Μετασχηματιστές Γεωθερμικού Σταθμού: Προδιαγραφές για Διάβρωση από H2S, Συνεχή Φόρτιση και Απομακρυσμένες Τοποθεσίες

Ένας λειτουργός γεωθερμικού σταθμού στην Κοιλάδα της Ρήγματος μας απέστειλε ένα μοναδικό ανυψωτικό μετασχηματιστή 12 MVA για επιθεώρηση μετά από δεκαοκτώ μήνες λειτουργίας. Δεν είχε παρουσιαστεί καμία ηλεκτρική βλάβη. Ό,τι είχε υποστεί βλάβη ήταν η βαφή: η επίστρωση του δοχείου είχε φουσκώσει μέχρι το γυμνό χάλυβα κατά μήκος της σειράς ψυγείων, οι χάλκινοι σπειροειδείς συνδετήρες των μονωτήρων είχαν αποκτήσει πράσινο-μαύρο χρώμα και το πηλός διοξειδίου του πυριτίου (silica gel) στον αναπνευστήρα είχε σκουρύνει εντός εβδομάδων από την έναρξη λειτουργίας. Ο υπαίτιος ήταν ο υδρόθειος (H2S), το ίδιο αέριο που καθιστά μια γεωθερμική περιοχή αξιόλογη για εξόρυξη και επιτίθεται σε κάθε αντικείμενο που είναι προσαρτημένο σε αυτήν.

Η μονάδα είχε ορθώς βαθμολογηθεί. Δεν είχε ορθώς προδιαγραφεί. Αυτή η διαφορά καθορίζει εάν ένα μετασχηματιστής γεωθερμικού εργοστασίου σας παρέχει είκοσι πέντε χρόνια λειτουργίας βασικού φορτίου ή αποσύρεται κατά την πρώτη σημαντική διακοπή.

 

 

Γιατί η Γεωθερμία Αποτελεί Πιο Επιβαρυντική Λειτουργία από την Ηλιακή ή την Αιολική

Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ περιγράφει τη γεωθερμία ως ενέργεια βασικού φορτίου με παράγοντας Ικανότητας συντελεστή διαθεσιμότητας περίπου 90%, πράγμα που σημαίνει ότι ένα γεωθερμικό εργοστάσιο λειτουργεί σχεδόν συνεχώς στη μέγιστη ισχύ του, εξισορροπώντας παρεμβαλλόμενους πόρους όπως ο άνεμος και ο ήλιος. Αυτός ο μοναδικός αριθμός μεταμορφώνει τη λειτουργία του μετασχηματιστή. Μπορείτε να διαβάσετε την πλήρη περιγραφή στον ιστότοπο του Γραφείου Γεωθερμικής Ενέργειας του DOE .

Ένας μετασχηματιστής δεν γερνά λόγω κορυφαίου φορτίου. Γερνά λόγω χρόνου σε υψηλή θερμοκρασία. Μια μονάδα σε ηλιακό πάρκο υπόκειται σε έντονη καταπόνηση το απόγευμα και σε μια μακρά, δροσερή νύχτα για ανάκαμψη. Μια γεωθερμική μονάδα δεν έχει ποτέ αυτή την περίοδο ανάκαμψης. Βρίσκεται συνεχώς κοντά στο ονομαστικό φορτίο της κατά τη διάρκεια της νύχτας, των σαββατοκύριακων και ολόκληρης της διάρκειας λειτουργίας του εργοστασίου.

Ο παρακάτω πίνακας δείχνει γιατί η ίδια ονομαστική ισχύς σε kVA αντιστοιχεί σε τρεις διαφορετικές προδιαγραφές:

Τύπος Φυτού	Παράγοντας Ικανότητας	Πρότυπο φόρτισης μετασχηματιστή	Κυρίαρχη τάση
Ηλιακή φωτοβολταϊκή ενέργεια	20% - 25%	Ημερήσια αύξηση, αδρανής λειτουργία τη νύχτα	Θερμική κυκλοφορία, αρμονικές από αντιστροφείς
Αέρας	30% – 45%	Διαλείπουσα, εξαιρετικά μεταβλητή	Κυκλοφορία, αρμονικές που παράγονται από το φορτίο
Γεωθερμική	περίπου 90%	Σχεδόν ονομαστικό φορτίο, 24/7	Συνεχής περιστροφική ζώνη υψηλής θερμοκρασίας, διάβρωση από H2S, πρόσβαση σε απομακρυσμένες τοποθεσίες

 

H2S: Ο τρόπος αστοχίας που σπάνια εμφανίζεται στο φύλλο προδιαγραφών

Το υδρόθειο εμφανίζεται στο γεωθερμικό ατμό και το γεωθερμικό υγρό σε συγκεντρώσεις από μερικά μέρη ανά εκατομμύριο έως εκατοντάδες. Δεν αποτελεί κίνδυνο πυρκαγιάς σε αυτά τα επίπεδα, και αυτός είναι ακριβώς ο λόγος που παραβλέπεται κατά την αγορά. Αυτό που είναι, είναι ένας «κλέφτης» μετάλλων. Διάβρωση από H2S επιτίθεται προτιμησιακά στο χαλκό και το ασήμι, δημιουργώντας επικαλύψεις θειούχων ενώσεων που αυξάνουν την αντίσταση επαφής σε κάθε σύνδεση με βίδες ή επιμετάλλωση στη διαδρομή του ρεύματος.

Στην πράξη, αυτό σημαίνει βασμένες βίδες, επαφές ρυθμιστή τάσης, τερματικά σημεία ελέγχου καλωδίωσης και οποιαδήποτε επιχρυσωμένη σύνδεση εντός του τερματικού κουτιού. Έχουμε ανοίξει γεωθερμικές μονάδες όπου η μόνωση των τυλιγμάτων είχε δοκιμαστεί άριστα, ενώ οι επαφές του ρυθμιστή τάσης ήταν ο λόγος που η μονάδα έπρεπε να αποσυρθεί από τη λειτουργία. Η λύση είναι η επιλογή υλικού: να αποφεύγεται εντελώς η επιχρύσωση σε παραγγελίες γεωθερμικών μονάδων, να αντικαθίστανται οι επαφές με κασσιτερωμένο χαλκό ή νικελιωμένες επιφάνειες επαφής, και να σφραγίζεται η καβινέτα ελέγχου με μανδύα αντί για αεραγωγό με λουβρές.

Το σύστημα διατήρησης του λαδιού έχει εξίσου μεγάλη σημασία. Ένας ανοικτός διαστολικός δεξαμενός εισάγει καθημερινά αέρα πλούσιο σε H2S στο λάδι, καθώς ο χώρος πάνω από το υγρό στη δεξαμενή συρρικνώνεται. Για γεωθερμική χρήση, προδιαγράφουμε ένα σφραγισμένο αναπνευστήρα με αεροξηραντήρα ή μια πλήρως ερμητικά σφραγισμένη μετασχηματιστής βυθισμένος σε λάδι διαμόρφωση, όπου η ονομαστική ισχύς το επιτρέπει. Αυτή η μοναδική απόφαση προστατεύει ταυτόχρονα το λάδι, τη μόνωση και τις επαφές του ρυθμιστή τάσης.

 

Υπολογισμός μεγέθους μετασχηματιστή για εργοστάσιο γεωθερμικής ενέργειας με συντελεστή χρησιμοποίησης 90%

Εκτελέστε τις αριθμητικές πράξεις προτού επιλέξετε μία κατάταξη. Σε ποσοστό 90% παράγοντας Ικανότητας , μία γεωθερμική μονάδα συγκεντρώνει περίπου 7.880 ώρες λειτουργίας με φορτίο ετησίως. Ένα ηλιακό εργοστάσιο σε ποσοστό 25% συγκεντρώνει περίπου 2.190 ώρες. Ως εκ τούτου, ο γεωθερμικός μετασχηματιστής λειτουργεί περίπου τρεις και μισή φορές περισσότερες ώρες σε θερμοκρασία κάθε ενιαύσιο, και η θερμική γήρανση είναι αθροιστική.

Γι’ αυτόν τον λόγο, αναφέρουμε αύξηση θερμοκρασίας τυλιγμάτων 55 K για γεωθερμική χρήση, αντί της προεπιλεγμένης τιμής 65 K που περιλαμβάνουν οι περισσότερες προδιαγραφές διανομής. Μία χαμηλότερη σχεδιαστική αύξηση εξασφαλίζει χαμηλότερη θερμοκρασία στο θερμότερο σημείο, και μία χαμηλότερη θερμοκρασία στο θερμότερο σημείο επεκτείνει τη διάρκεια ζωής της μόνωσης. Η ανταλλαγή είναι πραγματική: προσδοκήστε μεγαλύτερο πυρήνα, μεγαλύτερη επιφάνεια ραδιατόρα και βαρύτερο δοχείο για την ίδια ισχύ σε kVA.

Οι μετασχηματιστές αύξησης τάσης γεννητριών σε εγκαταστάσεις ατμού και δυαδικών κύκλων συνήθως ανεβάζουν την τάση της γεννήτριας, η οποία κυμαίνεται από 4,16 kV έως 13,8 kV, σε συλλεκτική τάση 34,5 kV ή σε μεταφορική σύνδεση 69 kV έως 138 kV. Το μέγεθος της μονάδας πρέπει να υπολογιστεί βάσει της ισχύος της γεννήτριας σε MVA συν το παράσιτο φορτίο της εγκατάστασης — δηλαδή τους ψυκτικούς πύργους, τις αντλίες κυκλοφορίας νερού, τα συστήματα κενού και την εκρόφηση αερίων — και στη συνέχεια να επιβεβαιωθεί η ονομαστική ισχύς της με βάση το προφίλ φόρτισης, όχι με βάση έναν μοναδικό αριθμό πινακίδας. Εάν η εγκατάσταση προβλέπεται να λειτουργεί πάνω από την ονομαστική ισχύ κατά τις περιόδους υψηλής παραγωγής ατμού, ζητήστε να τεκμηριωθεί η ικανότητα υπερφόρτισης σύμφωνα με τον οδηγό φόρτισης IEEE C57.91, αντί να την υποθέσετε.

 

Ψύξη, επικάλυψη και προδιαγραφή συστήματος βαφής

Οι γεωθερμικές εγκαταστάσεις βρίσκονται συχνά σε παράκτιες ή ηφαιστειακές περιοχές, οπότε δύο παράγοντες διάβρωσης συνδυάζονται: το υδρόθειο από την πλευρά της διαδικασίας και ο αέρας πλούσιος σε χλωριόντα από τη θαλάσσια πλευρά. Το σύστημα επικάλυψης είναι αντικείμενο προδιαγραφής, όχι απλό τελικό στάδιο επεξεργασίας. Καθορίστε την κατηγορία διαβρωσιμότητας στο RFQ και επιβάλλετε την τήρησή της από τον προμηθευτή. Το Κατηγοριοποίηση περιβάλλοντος σύμφωνα με το πρότυπο ISO 12944-2 ορίζει τις κατηγορίες C1 έως CX και αποτελεί την κοινή ορολογία που χρησιμοποιούν τόσο οι αγοραστές όσο και οι κατασκευαστές· η κατηγορία C5-M καλύπτει την έκθεση σε παράκτιες και θαλάσσιες περιοχές.

Για μια παραγγελία γεωθερμικού εξοπλισμού σε παράκτια περιοχή, προτείνουμε σύστημα εποξειδικού πρωτοβάψιμα, εποξειδικού ενδιάμεσου στρώματος και πολυουρεθανικού επιτελικού στρώματος, με συνολικό πάχος ξηρού φιλμ περίπου 320 μικρομέτρων, εφαρμοσμένο επάνω σε υπόστρωμα ζινκαρισμένο με θερμή εμβάπτιση ή καθαρισμένο με τσιμεντόβαρο. Τα πτερύγια του ψυγείου υφίστανται ξεχωριστή επεξεργασία: σε μια γεωθερμική εγκατάσταση, τα πτερύγια συγκεντρώνουν τόσο σκόνη όσο και θειούχες ενώσεις, και ένα λεπτό επίστρωμα πτερυγίων που είναι κατάλληλο για ενδοχώρα μπορεί να εξαφανιστεί σε δύο εποχές. Προδιαγράψτε ρητώς την προστασία των πτερυγίων από διάβρωση.

Η ψύξη από μόνη της απαιτεί επίσης δεύτερη εξέταση. Μια μονάδα που λειτουργεί σχεδόν στο ονομαστικό φορτίο 24/7 σε περιβάλλον 40 έως 50 °C δεν έχει περιθώριο απώλειας. Επαληθεύστε την υπολογισμένη θερμή κηλίδα των τυλιγμάτων στην πραγματική θερμοκρασία περιβάλλοντος του χώρου εγκατάστασης, όχι σε 30 °C, και επιβεβαιώστε ότι οι βαθμίδες ψύξης με ανεμιστήρα έχουν καθοριστεί με ανεξάρτητες πηγές τροφοδοσίας, ώστε μια βλάβη στο κύκλωμα ελέγχου να μην σας στερήσει τη δεύτερη βαθμίδα ψύξης.

 

Υψόμετρο, σεισμικές ζώνες και μεταφορά της μονάδας στον χώρο εγκατάστασης

Πολλά από τα γεωθερμικά πεδία του κόσμου βρίσκονται σε υψόμετρο άνω των 1.000 μέτρων: το συγκρότημα Olkaria της Κένυας, τμήματα της Ινδονησίας και μεγάλο μέρος της Ανατολικής Αφρικανικής Ρήγματος. Η αντοχή της μόνωσης και η απόδοση ψύξης μειώνονται με το υψόμετρο, οπότε μια μονάδα που έχει προδιαγραφεί στο επίπεδο της θάλασσας δεν είναι η ίδια μονάδα σε υψόμετρο 2.000 μέτρων. Πρέπει να εφαρμοστούν συντελεστές μείωσης της ισχύος (derating) στο επίπεδο μόνωσης και στον υπολογισμό ψύξης, και ο υπολογισμός αυτός πρέπει να παρουσιάζεται στην έκθεση δοκιμών, αντί να δηλώνεται απλώς ως δήλωση.

Ο σεισμικός σχεδιασμός είναι ο δεύτερος γεωγραφικός περιορισμός. Τα πεδία της Κοιλάδας των Ρηγμάτων, της Ισλανδίας, της Ινδονησίας και της Καλιφόρνιας βρίσκονται όλα σε ενεργά σεισμικά ζώνη, και ο μετασχηματιστής είναι το βαρύτερο αντικείμενο στον υποσταθμό. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται σχεδιασμός αγκύρωσης, αντοχή της βάσης και, σε έργα χρήσης, πιστοποίηση σεισμικής αντοχής σύμφωνα με το πρότυπο IEEE 693. Ένα γενικό συγκολλημένο σασί δεν αποτελεί σεισμικό σχεδιασμό.

Στη συνέχεια, υπάρχει η λογιστική, η οποία εκπλήσσει τους αγοραστές συχνότερα από οποιαδήποτε ηλεκτρική παράμετρο. Τα γεωθερμικά πεδία συνήθως προσπερνώνται μέσω μακρών, κακώς επιστρωμένων οδών πρόσβασης με αυστηρά όρια βάρους ανά άξονα. Η μεταφορά ενός πλήρως συναρμολογημένου μονάδας βάρους 40 τόνων σε απομονωμένο πεδίο μπορεί να είναι αδύνατη. Η πρακτική λύση είναι ένας σχεδιασμός που μεταφέρεται σε τμήματα: ο δοχείο μεταφέρεται χωρίς λάδι, οι ραδιατορες σε ξεχωριστά κιβώτια, οι μονωτήρες σε ειδικά κιβώτια και μια τεκμηριωμένη σειρά συναρμολόγησης επιτόπου με τις αντίστοιχες τιμές ροπής. Οι εμβυθιζόμενοι σε λάδι μετασχηματιστές μας παρέχονται συστηματικά σε αυτήν τη διαμόρφωση για απομακρυσμένα έργα παραγωγής.

 

 

Πώς η Ryan Electric Ετοιμάζει μία Μονάδα για Γεωθερμική Χρήση

Κάθε γεωθερμική παραγγελία υπόκειται σε διαφορετικό έλεγχο προδιαγραφών από μία τυπική μονάδα διανομής. Οι αντικαταστάσεις υλικών καταγράφονται στη λίστα υλικών, ώστε ο αγοραστής να μπορεί να τις ελέγξει: χωρίς επιχρυσωμένες επαφές, σφραγισμένη διατήρηση λαδιού, επίστρωση C5-M, επαληθευμένη μείωση ισχύος λόγω υψομέτρου, τεκμηριωμένη σεισμική αγκύρωση. Η έκθεση ρουτίνας δοκιμής περιλαμβάνει στη συνέχεια τα δεδομένα αντίστασης στο κρύο και της αναλογίας που απαιτούνται για τη θέση σε λειτουργία, μετρημένα σε σχέση με τις πραγματικές θέσεις ταπ που παρεδόθησαν.

Κατασκευάζουμε σε εγκατάσταση εμβαδού 120.000 τετραγωνικών μέτρων, με περισσότερα από 180 σύνολα εξοπλισμού παραγωγής και δοκιμών και 37 διπλώματα ευρεσιτεχνίας, και διαθέτουμε πιστοποιητικά UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS και CE. Από το 2023, η Ryan Electric λειτουργεί ως επίσημος εταίρος κοινής επιχείρησης της Eaton, και αυτή η σχέση ενίσχυσε τα πρότυπα τεκμηρίωσης που εφαρμόζουμε. Οι μονάδες που αποστέλλουμε σε περιοχές με υψηλή διάβρωση, υψηλό υψόμετρο και απομακρυσμένες τοποθεσίες βασίζονται στην ίδια πλατφόρμα που κατασκευάζουμε για πελάτες κέντρων δεδομένων, ηλεκτρικών δικτύων και μεταλλείων, προσαρμοσμένη ακριβώς στις συνθήκες που επικρατούν στην τοποθεσία.

 

Τι να συμπεριλάβετε σε μια αίτηση προσφοράς (RFQ) για μετασχηματιστή γεωθερμικής ενέργειας

Οι περισσότερες αιτήσεις προσφοράς (RFQ) γεωθερμικής ενέργειας που λαμβάνουμε αναφέρουν τάση, ισχύ και αντίσταση, και σταματούν εκεί. Αυτά τα τρία στοιχεία δεν περιγράφουν την ειδική χρήση γεωθερμικής ενέργειας. Προσθέστε αυτές τις επτά παραμέτρους και η προσφορά που θα λάβετε θα είναι συγκρίσιμη μεταξύ των προμηθευτών:

Συγκέντρωση H2S. Μετρημένη σε ppm στον ατμό ή το βρινιό, καθώς και αν η τοποθεσία βρίσκεται σε παράκτια περιοχή.

Περιβάλλον τοποθεσίας και υψόμετρο. Σχεδιασμένη μέγιστη περιβάλλουσα θερμοκρασία σε °C και υψόμετρο πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας.

Κατηγορία διαβρωσιμότητας και σύστημα επίστρωσης. Κατηγορία ISO 12944-2 συν το απαιτούμενο πάχος ξηρής επίστρωσης.

Προφίλ φόρτισης και συντελεστής χρησιμοποίησης. Αναμενόμενες ετήσιες ώρες λειτουργίας υπό φόρτιση, όχι μόνο η ονομαστική ισχύς σε kVA.

Αύξηση θερμοκρασίας τυλίγματος και όριο θερμού σημείου. Δηλώστε την επιθυμητή αύξηση ή ζητήστε από τον προμηθευτή να αιτιολογήσει την προεπιλεγμένη τιμή.

Απαιτήσεις σεισμικής αντοχής. Εάν απαιτείται πιστοποίηση σύμφωνα με το IEEE 693 ή εφαρμόζονται ειδικές κριτήρια αγκύρωσης για τον χώρο εγκατάστασης.

Περιορισμοί μεταφοράς. Μέγιστο βάρος τεμαχίου, περιορισμοί οδικής μεταφοράς και εάν αναμένεται συναρμολόγηση επιτόπου.

 

Πριν Καθορίσετε την Επόμενη Γεωθερμική Μονάδα

Στείλτε μας τα στοιχεία του πεδίου — συγκέντρωση H2S, περιβάλλον, υψόμετρο, σεισμική ζώνη και προφίλ φορτίου — και η μηχανική ομάδα μας θα επιστρέψει με φύλλο προδιαγραφών που περιλαμβάνει τις αντικαταστάσεις υλικών, τον υπολογισμό ψύξης και το σχέδιο μεταφοράς. Προτιμούμε να συζητήσουμε για το σύστημα βαφής σε χαρτί παρά να αντικαταστήσουμε μια τράπεζα ραδιατόρων επιτόπου.

Σχετικά με τον Συγγραφέα: Αυτό το άρθρο γράφτηκε από τη μηχανική ομάδα της Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), ενός κατασκευαστή μετασχηματιστών ρητίνης με ρίψη, ελαιοβυθισμένων και επί τόπου εγκατεστημένων μετασχηματιστών, ο οποίος εξυπηρετεί χρήστες δημόσιας υπηρεσίας, κέντρα δεδομένων, ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και βιομηχανικούς πελάτες από το 2007. Η ομάδα εργάζεται καθημερινά με τις απαιτήσεις IEEE C57 και IEC 60076 και υποστηρίζει αναπτυξιακούς φορείς και εργολάβους ΕΠΚ στο στάδιο των προδιαγραφών, των εργαστηριακών δοκιμών και της εγκατάστασης επιτόπου.