulativní.

To je důvod, proč uvádíme teplotní nárůst vinutí 55 K pro geotermální provoz místo výchozí hodnoty 65 K, kterou většina distribučních specifikací stanovuje. Nižší navrhovaný teplotní nárůst zajišťuje nižší teplotu nejteplejšího bodu a nižší teplota nejteplejšího bodu prodlužuje životnost izolace. Tato kompromisní volba je skutečná: očekávejte větší jádro, větší plochu chladiče a těžší nádrž při stejném výkonu v kVA.

Transformátory pro zvýšení napětí generátorů na parních a binárních elektrárnách obvykle zvyšují napětí generátoru v rozsahu 4,16 kV až 13,8 kV na sběrné napětí 34,5 kV nebo na přenosové napětí 69 kV až 138 kV. Dimenzujte zařízení na základě zdánlivého výkonu generátoru v MVA plus parazitního zatížení elektrárny – chladicí věže, oběhová čerpadla vody, vývěvy a odstraňování plynu – a poté ověřte jmenovitý výkon proti profilu zatížení, nikoli pouze proti jedinému číslu na typovém štítku. Pokud elektrárna očekává provoz nad jmenovitým výkonem v obdobích bohatých na páru, požádejte o dokumentaci schopnosti přetížení podle průvodce IEEE C57.91 pro zatěžování, nikoli o její předpokládanou hodnotu.

 

Chlazení, povrchová úprava a specifikace barvového systému

Geotermální lokality se často nacházejí v pobřežních nebo vulkanických oblastech, takže zde působí dva korozní faktory současně: sirovodík ze strany procesu a chloridy obsažené ve vzduchu z mořské strany. Systém nátěru je položkou specifikace, nikoli pouhým dokončovacím prvkem. V žádosti o nabídku uveďte kategorii korozivity a vyžadujte od dodavatele její dodržení. Klasifikace prostředí podle ISO 12944-2 určuje kategorie C1 až CX a je společným jazykem, kterým mohou komunikovat zakupující i výrobci; kategorie C5-M zahrnuje expozici v pobřežních a mořských oblastech.

Pro pobřežní geotermální objednávku nabízíme systém nátěru složený z epoxidového základního nátěru, epoxidového vrstveného nátěru a polyuretanového vrchního nátěru s celkovou tloušťkou suchého filmu přibližně 320 mikrometrů, aplikovaného na podklad z horko-zinkované oceli nebo na podklad očištěný stříkáním. Chladiče (radiátory) vyžadují samostatné ošetření: v geotermální elektrárně se na jejich lamelách usazují jak prach, tak sulfidy, a tenký nátěr vhodný pro vnitrozemské podmínky může být po dvou sezónách již zničený. Ochrana lamel proti korozi musí být v specifikaci výslovně uvedena.

Chlazení samo o sobě také vyžaduje další přezkoumání. Jednotka provozovaná téměř při jmenovitém zatížení 24 hodin denně v prostředí s teplotou 40 až 50 °C nemá žádnou rezervu. Ověřte výpočet teploty horkého místa vinutí pro skutečnou teplotu prostředí na místě, nikoli pro teplotu 30 °C, a zajistěte, aby byly stupně chlazení pomocí ventilátorů specifikovány s nezávislými zdroji napájení, aby porucha řídicího obvodu nezpůsobila výpadek druhého stupně chlazení.

 

Nadmorská výška, seizmické zóny a doprava jednotky na místo

Mnoho světových geotermálních polí leží nad 1 000 metrů nad mořem: keňský komplex Olkaria, části Indonésie a většina východoafrického riftu. Odolnost izolace i účinnost chlazení klesají s rostoucí nadmořskou výškou, takže jednotka specifikovaná na úrovni moře není stejná jako jednotka ve výšce 2 000 metrů. Na úroveň izolace i na výpočet chlazení je nutné aplikovat snižující koeficienty a tento výpočet by měl být uveden v zkušební zprávě, nikoli pouze deklarován jako tvrzení.

Seismický návrh je druhým geografickým omezením. Pole v Rift Valley, na Islandu, v Indonésii a v Kalifornii leží v aktivních seismických zónách a transformátor je nejtěžším prvkem v rozvodeně. To znamená, že je nutné zohlednit návrh kotvení, pevnost základní desky a u projektů pro veřejnou síť i seismickou kvalifikaci podle normy IEEE 693. Obecný svařovaný podvozek není seismicky navržený.

Dále je zde logistika, která kupující překvapuje častěji než jakýkoli elektrický parametr. Geotermální pole jsou obvykle dostupná po dlouhých, špatně zpevněných příjezdových cestách s přísnými limity hmotnosti na nápravu. Doprava plně sestaveného zařízení o hmotnosti 40 tun do vzdáleného pole může být nemožná. Praktickým řešením je návrh, který se dopravuje po částech: nádrž se dopravuje bez oleje, chladiče jsou zabalené odděleně, izolátory jsou umístěny v specializovaných obalech a montáž na místě probíhá podle dokumentovaného postupu včetně uvedených hodnot utahovacího momentu. Naše řada olejem chlazených transformátorů se pro vzdálené výrobní projekty pravidelně dodává v tomto provedení.

 

 

Jak Ryan Electric připravuje jednotku pro geotermální provoz

Každý geotermální objednávkový požadavek prochází jiným kontrolním seznamem specifikací než standardní distribuční jednotka. Nahrazení materiálů je zaznamenáno v rozpisu materiálů, aby si je zakoupený mohl ověřit: žádné stříbrem pokryté kontakty, uzavřené olejové konzervace, povlak C5-M, ověřené snížení výkonu v závislosti na nadmořské výšce, zdokumentované seizmické ukotvení. Protokol o běžném zkoušení pak obsahuje data o odporu za studena a převodovém poměru potřebná pro uvedení do provozu, změřená podle skutečných dodaných poloh odboček.

Vyrábíme ve výrobní hale o rozloze 120 000 m², vybavené více než 180 sadami výrobních a zkušebních zařízení a chráněnou technologií zahrnující 37 patentů; máme certifikáty UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS a CE. Od roku 2023 působí Ryan Electric jako oficiální společný podnikový partner firmy Eaton, čímž se ještě více posílily standardy dokumentace, kterým se řídíme. Jednotky, které dodáváme na místa s vysokou korozí, vysokou nadmořskou výškou a odlehlá místa, jsou postaveny na stejné platformě jako jednotky pro zákazníky z oblasti datových center, energetiky a těžby – a jsou přesně specifikovány podle skutečných podmínek daného místa.

 

Co uvést v žádosti o cenovou nabídku pro geotermální transformátor

Většina žádostí o cenovou nabídku pro geotermální transformátory, které obdržíme, uvádí pouze napětí, jmenovitý výkon a impedanci a dále se nepokračuje. Tyto tři údaje nepopisují geotermální provozní podmínky. Přidejte následujících sedm položek, abyste získali srovnatelné nabídky od různých dodavatelů:

Koncentrace H₂S. Naměřená koncentrace v ppm ve vodní páře nebo v brině, a zda je lokalita pobřežní.

Okolní teplota a nadmořská výška lokality. Navrhovaná maximální okolní teplota ve stupních Celsia a nadmořská výška nad hladinou moře.

Kategorie korozivního prostředí a systém povlaků. Kategorie podle ISO 12944-2 plus požadovaná tloušťka suchého povlaku.

Zatěžovací profil a koeficient využití. Očekávaný roční počet hodin provozu pod zátěží, nikoli pouze jmenovitý výkon v kVA.

Teplotní nárůst vinutí a limit teploty nejteplejšího místa. Uveďte požadovaný nárůst nebo požádejte dodavatele, aby odůvodnil výchozí hodnotu.

Požadavky na odolnost proti zemětřesení. Zda je vyžadována kvalifikace podle IEEE 693 nebo zda platí místopřímo stanovená kritéria ukotvení.

Omezení při přepravě. Maximální hmotnost jednoho dílu, omezení pro silniční dopravu a zda se předpokládá montáž na místě.

 

Než zadáte další geotermální jednotku

Pošlete nám polem získaná data – koncentraci H2S, okolní podmínky, nadmořskou výšku, seizmickou zónu a profil zátěže – a náš inženýrský tým vám zašle technický list s náhradami materiálů, výpočtem chlazení a plánem dopravy. Raději diskutujeme o systému nátěru na papíře než nahrazujeme chladičovou banku přímo v terénu.

O autorovi: Tento článek napsal inženýrský tým společnosti Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), výrobce transformátorů s litou pryskyřičnou izolací, olejových a sloupcových transformátorů, který od roku 2007 dodává zákazníkům z oblasti veřejného rozvodu elektrické energie, datových center, obnovitelných zdrojů energie a průmyslu. Tým denně pracuje s požadavky IEEE C57 a IEC 60076 a podporuje vývojáře i EPC dodavatele během fáze specifikace, továrních zkoušek a uvedení do provozu na místě.