Geotermikus erőművi transzformátorok: Meghatározás kénsavas (H2S) korrózióra, folyamatos terhelésre és távoli helyszínekre

Egy rift-völgyi geotermikus üzemeltető tizennyolc hónapos üzemeltetés után egy 12 MVA-os feszültségnövelő egységet küldött vissza ellenőrzésre. Az elektromos részen semmi nem hibásodott meg. A festék viszont meghibásodott: a tartály bevonata a radiátorbank mentén hólyagossá vált, és a fémes alapanyag láthatóvá vált; a réz csatlakozódugók zöld-fekete színűvé váltak; a légtisztító szilicagélje a beüzemelés utáni hetek alatt sötétedett el. A felelős a hidrogén-szulfid (H2S), ugyanaz a gáz, amely miatt egy geotermikus mező érdemes fúrásra – és ugyanaz, amely minden rögzített alkatrészt tönkreteszt.

Az egységet helyesen értékelték. Nem helyesen határozták meg. Ez a különbség dönti el, hogy egy geotermikus erőművi transzformátor huszonöt évig nyújt alapterheléses szolgáltatást, vagy első nagyobb meghibásodás esetén kivonják.

 

 

Miért nehezebb a geotermikus üzemelés, mint a napelemes vagy szélerőművi

Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma a geotermikust alapterheléses energiaként írja le, amelynek terhelési tényező kihasználtsága kb. 90%, azaz egy geotermikus erőmű majdnem folyamatosan maximális teljesítményen üzemel, miközben kiegyensúlyozza az időszakosan rendelkezésre álló forrásokat, például a szél- és napenergiát. Ez az egyetlen szám átformálja a transzformátor terhelési profilját. A teljes leírást elolvashatja a DOE Geotermikus Hivatalának weboldalán .

Egy transzformátor nem a csúcsterhelés miatt öregszik. Az időtartam miatt öregszik a magas hőmérsékleten. Egy naperőműben üzemelő egység délután intenzív terhelésnek van kitéve, majd hosszú, hűvös éjszakája van a regenerálódásra. Egy geotermikus egység soha nem kap ilyen regenerálódási időszakot. Éjjel-nappal, hétvégén és az erőmű teljes üzemideje alatt is közel névleges terhelésen marad.

Az alábbi táblázat bemutatja, miért jelent ugyanaz a kVA-jelölés három különböző műszaki leírást:

Növénytípus	Terhelési tényező	Transzformátor terhelési mintázata	Uralkodó feszültség
Napenergiával	20% - 25%	Napi emelkedés, éjszakai tétlenség	Hőciklusok, inverterekből származó harmonikusok
Szél	30% – 45%	Időszakos, erősen változó	Ciklikus terhelés, terhelésből származó harmonikusok
Geotermikus	körülbelül 90%	Közel névleges terhelés, folyamatosan, 24 órán át, 7 napig	Folyamatosan magas hőmérsékletű tekercsforrópont, H2S-korrózió, távoli helyszín elérése

 

H2S: A meghibásodási mód, amely ritkán szerepel a műszaki adatlapon

A hidrogén-szulfid a geotermális gőzben és sósvízben néhány ppm-től több száz ppm-ig terjedő koncentrációban fordul elő. Ilyen szinteken nem tűzveszélyt jelent, és éppen ezért gyakran figyelmen kívül hagyják a beszerzési folyamatok során. Ami valójában, az egy fémlopó. H2S-korrózió elsősorban a rézre és az ezültre támad, szulfidrétegeket képezve, amelyek növelik a kapcsolódási ellenállást minden csavart és bevonatos csatlakozási ponton az áramút mentén.

Gyakorlatilag ez azt jelenti, hogy a csapágytömbök rögzítőcsavarjai, a fokozatszabályzó érintkezői, a vezérlővezetékek végpontjai, valamint bármely ezüstbevonatos csatlakozás a csatlakozódobozon belül. Olyan geotermális egységeket is kinyitottunk, ahol a tekercs szigetelése tökéletesen vizsgálódott, de a fokozatszabályzó érintkezői miatt kellett kivonni az egységet a szolgálatból. A megoldás az anyagválasztás: geotermális rendeléseknél teljesen kerülni kell az ezüstbevonatot, helyette cinkbevonatos vagy nikkelbevonatos érintkezőfelületeket kell alkalmazni, és a vezérlőszekrényt gumitömítéssel, nem pedig rácsos szellőzőnyílással kell lezárni.

Az olajmegőrző rendszer ugyanolyan fontos. Egy szabad légzésű olajtartály minden nap hidrogén-ként-szulfidot (H2S) tartalmazó levegőt szív be az olajba, amikor a tartály felett lévő tér összehúzódik. A geotermikus üzemeléshez levegőszárítóval ellátott zárt légzőkészüléket, vagy teljesen hermetikusan zárt kivitelt írunk elő, ha a névleges teljesítmény ezt lehetővé teszi. olajimmersziós transzformátor ez az egyetlen döntés egyszerre védi az olajat, a szigetelést és a kapcsoló érintkezőit.

 

Geotermikus erőművi transzformátor méretezése 90%-os kihasználtsági tényezőhöz

Végezze el a számításokat, mielőtt kiválasztja a névleges teljesítményt. 90%-os terhelési tényező , egy geotermikus berendezés évente kb. 7 880 terhelt órát gyűjt össze. Egy napelemes erőmű 25%-os kihasználtsági tényező mellett kb. 2 190-et. Ezért a geotermikus transzformátor évente körülbelül három és fél alkalommal több órán keresztül marad hőmérséklet alatt, és a hő okozta öregedés összeadódik.

Ez az oka annak, hogy a geotermikus üzemmódra 55 K-os tekercshőmérséklet-emelkedést adjunk meg, nem pedig az alapértelmezett 65 K-ot, amelyet a legtöbb elosztási szabvány tartalmaz. Az alacsonyabb tervezési emelkedés alacsonyabb forrópontot eredményez, az alacsonyabb forrópont pedig hosszabb szigetelési élettartamot biztosít. A kompromisszum valós: nagyobb magot, több hűtőfelületet és nehezebb tartályt várhat ugyanazon kVA-tól.

A villamosgenerátor-fokozó transzformátorok a villám- és bináris erőművekben általában a generátor feszültségét – 4,16 kV és 13,8 kV között – 34,5 kV-os gyűjtővezetékre vagy 69–138 kV-os távvezetéki kapcsolatra emelik. A berendezés méretét a generátor MVA-jának és az erőmű parasztikus terhelésének – hűtőtorony, keringtető vízszivattyúk, vákuumrendszerek és gázeltávolítás – összegére kell meghatározni, majd a névleges teljesítményt a terhelésprofil alapján, nem pedig egyetlen névplakett-érték alapján kell ellenőrizni. Ha az erőmű a gőzgazdag időszakokban a névleges teljesítmény fölött fog üzemelni, kérje, hogy az túlterhelési képességet az IEEE C57.91 terhelési útmutató szerint dokumentálják, ne pedig feltételezzék.

 

Hűtés, bevonat és festékrendszer-specifikáció

A geotermikus helyszínek gyakran partvidéki vagy vulkáni területeken találhatók, így két korróziós tényező egyidejűleg hat: a folyamat oldaláról származó hidrogén-szulfid és a tengeri oldalról érkező klórionokat tartalmazó levegő. A bevonatrendszer nem egy befejező részlet, hanem specifikációs elem. Nevezze meg a korróziós kategóriát az ajánlatkérésben, és kötelezze a beszállítót ennek betartására. A ISO 12944-2 környezeti osztályozása meghatározza a C1–CX kategóriákat, és ez a közös nyelv, amelyet a vásárlók és a gyártók egyaránt használhatnak; a C5-M kategória fogja fel a partvidéki és tengeri kitettséget.

Egy partvidéki geotermikus rendelés esetén egy epoxi alapozó, egy epoxi köztes réteg és egy poliuretán fedőbevonat rendszerét ajánljuk, amelynek összes száraz rétegvastagsága körülbelül 320 mikrométer, és amelyet forró-merítéses cinkbevonatos vagy homokfúvásos alapfelületre viszünk fel. A hűtőbordák külön kezelést igényelnek: egy geotermikus erőműben a bordák mind porral, mind szulfiddal is telepednek, és egy olyan vékony bordabevonat, amely belső területeken megfelelő, két év alatt eltűnhet. A bordák korrózióvédelmét kifejezetten szabja meg.

A hűtés maga is újraértékelést igényel. Egy egység, amely a névleges terhelés közelében üzemel 24 órában, 7 napban, 40–50 °C-os környezeti hőmérséklet mellett, nem rendelkezik tartalékkal. Ellenőrizze a számított tekercsmelegpontot a tényleges helyszíni környezeti hőmérsékleten, ne 30 °C-on, és győződjön meg arról, hogy a ventilátoros hűtési fokozatokat független tápegységekkel határozták meg, így egy vezérlőkör-hiba ne vonja maga után a második hűtési fokozat elvesztését.

 

Tengerszint feletti magasság, szeizmikus zónák és az egység szállítása a helyszínre

A világ geotermikus mezőinek nagy része 1000 méternél magasabban helyezkedik el: Kenyában az Olkaria-komplexum, Indonézia egyes részei, valamint az Afrikai Keleti-hasadék nagy része. A szigetelés feszültségállósága és a hűtési teljesítmény egyaránt csökken a tengerszint feletti magassággal, ezért egy tenger szintjén megadott egység nem azonos egy 2000 méteres magasságban üzemelő egységgel. A szigetelési szintre és a hűtési számításra derating-tényezőket kell alkalmazni, és a számítást a vizsgálati jelentésben kell feltüntetni, ne pedig kijelentésként megfogalmazni.

A földrengésbiztos tervezés a második földrajzi korlátozó tényező. A Rift-völgyi, izlandi, indonéz és kaliforniai mezők mind aktív földrengésövezetekben helyezkednek el, és a transzformátor a legnehezebb elem az alállomásban. Ez azt jelenti, hogy a rögzítési megoldások, az alaplemez szilárdsága, valamint a közműprojektek esetében az IEEE 693 szabványnak megfelelő földrengésbiztos minősítés szükséges. Egy általános, hegesztett sínpad nem tekinthető földrengésbiztos tervezésnek.

Ezután a logisztika következik, amely gyakrabban meglepi a vásárlókat, mint bármelyik elektromos paraméter. A geotermikus mezők általában hosszú, rossz minőségű, szűk tengelyterhelési korlátozással rendelkező hozzáférési utakon érhetők el. Egy teljesen összeszerelt, 40 tonnás egység szállítása egy távoli mezőre gyakran lehetetlen. A gyakorlati megoldás egy olyan tervezés, amely részekben érkezik: a tartály olaj nélkül szállítva, a hűtőbordák külön dobozolva, a csatlakozók speciális dobozokban, és dokumentált telepítési sorrenddel a helyszínen, beleértve a megfelelő nyomatékértékeket is. A mi olajjal hűtött transzformátor-sorozatunk rendszeresen ebben a konfigurációban kerül szállításra távoli generációs projektekhez.

 

 

Ryan Electric hogyan készít egy egységet geotermikus üzemre

Minden geotermikus rendelés más specifikációs ellenőrzőlistán megy keresztül, mint egy szokásos elosztóegység. Az anyagcserék a szerelési anyaglista (BOM) dokumentálva vannak, így a vevő ellenőrizheti őket: nincs ezüstbevonatos érintkező, zárt olajmegőrzés, C5-M bevonat, ellenőrzött magasságkorrekció, dokumentált szeizmikus rögzítés. A rutin tesztjelentés ezután tartalmazza a beüzemeléshez szükséges hideg-ellenállás- és arányadatokat, amelyeket a ténylegesen szállított csatlakozási helyzetek alapján mértek.

Egy 120 000 négyzetméteres gyártóüzemben gyártunk, ahol több mint 180 darab gyártási és tesztelési berendezés áll rendelkezésre, valamint 37 szabadalommal rendelkezünk; emellett birtokoljuk az UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS és CE tanúsításokat. 2023 óta a Ryan Electric hivatalos közös vállalati partnere az Eaton cégnek, és ez a kapcsolat szigorúbb dokumentációs szabványok alkalmazását eredményezte nálunk. Azokat az egységeket, amelyeket magas korrodálhatóságú, nagy magasságban fekvő vagy távoli helyszínekre szállítunk, ugyanazon platformra építjük, mint amit adatközpontok, közművek és bányavállalatok számára kínálunk, és a tényleges helyszíni körülményekhez igazítjuk a specifikációkat.

 

Mit kell feltüntetni egy geotermikus transzformátorra szóló ajánlatkérésben

A legtöbb geotermikus ajánlatkérés, amelyet kapunk, csak a feszültséget, a névleges teljesítményt és az impedanciát sorolja fel, és ezzel megáll. E három adat nem írja le a geotermikus üzemeltetési körülményeket. Adjuk hozzá ezeket a hét tényezőt, és az így kapott árajánlatok összehasonlíthatók lesznek a különböző szállítók között:

H2S-koncentráció. A gőzben vagy a sós vízben mért ppm érték, valamint annak megadása, hogy a helyszín tengerparti-e.

A helyszín környezeti hőmérséklete és tengerszint feletti magassága. A tervezési maximális környezeti hőmérséklet °C-ban és a tengerszint feletti magasság.

Korróziós kategória és bevonatrendszer. ISO 12944-2 kategória plusz a szükséges száraz rétegvastagság.

Terhelési profil és kapacitásfaktor. Várható éves terhelt üzemórák száma, nem csupán a névleges kVA érték.

Tekercsek hőmérséklet-emelkedése és forrópont-határ. Addja meg a kívánt értéket, vagy kérje a szállítótól a szokásos érték indoklását.

Földrengés-ellenállási követelmény. Szükséges-e az IEEE 693 szerinti minősítés, vagy helyszínspecifikus rögzítési kritériumok érvényesek.

Szállítási korlátozások. Maximális daragsúly, úti korlátozások és a helyszíni összeszerelés elvárása.

 

Mielőtt megadja a következő geotermikus egységet

Küldje el nekünk a mezői adatokat – a H2S-koncentrációt, a környezeti hőmérsékletet, a tengerszint feletti magasságot, a szeizmikus zónát és a terhelésprofilot – és mérnöki csapatunk visszaküld egy specifikációs lapot, amely tartalmazza az anyagcseréket, a hűtési számításokat és a szállítási tervet. Inkább papíron vitatkozunk a festékről, mintsem mezőn cseréljünk le egy radiátorbankot.

A szerzőről: Ezt a cikket a Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) mérnöki csapata írta, egy 2007 óta működő gyártó, amely öntött műgyantás, olajjal töltött és pad-mounthoz készült transzformátorokat gyárt hasznosító, adatközponti, megújuló energiatermelési és ipari ügyfelek számára. A csapat naponta dolgozik az IEEE C57 és az IEC 60076 előírásokkal, és támogatja a fejlesztőket és az EPC-kivitelezőket a specifikációban, a gyári tesztelésben és a helyszíni üzembe helyezésben.