Transformadores para centrales geotérmicas: Especificación frente a la corrosión por H2S, carga sostenida y emplazamientos remotos

Un operador geotérmico del Valle del Rift nos devolvió una unidad elevadora de 12 MVA para inspección tras dieciocho meses en servicio. Nada había fallado eléctricamente. Lo que sí había fallado era la pintura: el recubrimiento del depósito presentaba ampollas hasta dejar al descubierto el acero en toda la batería de radiadores, los pernos de los bornes de cobre habían adquirido un tono verde-negro y el gel de sílice del respiradero se había oscurecido en cuestión de semanas desde su puesta en marcha. El culpable era el sulfuro de hidrógeno: el mismo gas que hace rentable perforar un campo geotérmico ataca todo lo que esté fijado a él.

La unidad fue correctamente clasificada. No fue correctamente especificada. Esa diferencia determina si una transformador de planta geotérmica le ofrece veinticinco años de servicio de carga base o se retira tras la primera avería importante.

 

 

Por qué la energía geotérmica representa una exigencia más severa que la solar o la eólica

El Departamento de Energía de Estados Unidos describe la energía geotérmica como energía de carga base con una factor de capacidad tasa de disponibilidad de aproximadamente el 90 %, lo que significa que una planta geotérmica opera casi continuamente a su potencia máxima mientras equilibra recursos intermitentes como los eólicos y solares. Ese único valor redefine la exigencia para el transformador. Puede leer la descripción completa en el Sitio web de la Oficina de Energía Geotérmica del DOE .

Un transformador no envejece debido a la carga máxima. Envejece debido al tiempo transcurrido a temperatura elevada. Una unidad en una granja solar recibe una intensa carga durante la tarde y una larga noche fresca para recuperarse. Una unidad geotérmica nunca dispone de ese período de recuperación. Permanece cerca de su carga nominal durante la noche, los fines de semana y toda la vida útil de la planta.

La tabla siguiente muestra por qué la misma calificación en kVA implica tres especificaciones diferentes:

Tipo de Planta	Factor de capacidad	Patrón de carga del transformador	Tensión dominante
Solar pv	20% - 25%	Rampa diaria, inactividad durante la noche	Ciclado térmico, armónicos provenientes de inversores
Viento	30 % - 45 %	Intermitente, altamente variable	Ciclado, armónicos generados por la carga
Geotérmico	aproximadamente el 90%	Carga cercana a la nominal, las 24 horas del día, los 7 días de la semana	Punto caliente sostenido en el devanado, corrosión por H2S, acceso a emplazamientos remotos

 

H2S: El modo de fallo que rara vez aparece en la hoja de especificaciones

El sulfuro de hidrógeno aparece en el vapor y la salmuera geotérmicos a concentraciones que van desde unas pocas partes por millón hasta varios cientos. No representa un riesgo de incendio a esos niveles, lo cual es precisamente la razón por la que se ignora en los procesos de adquisición. Lo que sí es, es un ‘ladrón de metales’. Corrosión por H2S ataca preferentemente al cobre y a la plata, formando películas de sulfuro que aumentan la resistencia de contacto en cada unión atornillada o chapada situada en la trayectoria de corriente.

En la práctica, esto significa pernos de aisladores, contactos del cambiador de tomas, terminaciones de cables de control y cualquier conexión chapada en plata dentro de la caja de bornes. Hemos abierto unidades geotérmicas cuyo aislamiento de devanados presentaba resultados perfectos, pero cuyos contactos del cambiador de tomas fueron la causa de que la unidad tuviera que retirarse del servicio. La solución consiste en la selección de materiales: evitar por completo la chapa de plata en los pedidos para aplicaciones geotérmicas, sustituirla por superficies de contacto de cobre estañado o niquelado, y sellar el armario de control con una junta en lugar de una rejilla ventilada.

El sistema de conservación del aceite es igual de importante. Un conservador de respiración libre aspira aire cargado de H2S al aceite cada día, a medida que el espacio libre del tanque se contrae. Para servicio geotérmico, especificamos un respiradero hermético con secador de aire o un diseño completamente herméticamente sellado. transformador Sumergido en Aceite donde la potencia nominal lo permite. Esa única decisión protege simultáneamente el aceite, el aislamiento y los contactos del cambiador de tomas.

 

Dimensionamiento de un transformador para planta de energía geotérmica con factor de capacidad del 90 %

Realice los cálculos antes de elegir una potencia nominal. Con un factor de capacidad del 90 % factor de capacidad , una unidad geotérmica acumula aproximadamente 7 880 horas bajo carga al año. Una planta solar con un factor del 25 % acumula cerca de 2 190. Por lo tanto, el transformador geotérmico opera a temperatura unas tres veces y media más horas cada año, y el envejecimiento térmico es acumulativo.

Esa es la razón por la que indicamos un aumento de temperatura del devanado de 55 K para servicio geotérmico, en lugar del valor predeterminado de 65 K que incluyen la mayoría de las especificaciones de distribución. Un aumento de temperatura de diseño más bajo reduce la temperatura del punto caliente, y una temperatura del punto caliente más baja prolonga la vida útil del aislamiento. El compromiso es real: espere un núcleo más grande, mayor superficie radiante y un tanque más pesado para la misma potencia en kVA.

Los transformadores elevadores de generador en plantas de tipo flash y binarias suelen elevar el voltaje del generador —que oscila entre 4,16 kV y 13,8 kV— hasta un bus colector de 34,5 kV o hasta una conexión de transmisión de 69 kV a 138 kV. Dimensione la unidad según la potencia aparente (MVA) del generador más la carga parasitaria de la planta —torres de enfriamiento, bombas de agua de circulación, sistemas de vacío y extracción de gases— y luego confirme la potencia asignada comparándola con el perfil de carga, en lugar de basarse únicamente en un único valor nominal. Si la planta prevé operar por encima de su valor nominal durante periodos ricos en vapor, solicite que la capacidad de sobrecarga se documente conforme a la guía de carga IEEE C57.91, en lugar de asumirla.

 

Sistemas de refrigeración, recubrimiento y especificación del sistema de pintura

Los yacimientos geotérmicos suelen ubicarse en zonas costeras o volcánicas, por lo que confluyen dos factores de corrosión: sulfuro de hidrógeno proveniente del lado del proceso y aire cargado de cloruros proveniente del entorno marino. El sistema de recubrimiento es un elemento de especificación, no un detalle final. Indique la categoría de corrosividad en la solicitud de cotización (RFQ) y exija al proveedor su cumplimiento estricto. El Clasificación de ambientes ISO 12944-2 define las categorías C1 a CX y constituye el lenguaje común que compradores y fabricantes pueden utilizar conjuntamente; la categoría C5-M abarca la exposición costera y marina.

Para un pedido geotérmico costero, cotizamos un sistema de recubrimiento compuesto por una imprimación epoxi, una capa intermedia epoxi y una capa final de poliuretano, con un espesor total de película seca de aproximadamente 320 micrómetros, aplicado sobre un sustrato galvanizado en caliente o limpiado mediante chorro abrasivo. Las aletas del radiador requieren un tratamiento independiente: en una planta geotérmica, dichas aletas acumulan tanto polvo como sulfuros, y un recubrimiento fino, aceptable en zonas continentales, puede desaparecer en dos temporadas. Especifique explícitamente la protección contra la corrosión de las aletas.

El sistema de refrigeración también requiere una revisión adicional. Una unidad que opera cerca de su carga nominal las 24 horas del día, los 7 días de la semana, en un ambiente de 40 a 50 °C no tiene margen de maniobra. Verifique la temperatura máxima calculada en el punto caliente del devanado para la temperatura ambiente real del emplazamiento, y no para 30 °C, y confirme que las etapas de refrigeración con ventilador estén especificadas con fuentes de alimentación independientes, de modo que una falla en el circuito de control no desactive la segunda etapa de refrigeración.

 

Altitud, zonas sísmicas y transporte de la unidad hasta el emplazamiento

Muchos de los campos geotérmicos del mundo se encuentran a más de 1000 metros sobre el nivel del mar: el complejo de Olkaria en Kenia, partes de Indonesia y gran parte del Rift Oriental Africano. Tanto la resistencia del aislamiento como el rendimiento de la refrigeración disminuyen con la altitud; por lo tanto, una unidad especificada al nivel del mar no es equivalente a la misma unidad a 2000 metros. Deben aplicarse factores de reducción de potencia tanto al nivel de aislamiento como al cálculo de refrigeración, y dicho cálculo debe figurar en el informe de ensayo, no limitarse a una mera declaración.

El diseño sísmico es la segunda restricción geográfica. Los campos del Valle del Rift, de Islandia, de Indonesia y de California se ubican todos en zonas sísmicas activas, y el transformador es el elemento más pesado de la subestación. Eso implica un diseño de anclaje, una resistencia adecuada de la placa base y, en proyectos de servicios públicos, una calificación sísmica conforme a la norma IEEE 693. Un bastidor soldado genérico no constituye un diseño sísmico.

Luego está la logística, que sorprende a los compradores con mayor frecuencia que cualquier parámetro eléctrico. Por lo general, los campos geotérmicos se acceden mediante carreteras largas y mal pavimentadas, con límites estrictos de peso por eje. Transportar una unidad completamente ensamblada de 40 toneladas hasta un campo remoto puede resultar imposible. La solución práctica consiste en un diseño que se transporta desmontado: el depósito se envía sin aceite, los radiadores se embalan por separado, los aisladores van en estuches específicos y se incluye una secuencia documentada de ensamblaje en sitio, con los valores de par de apriete correspondientes. Nuestro rango de transformadores sumergidos en aceite se suministra habitualmente en esta configuración para proyectos de generación remota.

 

 

Cómo Ryan Electric Prepara una Unidad para Servicio Geotérmico

Cada pedido geotérmico se somete a una lista de verificación de especificaciones distinta de la de una unidad estándar de distribución. Las sustituciones de materiales se registran en la lista de materiales para que el comprador pueda auditarlas: sin contactos chapados en plata, conservación del aceite sellada, recubrimiento C5-M, reducción por altitud verificada, anclaje sísmico documentado. El informe de prueba rutinaria incluye entonces los datos de resistencia en frío y de relación necesarios para la puesta en servicio, medidos según las posiciones reales de toma suministradas.

Construimos en una instalación de 120 000 metros cuadrados con más de 180 conjuntos de equipos de producción y prueba, y 37 patentes; además, contamos con certificaciones UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS y CE. Desde 2023, Ryan Electric opera como socio oficial de empresa conjunta de Eaton, lo que ha reforzado aún más los estándares documentales a los que nos adherimos. Las unidades que enviamos a emplazamientos con alta corrosión, alta altitud y remotos corresponden a la misma plataforma que fabricamos para clientes de centros de datos, servicios públicos y minería, especificada según las condiciones reales del emplazamiento.

 

Qué incluir en una solicitud de cotización (RFQ) para transformadores geotérmicos

La mayoría de las RFQ geotérmicas que recibimos indican únicamente tensión, potencia nominal e impedancia, y ahí terminan. Esos tres elementos no describen una aplicación geotérmica. Agregue estas siete entradas y la cotización que reciba será comparable entre distintos proveedores:

Concentración de H2S. PPM medidos en vapor o salmuera, además de indicar si el emplazamiento está en zona costera.

Temperatura ambiente y altitud del emplazamiento. Temperatura ambiente máxima de diseño, en °C, y elevación sobre el nivel del mar.

Categoría de corrosividad y sistema de recubrimiento. Categoría ISO 12944-2 más el espesor mínimo de película seca requerido.

Perfil de carga y factor de capacidad. Horas anuales previstas bajo carga, no solo la potencia nominal en kVA.

Elevación de temperatura del devanado y límite de punto caliente. Indique la elevación deseada o solicite al proveedor que justifique la predeterminada.

Requisito sísmico. Si se requiere la calificación IEEE 693 o si aplican criterios específicos de anclaje para el emplazamiento.

Límites de transporte. Peso máximo por pieza, restricciones viales y si se espera ensamblaje en el sitio.

 

Antes de especificar la siguiente unidad geotérmica

Envíenos los datos de campo: concentración de H2S, condiciones ambientales, altitud, zona sísmica y perfil de carga; nuestro equipo de ingeniería le enviará una hoja de especificaciones que incluye las sustituciones de materiales, el cálculo de refrigeración y el plan de transporte. Preferimos debatir sobre el sistema de pintura sobre papel antes que reemplazar un banco de radiadores en el campo.

Acerca del autor: Este artículo fue redactado por el equipo de ingeniería de Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), fabricante de transformadores de resina fundida, sumergidos en aceite y montados sobre pedestal, que atiende a clientes del sector eléctrico, centros de datos, generación renovable e industria desde 2007. El equipo trabaja diariamente con los requisitos IEEE C57 e IEC 60076 y apoya a desarrolladores y contratistas EPC durante la fase de especificación, pruebas de fábrica y puesta en servicio en sitio.