Maalämpövoimaloiden muuntajat: Määrittely vedenvaihtokorrosiota, jatkuvaa kuormitusta ja kaukana sijaitsevia paikkoja varten

Riftilaakson maalämpövoimalan käyttäjä lähetti meille 12 MVA:n nostomuuntajan tarkastettavaksi 18 kuukauden käytön jälkeen. Sähköiset osat eivät olleet epäonnistuneet lainkaan. Epäonnistuneita olivat kuitenkin maalipinnat: säiliön pinnoite oli kuplautunut aina teräspohjalle asti radiattoriryhmän kohdalla, kuparipultit eristyspisteissä olivat muuttuneet vihertävän mustiksi ja hengityspariston silikageeli oli tummennut jo viikoissa käynnistyksen jälkeen. Syy oli vety-sulfidi, sama kaasu, joka tekee maalämpökentästä kannattavan porata – mutta joka hyökkää kaikkia sen kiinnityskohdat vastaan.

Laite oli oikein luokiteltu. Sitä ei kuitenkaan ollut oikein määritelty. Tämä ero ratkaisee, saako maalämpövoimalan muuntaja viisikymmentä vuoden peruskuormituskäytön vai poistetaanko se ensimmäisessä suuremmassa katkoksa.

 

 

Miksi maalämpö on vaativampaa kuin aurinko- tai tuulivoima

Yhdysvaltojen energiaministeriö kuvaa maalämpöä peruskuormitustehona, jonka käyttöaste käyttöaste on noin 90 %, mikä tarkoittaa, että maalämpövoimala toimii lähes jatkuvasti maksimitehollaan tasapainottaen väljästi tuottavia resursseja, kuten tuuli- ja aurinkovoimaa. Tämä yksittäinen luku muuttaa muuntajan käyttöolosuhteita radikaalisti. Täydellisen kuvauksen löydät DOE:n maalämpötoimiston sivuilta .

Muuntaja ei vanhene huipputaakasta, vaan lämpötilan vaikutuksesta ajan myötä. Aurinkopuutarhassa käytetty laite saa kovaa rasitusta iltapäivällä ja pitkän viileän yön toipumiseen. Maalämpömuuntaja ei koskaan saa tällaista toipumisaikaa. Se toimii lähes koko ajan nimellisella kuormalla yöllä, viikonloppuisin ja koko voimalan käyttöiän ajan.

Alla oleva taulukko näyttää, miksi sama kVA-luokitus tarkoittaa kolmea eri spesifikaatiota:

Kasvityyppi	Käyttöaste	Muuntajan kuormituskäyttäytyminen	Hallitseva jännitys
Aurinkovoimalaitokset	20 % - 25 %	Päivittäinen nousu, yöllinen lepovaihe	Lämpötilan vaihtelu, invertterien aiheuttamat yläharmoniset taajuudet
Tuuli	30 % – 45 %	Epäsäännöllinen, erittäin muuttuva	Kiertokuormitus, kuormasta syntyvät yläharmoniset taajuudet
Maalämpö	noin 90%	Lähes nimelliskuorma, 24/7-toiminta	Jatkuvasti kuumeneva käämityksen kuumimman kohdan lämpötila, rikkipihkakorroosio, etäpaikan huoltomahdollisuus

 

H2S: Vikaustapa, joka harvoin esiintyy teknisissä tiedoissa

Vetyvetylioksidi esiintyy maalämmön höyryssä ja suolaisessa vedessä muutamasta osasta miljoonasta useisiin satoihin osaan miljoonasta. Se ei aiheuta tulipalon vaaraa näissä pitoisuuksissa, mikä on juuri syy siihen, miksi sitä jätetään huomiotta hankinnoissa. Mitä se kuitenkin on, on metallien varkaus. H2S-korroosio hyökkää kuparia ja hopeaa vastaan eteenpäin, muodostaen sulfidikalvoja, jotka lisäävät kosketusvastusta kaikissa kiinnitys- ja pinnoitettuissa liitoksissa virtapolussa.

Käytännössä tämä tarkoittaa esimerkiksi eristysputkien kiinnityspultteja, tap-switcher-liitoksia, ohjausjohdon päätöksiä ja kaikkia hopeapinnoitettuja liitoksia terminaalilaatikossa. Olemme avanneet maalämmön käyttöön tarkoitettuja laitteita, joiden käämin eristys testattiin täydelliseksi, mutta joissa tap-switcher-liitokset olivat syy siihen, miksi laite jouduttiin poistamaan käytöstä. Ratkaisu on materiaalin valinta: vältä kokonaan hopeapinnoitetta maalämmön tilauksissa, korvaa se tinattulla kuparilla tai nikkelpinnoitettuilla kosketuspintoilla ja tiukkaa ohjauskaappi tiivistysletkulla sen sijaan, että käytetään ilmanvaihtopalkkia.

Öljyn säilytysjärjestelmä on yhtä tärkeä. Vapaa hengittävä säiliö vetää rikkiyhdisteitä (H2S) sisältävää ilmaa öljyyn joka päivä, kun säiliön ylätilan tilavuus pienenee. Maalämmön käyttöön määrittelemme tiukasti suljetun hengitysjärjestelmän ilmankuivurilla tai täysin hermeettisesti suljetun öljyyn Upotettu Muuntaja rakenteen, jos nimellisarvo sallii sen. Tämä yksittäinen päätös suojelee samanaikaisesti sekä öljyä että eristystä että napakytkintä koskettimia.

 

Maalämmön voimalaitoksen muuntajan mitoitus 90 %:n kapasiteettikertoimelle

Laske aritmeettisesti ennen kuin valitset nimellisarvon. 90 %:n käyttöaste :n kapasiteettikertoimella maalämpöyksikkö kertyy noin 7 880 kuormitettua tuntia vuodessa. Aurinkovoimalaitos 25 %:n kapasiteettikertoimella kertyy noin 2 190 tuntia. Maalämmön muuntaja on siis lämpötilassa noin kolme ja puoli kertaa niin monta tuntia joka vuosi, ja lämpöikääntyminen kertyy ajan myötä.

Siksi annamme maalämmön käyttöön 55 K:n käämien lämpötilan nousun arvon sen sijaan, että käytettäisiin yleisesti jakeluspesifikaatioissa määriteltyä 65 K:n oletusarvoa. Alhaisempi suunnittelussa käytetty lämpötilan nousu tarkoittaa alhaisempaa kuumaa pistettä, ja alhaisempi kuuma piste lisää eristämisen kestoa. Tämä on todellinen kompromissi: odota isompaa ydintä, suurempaa radiattoripintaa ja raskaampaa säiliötä samalle kVA-arvolle.

Generaattorin nostomuuntajat höyry- ja binääriplanteilla nostavat yleensä generaattorin jännitteen 4,16 kV–13,8 kV -alueelta 34,5 kV:n keräysjännitteeksi tai 69–138 kV:n siirtojännitteeksi. Mitoitetaan laite generaattorin MVA-arvon ja voimalaitoksen omien kuormien – jäähdytystornien, kiertovesipumppujen, tyhjiöjärjestelmien ja kaasun poistojärjestelmien – perusteella, ja vahvistetaan sitten nimellisarvo kuormaprofiilin perusteella eikä yksittäisen nimellisarvon perusteella. Jos voimalaitos odottaa toimivansa nimellisarvon yläpuolella höyryn runsauden aikana, pyydä ylikuormituskapasiteetin dokumentointia IEEE C57.91:n kuormitusta koskevan ohjeen mukaisesti eikä oleteta sitä.

 

Jäähdytys, pinnoitus ja maalijärjestelmän spesifikaatio

Maalilämmön lähteet sijaitsevat usein rannikolla tai tuliperäisillä alueilla, joten kaksi korroosion aiheuttajaa kertyy päällekkäin: prosessipuolelta peräisin oleva vetyrikastus ja mereltä peräisin oleva kloridipitoisuus ilmassa. Pinnoitussysteemi on erityisvaatimus, ei pelkästään viimeistelyyn liittyvä yksityiskohta. Nimetään korroosioriskiluokka tarjouspyynnössä ja vaaditaan toimittajan noudattavan sitä. ISO 12944-2 -standardin ympäristöluokittelujärjestelmä määrittelee C1–CX -luokat ja on yhteinen kieli, jota ostajat ja valmistajat voivat molemmat käyttää; C5-M on luokka, joka kattaa rannikko- ja meriympäristöön altistumisen.

Rannikolla sijaitsevan maalilämmön laitoksen tilaukseen tarjoamme epoksiensiopin, epoksivälipinnoitteen ja polyuretaanipäällysteen muodostaman pinnoitussysteemin, jonka kokonaan kuivunut paksuus on noin 320 mikrometriä ja joka sovelletaan kuumasinkattuun tai hiehakutettuun pohjaan. Lämmönvaihtimen siivet saavat erillisen käsittelyn: maalilämmön laitoksessa siivet keräävät sekä pölyä että rikkiyhdisteitä, ja ohut siiven pinnoite, joka riittää sisämaassa, voi kadota kahdessa vuodessa. Siiven korroosionsuojauksen tulee määritellä erikseen.

Jäähdytys vaatii myös toisen tarkastelun. Yksikkö, joka toimii lähes nimellistehollaan 24/7 ympäristölämpötilassa 40–50 °C, ei ole varaa menettää mitään marginaalia. Vahvista laskettu käämityksen kuumimman kohdan lämpötila paikan päällä vallitsevassa ympäristölämpötilassa eikä 30 °C:ssa, ja varmista, että puhaltimen avulla tuettuja jäähdytysvaiheita on määritelty riippumattomilla virransyöttöjärjestelmillä, jotta ohjauspiirin vika ei aiheuta toisen jäähdytysvaiheen menetystä.

 

Korkeusmerkintä, maanjäristysalueet ja yksikön kuljetus kohteeseen

Maailman monet geotermiset kentät sijaitsevat yli 1 000 metrin korkeudella: Kenian Olkaria-alue, Indonesian osia sekä suuri osa Itä-Afrikan rifting-alueesta. Eristyksen kestävyys ja jäähdytysteho heikkenevät korkeuden kasvaessa, joten merimeren tasolla määritelty yksikkö ei ole sama yksikkö 2 000 metrin korkeudella. Eristystasolle ja jäähdytyslaskennalle on sovellettava alalatauskerroimia, ja laskenta on esitettävä testiraportissa eikä vain ilmoitettava väitteenä.

Maanjäristystenvarainen suunnittelu on toinen maantieteellinen rajoitus. Riftingin laakson, Islannin, Indonesian ja Kalifornian kentät sijaitsevat kaikki aktiivisilla maanjäristysalueilla, ja muuntaja on sähköaseman painavin komponentti. Tämä tarkoittaa ankkurointisuunnittelua, perustalevyn lujuutta ja, teollisuusprojekteissa, IEEE 693 -standardin mukaista maanjäristystenvaraisuuden varmistamista. Yleiskäyttöinen hitsattu alustarakenne ei ole maanjäristystenvarainen ratkaisu.

Sitten on logistiikka, joka yllättää ostajia useammin kuin mikään sähkötekniikkaan liittyvä parametri. Maalämpökentät voidaan yleensä saavuttaa vain pitkillä, huonosti päällystetyillä tienosilla, joilla on tiukat akselikohtaiset painorajoitukset. Neljäkymmentä tonnia painavan kokoon asennetun yksikön kuljettaminen kaukana sijaitsevaan kenttään voi olla mahdotonta. Käytännöllinen ratkaisu on rakennetta, joka kuljetetaan osissa: säiliö ilman öljyä, radiatit erillisissä laatikoissa, erityisissä koteissa olevat läpivientikytkimet ja dokumentoitu paikanmukainen kokoonpanojärjestys torquen arvoineen. Meidän öljyllä jäähdytetty muuntajarivi toimitetaan tavallisesti tällä tavoin kaukana sijaitsevien sähkön tuotantoprojektien tarpeisiin.

 

 

Kuinka Ryan Electric valmistaa yksikön maalämmön käyttöön

Jokainen maalämpötilaus käy eri spesifikaatiotarkistuslistan kuin tavallinen jakeluyksikkö. Materiaalikorvaukset merkitään materiaaliluetteloon, jotta ostaja voi tarkastaa ne: ei hopeapinnoitettuja kosketinpintoja, tiukennettu öljyn säilytys, C5-M-pintakäsittely, vahvistettu korkeuskorjaus ja dokumentoitu maanjäristyskiinnitys. Sitten tavanomainen testiraportti sisältää käynnistystä varten tarvittavat kylmävastus- ja suhdedata, jotka on mitattu toimitettujen napojen mukaan.

Rakennamme 120 000 neliömetrin kokoisessa tilassa, jossa on yli 180 tuotanto- ja testilaitetta sekä 37 patenttia, ja meillä on UL-, CSA-, IEEE-, DEKRA-, CNAS- ja CE-sertifiointien kattavuus. Vuodesta 2023 lähtien Ryan Electric on toiminut Eatonin virallisena yhteisyrityskumppanina, mikä tiukentaa dokumentointistandardejamme. Lähetämme saman alustan yksiköitä korroosiorasitteisille, korkealle sijaitseville ja etäisille paikoille kuin datakeskuksille, energiayhtiöille ja kaivostoiminnalle tarkoitetut yksiköt, joita määritellään paikan todellisten olosuhteiden mukaan.

 

Mitä geotermisessä muuntajassa tarjouspyynnössä tulee mainita

Useimmat geotermiset tarjouspyynnöt, joita saamme, luettelevat jännitteen, tehon ja impedanssin ja pysähtyvät siihen. Nämä kolme kohtaa eivät kuvaile geotermistä käyttöä. Lisää nämä seitsemän tietoa, jotta saat vertailukelpaisen tarjouksen eri toimittajilta:

H2S-konsentraatio. Mitattu ppm-hiukkasmäärä höyryssä tai suolavedessä sekä se, sijaitseeko paikka rannikolla.

Paikan ympäristön lämpötila ja korkeus merenpinnasta. Suunnittelun maksimi ympäristön lämpötila asteikolla °C ja korkeus merenpinnasta.

Korroosioryhmä ja pinnoitejärjestelmä. ISO 12944-2 -luokitus sekä vaadittu kuivapinnoitteen paksuus.

Kuormituskäyrä ja kapasiteettikerroin. Odotettu vuotuinen kuormitettu käyttöaika, ei pelkästään nimellisarvon kVA-arvo.

Käämityksen lämpötilan nousu ja kuumimman kohdan raja-arvo. Ilmoita haluamasi nousuarvo tai pyydä toimittajaa perustelemaan oletusarvo.

Maanjäristysvaatimus. Onko IEEE 693 -vaatimuksen mukainen kvalifiointi vaadittu vai sovelletaanko sivustokohtaisia ankkurointivaatimuksia.

Kuljetusrajoitukset. Suurin yksittäisen osan paino, tieolosuhteiden rajoitukset ja odotetaanko asennusta paikalla.

 

Ennen kuin määrittelet seuraavan maalämmön yksikön

Lähetä meille kenttätiedot – H2S-pitoisuus, ympäristöolosuhteet, korkeus merenpinnasta, maanjäristysvyöhyke ja kuormituskäyrä – ja insinööriryhmämme lähettää takaisin määrittelystä osoittavan tiedotteen, jossa esitetään materiaalikorvaukset, jäähdytyslaskelma ja kuljetussuunnitelma. Miellämme keskustella maalijärjestelmästä paperilla pikemminkin kuin vaihtaa säteilypatteria kentällä.

Tekijästä: Tämän artikkelin ovat kirjoittaneet Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) -yrityksen insinööriryhmän jäsenet, joka valmistaa valurautaisia, öljyssä upotettuja ja maanpäälle asennettavia muuntajia hyödyn, tietokeskujen, uusiutuvan energian tuotannon ja teollisuuden asiakkaille vuodesta 2007 lähtien. Ryhmä työskentelee päivittäin IEEE C57- ja IEC 60076 -vaatimusten kanssa ja tukee kehittäjiä ja EPC-urakoitsijoita määrittelyssä, tehdastesteissä ja kohteessa tapahtuvassa käyttöönotossa.