ترانسفورماتورهای نیروگاه‌های انرژی زمین‌گرمایی: مشخصات فنی برای مقاومت در برابر خوردگی H2S، بار طولانی‌مدت و مکان‌های دورافتاده

یک اپراتور انرژی زمین‌گرمایی در دره شکاف (Rift Valley) پس از هجده ماه کارکرد، یک ترانسفورماتور افزاینده ۱۲ مگاولت‌آمپری را برای بازرسی به ما بازگرداند. هیچ‌یک از اجزای الکتریکی آن خراب نشده بود. اما رنگ‌آمیزی تانک خراب شده بود: پوشش تانک در بخش رادیاتورها تا رسیدن به فولاد برهنه تورم یافته بود، پیچ‌های مسی اتصالات عایقی سبز-مشکی شده بودند و ژل سیلیکا در تنفس‌کننده ظرف چند هفته پس از راه‌اندازی تیره شده بود. عامل اصلی این خرابی هیدروژن سولفید (H2S) بود؛ همان گازی که ارزش حفاری یک میدان انرژی زمین‌گرمایی را تعیین می‌کند و به همه قطعات متصل‌شده به آن حمله می‌ورزد.

واحد به‌درستی رده‌بندی شده بود. اما به‌درستی مشخص‌نشده بود. این تفاوت تعیین می‌کند که آیا یک ترانسفورماتور نیروگاه زمین‌گرمایی به شما بیست و پنج سال خدمات پایه‌بار را ارائه می‌دهد یا در اولین قطعی عمده از مدار خارج می‌شود.

 

 

چرا کارکرد زمین‌گرمایی سخت‌تر از خورشیدی یا بادی است

وزارت انرژی ایالات متحده زمین‌گرمایی را به‌عنوان انرژی پایه‌بار با ظرفیت استفاده‌برداری حدود ۹۰ درصد توصیف می‌کند؛ یعنی یک نیروگاه زمین‌گرمایی تقریباً به‌طور مداوم در حداکثر توان خود کار می‌کند و منابع متغیری مانند باد و خورشید را متعادل می‌سازد. این عدد تنها، وظیفه ترانسفورماتور را دوباره شکل می‌دهد. توضیح کامل آن را می‌توانید در عامل ظرفیت وب‌سایت اداره زمین‌گرمایی وزارت انرژی DOE Office of Geothermal site .

خواند. ترانسفورماتور به‌دلیل بار اوج فرسوده نمی‌شود، بلکه به‌دلیل مدت زمانی که در دمای بالا قرار دارد فرسوده می‌شود. یک واحد در مزرعه خورشیدی در بعدازظهر کار سختی انجام می‌دهد و شبی طولانی و خنک برای بازیابی دارد. اما واحد زمین‌گرمایی هرگز این دوره بازیابی را تجربه نمی‌کند. این واحد در طول شب، در طول آخر هفته‌ها و در تمام طول عمر عملیاتی نیروگاه، همواره نزدیک به بار اسمی خود قرار دارد.

جدول زیر نشان می‌دهد که چرا همان رتبه‌بندی kVA سه مشخصات متفاوت را به‌همراه دارد:

نوع گیاه	عامل ظرفیت	الگوی بار ترانسفورماتور	تنش غالب
Solar pv	۲۰٪ تا ۲۵٪	افزایش روزانه، بی‌کاری در طول شب	چرخه‌گرمایی، هارمونیک‌ها از اینورترها
پیچش	۳۰٪ تا ۴۵٪	متغیر و نامنظم	چرخه‌گرمایی، هارمونیک‌های تولیدشده توسط بار
زمین‌گرمایی	حدود ۹۰٪	نزدیک بار اسمی، ۲۴ ساعته و ۷ روز هفته	نقطهٔ داغ پیوسته در سیم‌پیچ، خوردگی ناشی از هیدروژن سولفید، دسترسی به مکان‌های دورافتاده

 

هیدروژن سولفید: حالت شکستی که تقریباً هرگز در برگهٔ مشخصات ظاهر نمی‌شود

هیدروژن سولفید در بخار و آب شور زمین‌گرمایی با غلظتی از چند قسمت در میلیون تا چند صد قسمت در میلیون یافت می‌شود. این غلظت‌ها خطر آتش‌سوزی ایجاد نمی‌کنند؛ دقیقاً به همین دلیل در فرآیند تأمین تجهیزات نادیده گرفته می‌شود. اما آنچه واقعاً وجود دارد، «دزد فلزات» است. خوردگی ناشی از هیدروژن سولفید به طور ترجیحی به مس و نقره حمله می‌کند و لایه‌های سولفیدی تشکیل می‌دهد که مقاومت تماسی را در تمام اتصالات پیچ‌خورده و روکش‌دار مسیر جریان افزایش می‌دهد.

در عمل، این بدان معناست که پیچ‌های لاستیکی، تماس‌های تغییردهندهٔ دستگاه تنظیم ولتاژ، انتهای سیم‌کشی کنترل و هرگونه اتصال آب‌زنی‌شده با نقره در داخل جعبهٔ ترمینال. ما واحدهای ژئوترمالی را باز کرده‌ایم که عایق سیم‌پیچی به‌طور کامل سالم بوده اما تماس‌های تغییردهندهٔ دستگاه تنظیم ولتاژ دلیل خارج‌شدن واحد از سرویس بوده‌اند. راه‌حل، انتخاب مواد مناسب است: در سفارشات ژئوترمال از آب‌زنی نقره‌ای کاملاً خودداری شود، سطوح تماس را با مس آب‌زنی‌شده یا نیکل‌آب‌زنی‌شده جایگزین کنید و جعبهٔ کنترل را با درزبند (گسکت) به‌جای سوراخ‌های تهویه‌شدهٔ شبکه‌ای دربند کنید.

سیستم حفاظت روغن نیز هم‌چنین اهمیت دارد. یک مخزن ذخیره‌سازی با تنفس آزاد هر روز در هنگام کوچک‌شدن فضای بالای مخزن، هواي حاوی H2S را به درون روغن می‌کشد. برای کاربردهای ژئوترمال، ما یک تنفس‌کنندهٔ مهر و موم‌شده با خشک‌کن هوا یا یک طراحی کاملاً هرمِتیک را مشخص می‌کنیم، به‌شرطی که ظرفیت اسمی دستگاه اجازهٔ این کار را بدهد. ترانسفورماتور غوطه‌ور در روغن این تصمیم تنها، هم‌زمان روغن، عایق و تماس‌های تغییردهندهٔ دستگاه تنظیم ولتاژ را محافظت می‌کند.

 

محاسبهٔ اندازهٔ ترانسفورماتور نیروگاه ژئوترمال برای ضریب ظرفیت ۹۰ درصد

قبل از انتخاب رده‌بندی، محاسبات را انجام دهید. در ۹۰ درصد عامل ظرفیت ، یک واحد زمین‌گرمایی سالانه حدود ۷۸۸۰ ساعت بارگذاری‌شده را تجربه می‌کند. یک نیروگاه خورشیدی در ۲۵ درصد حدود ۲۱۹۰ ساعت را تجربه می‌کند. بنابراین، ترانسفورماتور زمین‌گرمایی هر سال حدود سه و نیم‌برابر بیشتر در دما قرار می‌گیرد و پیرشدگی حرارتی تجمعی است.

به همین دلیل، برای کاربردهای زمین‌گرمایی، افزایش دمای سیم‌پیچ را ۵۵ کلوین ذکر می‌کنیم، نه ۶۵ کلوین پیش‌فرضی که اغلب مشخصات توزیعی دارند. افزایش طراحی کمتر، نقطهٔ داغ‌تر کمتری را به دنبال دارد و نقطهٔ داغ‌تر کمتر، عمر عایق را افزایش می‌دهد. این معامله واقعی است: انتظار داریم هسته‌ای بزرگ‌تر، سطح رادیاتور بیشتر و مخزن سنگین‌تری برای همان kVA داشته باشید.

ترانسفورماتورهای افزایش‌دهندهٔ ولتاژ ژنراتور در نیروگاه‌های فلش و باینری معمولاً ولتاژ ژنراتور را در محدودهٔ ۴٫۱۶ کیلوولت تا ۱۳٫۸ کیلوولت به سطح ۳۴٫۵ کیلوولت برای اتصال جمع‌آوری یا ۶۹ تا ۱۳۸ کیلوولت برای اتصال انتقال بالا می‌برند. اندازهٔ واحد را بر اساس ظرفیت مگاولت‌آمپر ژنراتور به علاوهٔ بارهای داخلی نیروگاه — از جمله برج‌های خنک‌کننده، پمپ‌های آب گردشی، سیستم‌های خلأ و استخراج گاز — تعیین کنید؛ سپس رتبه‌بندی آن را در مقابل نمودار بار (نه یک عدد ثابت روی پلاک شناسایی) تأیید نمایید. اگر نیروگاه قصد دارد در دوره‌های غنی از بخار، بالاتر از ظرفیت اسمی کار کند، از تأمین‌کننده بخواهید قابلیت بار اضافی را بر اساس راهنمای بارگذاری IEEE C57.91 مستند کند، نه اینکه آن را پیش‌فرض فرض کند.

 

خنک‌کنندگی، پوشش‌دهی و مشخصات سیستم رنگ

محل‌های ژئوترمال اغلب ساحلی یا آتشفشانی هستند؛ بنابراین دو عامل خوردگی همزمان عمل می‌کنند: سولفید هیدروژن از سمت فرآیند و هوای حاوی کلرید از سمت دریایی. سیستم پوشش‌دهی یک آیتم مشخصاتی است، نه یک جزئیات پایانی. ردهٔ خوردگی را در درخواست پیشنهاد قیمت (RFQ) مشخص کنید و تأمین‌کننده را به رعایت آن متعهد سازید. طبقه‌بندی محیط‌ها در استاندارد ایزو ۱۲۹۴۴-۲ دسته‌بندی‌های C1 تا CX را تعریف می‌کند و زبان مشترکی است که خریداران و سازندگان هر دو می‌توانند بر اساس آن کار کنند؛ دسته‌بندی C5-M مربوط به مناطق ساحلی و دریایی است.

برای سفارشات ژئوترمال ساحلی، ما سیستمی شامل پرایمر اپوکسی، لایه میانی اپوکسی و روکش بالایی پلی‌اورتان با ضخامت کلی فیلم خشک در حدود ۳۲۰ میکرومتر ارائه می‌دهیم که روی زیرلایه‌ای گالوانیزه شده با غوطه‌وری گرم یا پاک‌شده با ساینده اعمال می‌شود. باله‌های رادیاتور نیازمند درمان جداگانه‌اند: در نیروگاه‌های ژئوترمال، این باله‌ها هم گرد و غبار و هم سولفید را جمع‌آوری می‌کنند و پوشش نازکی که در مناطق داخلی مناسب است، ممکن است در طی دو فصل از بین برود. حفاظت در برابر خوردگی باله‌ها را صراحتاً مشخص کنید.

خنک‌کنندگی خود نیز نیازمند بررسی مجدد است. دستگاهی که به‌صورت مداوم و در نزدیکی بار اسمی خود، با دمای محیطی ۴۰ تا ۵۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کند، هیچ حاشیه ایمنی ندارد. نقطه داغ سیم‌پیچ را بر اساس دمای محیطی محل نصب — نه دمای ۳۰ درجه سانتی‌گراد — محاسبه و تأیید کنید و مراحل خنک‌کنندگی با پنکه را با منابع تغذیه مستقل مشخص نمایید تا خرابی در مدار کنترل، از کار افتادن مرحله دوم خنک‌کنندگی را در پی نداشته باشد.

 

ارتفاع از سطح دریا، مناطق لرزه‌خیز و حمل و نقل دستگاه به محل نصب

بسیاری از میدان‌های ژئوترمال جهان در ارتفاعی بالاتر از ۱۰۰۰ متر قرار دارند: مانند پیچیدگی اولکاریا در کنیا، بخش‌هایی از اندونزی و بیشتر منطقه شکاف شرق آفریقا. مقاومت عایق و عملکرد خنک‌کنندگی هر دو با افزایش ارتفاع کاهش می‌یابند؛ بنابراین دستگاهی که برای سطح دریا مشخص‌شده است، در ارتفاع ۲۰۰۰ متر همان دستگاه نیست. ضرایب کاهش ظرفیت باید بر سطح عایق‌بندی و محاسبه خنک‌کنندگی اعمال شوند و این محاسبات باید در گزارش آزمایش — نه صرفاً به‌صورت ادعایی — ارائه شوند.

طراحی مقاوم در برابر زلزله دومین محدودیت جغرافیایی است. میدان‌های دریایی ریفت ولی، ایسلندی، اندونزیایی و کالیفرنیایی همگی در مناطق فعال زلزله‌خیز قرار دارند و ترانسفورماتور سنگین‌ترین قطعه در پست فرعی است. این بدان معناست که طراحی لنگرها، استحکام صفحه پایه و در پروژه‌های توزیع برق، صلاحیت‌سنجی مقاومت در برابر زلزله بر اساس استاندارد آی‌اتری‌ئی ۶۹۳ الزامی است. یک شاسی جوش‌کاری‌شده عمومی، طراحی مقاوم در برابر زلزله محسوب نمی‌شود.

سپس مسئله لجستیک به‌وجود می‌آید که بیش از هر پارامتر الکتریکی دیگری خریداران را متعجب می‌کند. میدان‌های ژئوترمال معمولاً از طریق جاده‌های دسترسی طولانی و نامناسب با حداکثر وزن مجاز برای هر محور قابل دسترسی هستند. حمل یک واحد کامل ۴۰ تنی به یک میدان دورافتاده ممکن است غیرممکن باشد. راه‌حل عملی، طراحی‌ای است که در قطعات جداگانه حمل می‌شود: مخزن بدون روغن، رادیاتورها در جعبه‌های جداگانه، عایق‌ها در جعبه‌های اختصاصی و دنباله‌ی مستندسازی مراحل مونتاژ در محل با مقادیر گشتاور مشخص. ما محدوده ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن را به‌طور معمول در این پیکربندی برای پروژه‌های تولید انرژی در مناطق دورافتاده تأمین می‌کنیم.

 

 

اینکه رایان الکتریک چگونه یک دستگاه را برای کار در شرایط زمین‌گرمایی آماده می‌کند

هر سفارش زمین‌گرمایی از فهرست بازرسی مشخصاتی متفاوت از واحد توزیع استاندارد عبور می‌کند. جایگزینی‌های مواد در فهرست مواد ثبت می‌شوند تا خریدار بتواند آنها را بررسی کند: بدون تماس‌های پوشش‌دهی‌شده با نقره، حفظ روغن در محیط دربسته، پوشش C5-M، کاهش ظرفیت تأییدشده بر اساس ارتفاع، و تثبیت لنگر زلزله‌ای به‌صورت مستند. سپس گزارش آزمون روتین شامل داده‌های مقاومت سرد و نسبت‌ها می‌شود که برای راه‌اندازی لازم است و بر اساس موقعیت‌های دقیق تپ‌های تأمین‌شده اندازه‌گیری شده‌اند.

ما در یک مجتمع به مساحت ۱۲۰۰۰۰ مترمربع با بیش از ۱۸۰ دستگاه تجهیزات تولیدی و آزمایشی و ۳۷ اختراع ثبت‌شده فعالیت می‌کنیم و گواهینامه‌های UL، CSA، IEEE، DEKRA، CNAS و CE را داریم. از سال ۲۰۲۳ شرکت رایان الکتریک به‌عنوان شریک رسمی مشترک اتون فعالیت می‌کند و این رابطه استانداردهای اسنادی ما را سخت‌تر کرده است. واحدهایی که ما به مناطق دارای خوردگی بالا، ارتفاع زیاد و دورافتاده ارسال می‌کنیم، همان پلتفرمی هستند که برای مشتریان مراکز داده، شرکت‌های توزیع انرژی و معادن طراحی و ساخته می‌شوند و دقیقاً بر اساس شرایط واقعی محل نصب مشخص‌شده‌اند.

 

چه چیزهایی را در درخواست پیشنهاد قیمت ترانسفورماتور ژئوترمال باید ذکر کرد

بیشتر درخواست‌های پیشنهاد قیمت ژئوترمالی که ما دریافت می‌کنیم، تنها ولتاژ، توان اسمی و امپدانس را فهرست می‌کنند و در اینجا متوقف می‌شوند. این سه مورد، شرایط کار ژئوترمال را توصیف نمی‌کنند. با افزودن این هفت ورودی، پیشنهادهای قیمتی دریافت‌شده از تأمین‌کنندگان مختلف قابل مقایسه خواهند بود:

غلظت H2S برحسب ppm اندازه‌گیری‌شده در بخار یا آب شور، و همچنین اینکه آیا محل نصب در نزدیکی ساحل قرار دارد یا خیر.

دمای محیطی محل و ارتفاع آن. حداکثر دمای محیطی طراحی‌شده به درجه سانتی‌گراد و ارتفاع نسبت به سطح دریا.

دسته‌بندی خورندگی و سیستم پوشش‌دهی. دسته‌بندی استاندارد ایزو ۱۲۹۴۴-۲ به همراه ضخامت مورد نیاز لایه خشک پوشش.

پروفیل بار و ضریب ظرفیت. ساعات سالانه مورد انتظار کارکرد تحت بار، نه صرفاً ظرفیت اسمی بر حسب کیلوولت‌آمپر.

افزایش دمای سیم‌پیچ و حداکثر دمای نقطه داغ. افزایش دما را مشخص کنید یا از تأمین‌کننده بخواهید دلیل انتخاب مقدار پیش‌فرض را ارائه دهد.

شرایط لرزه‌ای مورد نیاز. آیا صلاحیت‌سنجی بر اساس استاندارد آی‌ای‌ای‌ای ۶۹۳ الزامی است یا معیارهای خاص محل نصب (مانند اتصالات ثابت) اعمال می‌شوند.

محدودیت‌های حمل‌ونقل. حداکثر وزن هر قطعه، محدودیت‌های جاده‌ای و اینکه آیا مونتاژ در محل پیش‌بینی شده است.

 

پیش از مشخص‌کردن واحد بعدی ژئوترمال

داده‌های میدانی را برای ما ارسال کنید — غلظت H2S، دمای محیط، ارتفاع از سطح دریا، منطقه لرزه‌ای و نمودار بار — و تیم مهندسی ما صفحه‌ای با مشخصات فنی ارسال خواهد کرد که جایگزینی مواد، محاسبه سیستم خنک‌کنندگی و برنامه حمل‌ونقل را نشان می‌دهد. ما ترجیح می‌دهیم درباره سیستم رنگ‌آمیزی روی کاغذ بحث کنیم تا اینکه در محل، بانک رادیاتور را تعویض کنیم.

درباره نویسنده: این مقاله توسط تیم مهندسی شرکت Ryan Electric (ترانسفورماتورهای جیانگسو رایان) تهیه شده است؛ شرکتی تولیدکننده ترانسفورماتورهای رزینی ریخته‌گری‌شده، روغنی و نصب‌شده روی پایه که از سال ۲۰۰۷ به مشتریان برق‌رسانی، مراکز داده، تولیدکنندگان انرژی‌های تجدیدپذیر و صنایع خدمات ارائه می‌کند. این تیم هر روز با الزامات IEEE C57 و IEC 60076 کار می‌کند و در مراحل مشخصات فنی، آزمایش کارخانه‌ای و راه‌اندازی در محل، توسعه‌دهندگان و پیمانکاران EPC را پشتیبانی می‌کند.