Geoterminės elektrinės transformatoriai: specifikavimas dėl H2S korozijos, nuolatinės apkrovos ir nuošalių vietų

Rifto slėnyje veikiantis geoterminės elektrinės operatorius po aštuoniolikos mėnesių eksploatacijos grąžino mums 12 MVA pakėlimo transformatorių patikrinimui. Elektrinių gedimų nebuvo. Tačiau sugenda dažniausiai naudojama dažyklė: radiatorių bloko bako danga buvo pūslėjusi iki atskleisto plieno, varinių izoliatorių varžtai tapo žaliai juodi, o kvėpavimo įrenginyje esantis silicio gelis per kelias savaites po paleidimo tamsėjo. Kaltinamasis – vandenilio sulfidas, tas pats dujų mišinys, kuris daro geoterminį lauką vertą gręžti, bet kuris puola viską, kas prie jo pritvirtinta.

Vienetas buvo tinkamai įvertintas. Jis nebuvo tinkamai nurodytas. Ši skirtumo sąlyga nusprendžia, ar geoterminės elektrinės transformatorius suteiks jums dvidešimt penkerius metus nuolatinės apkrovos paslaugos arba bus ištrauktas pirmojo didelio gedimo metu.

 

 

Kodėl geoterminė energija yra sunkesnė apkrova nei saulės ar vėjo energija

JAV Energetikos departamentas apibūdina geoterminę energiją kaip nuolatinės apkrovos energiją su galios koeficientas apytiksliai 90 %, t. y. geoterminė elektrinė beveik nuolat veikia maksimaliu našumu, kompensuodama kintamas energijos šaltinių, tokių kaip vėjo ir saulės energija, apkrovas. Šis vienas skaičius visiškai pakeičia transformatoriaus apkrovos reikalavimus. Visą aprašymą galite perskaityti DOE Geoterminės energetikos tarnybos svetainėje .

Transformatorius sensta ne dėl viršutinės apkrovos, o dėl laiko, praleisto aukštoje temperatūroje. Vienetas saulės elektrinėje stipriai apkraunamas popiet ir ilgą laiką atšyla naktį. Geoterminis vienetas niekada neturi tokio atsigavimo laikotarpio. Jis visą naktį, visus savaitgalius ir visą elektrinės eksploatacijos laikotarpį veikia arti nominalios apkrovos.

Žemiau pateiktoje lentelėje parodyta, kodėl tas pats kVA reitingas reiškia tris skirtingus specifikacijų variantus:

Augalo tipas	Galios koeficientas	Transformatoriaus apkrovos modelis	Pagrindinis įtampa
Solar pv	20% - 25%	Dienos pakilimas, naktinis neveikimo režimas	Šiluminis ciklinimas, inverterių sukeliami harmoniniai iškraipymai
Vėjas	30 % – 45 %	Periodiška, labai kintama	Ciklinė apkrova, apkrova sukeliami harmoniniai iškraipymai
Geoterminiai projektai	apie 90%	Beveik nominalinė apkrova, veikianti 24 valandas per parą, 7 dienas per savaitę	Tolygus vijos karštoji vieta, H2S korozija, nutolusių vietų pasiekiamumas

 

H2S: gedimo rūšis, kuri retai pateikiama techninėje dokumentacijoje

Vandenilis sieros junginys pasitaiko geoterminėje garo ir druskingoje vandens mišinyje koncentracijomis nuo kelių milijonųjų dalių iki kelių šimtų. Tokiose koncentracijose jis nekelia gaisro pavojaus, todėl jo dažnai neatsižvelgiama pirkimo metu. Tačiau jis yra metalų vagis. H2S korozija ypač puola varį ir sidabrą, suformuodama sulfidų plėveles, kurios padidina kontaktinę varžą kiekviename sujungtame ir cinkuotame sujungime elektros srovės kelyje.

Praktikoje tai reiškia atraminės movos varžtus, perjungiamojo jungiklio kontaktus, valdymo laidų prijungimus ir bet kokius sidabru dengtus sujungimus terminalinėje dėžutėje. Atvėrėme geoterminius įrenginius, kurių apvijų izoliacija buvo puiki, tačiau perjungiamojo jungiklio kontaktai buvo priežastis, dėl kurios įrenginys buvo išimtas iš eksploatacijos. Sprendimas – tinkama medžiagų parinktis: visiškai vengti sidabru dengtų paviršių geoterminėms užsakymams, naudoti aliuminizuotus vario ar nikelio dengtus kontaktų paviršius bei sandrinti valdymo skydelį tarpine vietoj grilinio ventiliacijos angos.

Svarbu ir alyvos išsaugojimo sistema. Laisvai kvėpuojantis išplėtimosi bakas kasdien į alyvą įtraukia orą, turintį sieros vandenilio (H₂S), kai talpos viršutinė erdvė susitraukia. Geoterminiam naudojimui nurodome sandrų kvėpuojamąjį įrenginį su oro džiovintuvu arba visiškai hermetišką oležiuje esantis transformatorius konstrukciją, jei galima ją pritaikyti pagal galios rodiklius. Šis vienintelis sprendimas vienu metu apsaugo alyvą, izoliaciją ir perjungiamojo jungiklio kontaktus.

 

Geoterminės elektrinės transformatoriaus parinkimas 90 % naudingumo koeficientui

Atlikite skaičiavimus prieš pasirenkdami klasifikaciją. Esant 90 % galios koeficientas , geoterminis įrenginys per metus kaupia apytiksliai 7 880 apkrautų valandų. Saulės elektrinė esant 25 % kaupia apie 2 190. Todėl geoterminis transformatorius kiekvienais metais yra temperatūroje maždaug tris su puse kartų ilgiau, o šiluminis senėjimas yra kaupiamasis.

Todėl mes nurodome 55 K apvijų temperatūros pakilimą geoterminiam naudojimui, o ne standartinį 65 K, kuris dažniausiai nurodomas skirstomųjų transformatorių specifikacijose. Mažesnis projektuotas temperatūros pakilimas užtikrina žemesnę karščiausiąją vietą, o žemesnė karščiausioji vieta padeda išsaugoti izoliaciją. Šis kompromisas yra tikras: tikėkitės didesnio šerdies, didesnio radiatorių ploto ir sunkesnio baklo tuo pačiu kVA.

Generatoriaus pakėlimo transformatoriai švytėjimo ir dvejetainiuose elektrinėse įprastai padidina generatoriaus įtampą nuo 4,16 kV iki 13,8 kV iki 34,5 kV kolektorinės linijos arba 69–138 kV perdavimo linijos. Vieneto galios parinkimas atliekamas remiantis generatoriaus MVA reikšme ir elektrinės parasitinėmis apkrovomis – aušinimo bokštais, cirkuliaciniais vandens siurbliais, vakuumo sistemomis ir dujų pašalinimu – po to patvirtinant galios reikšmę pagal apkrovos profilį, o ne vieną nominaliąją reikšmę. Jei elektrinė tikisi veikti virš nominaliosios galios garso turtingais laikotarpiais, reikalaukite, kad perkrovos galimybė būtų dokumentuota remiantis IEEE C57.91 apkrovos nurodymais, o ne priimama kaip savaime suprantama.

 

Aušinimas, dengimas ir dažų sistema – techninės specifikacijos reikalavimai

Geoterminiai objektai dažnai yra kranto arba vulkaninėse vietovėse, todėl susiduria su dviem korozijos veiksnių kombinacija: procesinėje pusėje – vandenilio sulfidas, jūros pusėje – chloridais apkrautas oras. Dangos sistema yra techninės specifikacijos elementas, o ne paprastas baigiamasis detalizavimas. Prašyme pateikti pasiūlymą nurodykite korozinės aplinkos klasifikaciją ir privalėkite reikalauti, kad tiekėjas laikytųsi šio reikalavimo. ISO 12944-2 aplinkos klasifikacija apibrėžia C1–CX kategorijas ir yra bendra kalba, kuria gali naudotis tiek pirkėjai, tiek gamintojai; C5-M kategorija apima pakrantės ir jūros sąlygas.

Pakrantės geoterminiam užsakymui mes siūlome epoksidinį grunto sluoksnį, epoksidinį tarpinį sluoksnį ir poliuretaninį viršutinį sluoksnį, kurio bendras išdžiūvusio plėvelės storis yra apie 320 mikrometrų, taikomą ant karštojo švinavimo arba smėlio švarinimo būdu paruoštos pagrindo paviršiaus. Radiatorių grotelės gauna atskirą apdorojimą: geoterminėje elektrinėje grotelės kaupia tiek dulkes, tiek sulfidus, o plonas grotelių dangos sluoksnis, kuris tinka sausumos sąlygomis, gali išnykti per dvi sezonus. Nurodykite grotelių korozijos apsaugą aiškiai.

Aušinimas patikrinamas dar kartą. Įrenginys, veikiantis 24 valandas per parą arti nominalios apkrovos esant aplinkos temperatūrai 40–50 °C, neturi jokios atsargos. Patikrinkite apskaičiuotą vijų karščiausią tašką ne 30 °C aplinkos temperatūroje, o konkrečioje vietovėje, ir įsitikinkite, kad ventiliatoriais padedamo aušinimo etapai nurodyti su nepriklausomais maitinimo šaltiniais, kad valdymo grandinės gedimas neprarastų antrojo aušinimo etapo.

 

Aukštis virš jūros lygio, seismiškai aktyvios zonos ir įrenginio pristatymas į vietovę

Daugelis pasaulio geoterminiuose laukuose yra aukščiau kaip 1000 metrų: Kenijos Olkaria kompleksas, Indonezijos dalys ir dauguma Rytų Afrikos plyšio. Izoliacijos atlaikymo gebėjimas ir aušinimo našumas abu mažėja kylant aukščiau virš jūros lygio, todėl vienetas, nurodytas jūros lygyje, nėra tas pats vienetas 2000 metrų aukštyje. Reikia taikyti mažinimo koeficientus izoliacijos lygiui ir aušinimo skaičiavimui, o skaičiavimą reikia pateikti bandymų ataskaitoje, o ne tik pareikšti kaip teiginį.

Seisminių apkrovų projektavimas yra antrasis geografinis apribojimas. Rift Valley, Islandijos, Indonezijos ir Kalifornijos laukai visi yra aktyviuose seisminiuose rajonuose, o transformatorius yra sunkiausias elementas transformatorinėje pastotėje. Tai reiškia, kad reikia specialaus tvirtinimo konstrukcijos, pagrindo plokštės stiprumo ir, naudmeninėse sistemose, atitikties seisminei kvalifikacijai pagal IEEE 693 standartą. Bendrojo tipo suvirintas rėmas nėra seisminis projektavimas.

Toliau – logistika, kuri dažniau nei bet kuris kitas elektrinis parametras nustebina pirkėjus. Geoterminiai laukai paprastai pasiekiami ilgomis, prastai įrengtomis priėjimo keliais, kuriuose taikomi griežti svorio ribojimai vienam ašies ratui. Visiškai surinkto 40 tonų vieneto pristatymas į nuošalią vietovę gali būti neįmanomas. Praktiškas sprendimas – konstrukcija, kuri vežama atskirais elementais: bakas vežamas be alyvos, radiatorių blokai – atskiruose mediniuose konteineriuose, izoliatoriai – specialiuose dėžėse, o montavimo vietoje pateikiama išsamiai dokumentuota surinkimo eiga su nurodytais veržimo momentais. Mūsų alyva panardinamų transformatorių serija dažnai tiekiama šiuo būdu nuošalioms energijos gamybos projektams.

 

 

Kaip Ryan Electric parengia įrenginį geoterminiam naudojimui

Kiekvienas geoterminis užsakymas praeina kitokiu specifikacijų patikrinimo sąrašu nei standartinis skirstomasis įrenginys. Medžiagų pakeitimai įrašomi medžiagų sąraše, kad pirkėjas galėtų juos patikrinti: be sidabru dengtų kontaktų, sandarios alyvos išsaugojimo, C5-M dengimo, patvirtinto aukščio derinimo ir dokumentuotos seisminių tvirtinimų sistemos.

Mes gaminame 120 000 kvadratinių metrų ploto gamybos įrenginyje, kuriame yra daugiau kaip 180 gamybos ir bandymų įrangos rinkinių bei 37 patentai; taip pat turime UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS ir CE sertifikatus. Nuo 2023 m. „Ryan Electric“ veikia kaip oficialus „Eaton“ bendrojo įmonės partneris, o ši sąsaja dar labiau sustiprino dokumentavimo standartus, kuriuos taikome savo veikloje. Vienetai, kurie siunčiami į aukštos korozijos, didelės aukštumo ir nuošalioms vietoms, yra tos pačios platformos, kurią sukuriame duomenų centrų, energijos tiekimo įmonių ir kalnakasių klientams, tik su specifikacija, atitinkančia faktines vietos sąlygas.

 

Ką įtraukti į geoterminio transformatoriaus užklausą (RFQ)

Dauguma geoterminių RFQ, kurias gauname, nurodo įtampą, galios naudingumą ir impedansą ir čia sustoja. Šie trys parametrai nepakankamai apibūdina geoterminę eksploatavimo sąlygą. Pridėkite šiuos septynis papildomus duomenis – tada gauta pasiūlyma bus palyginama tarp skirtingų tiekėjų:

H₂S koncentracija. Matuota ppm garuose arba druskingame vandenyje, taip pat nurodyti, ar vieta yra pakrantėje.

Vietos aplinkos temperatūra ir aukštis virš jūros lygio. Projektuojama maksimali aplinkos temperatūra laipsniais Celsijaus ir aukštis virš jūros lygio.

Korozijos kategorija ir dengimo sistema. ISO 12944-2 kategorija ir reikalaujamas sausojo sluoksnio storis.

Naštos profilis ir naštos koeficientas. Numatomos metinės apkrautos valandos, o ne tik nominalioji kVA reikšmė.

Apvijų temperatūros pakilimas ir karštojo taško riba. Nurodykite pageidaujamą pakilimą arba paprašykite tiekėjo pagrįsti numatytąją reikšmę.

Seisminių reikalavimų nustatymas. Ar reikalinga IEEE 693 kvalifikacija, ar taikomi vietos tvirtinimo kriterijai.

Vežimo apribojimai. Didžiausia vieno elemento masė, kelių apribojimai ir ar numatyta montuoti vietoje.

 

Prieš nurodydami kitą geoterminį įrenginį

Išsiųskite mums lauko duomenis – H2S koncentraciją, aplinkos sąlygas, aukštį virš jūros lygio, seismines zonas ir apkrovos profilį – ir mūsų inžinerinė komanda parengs specifikacijų lapą, kuriame bus nurodytos medžiagų pakeitimų rekomendacijos, aušinimo skaičiavimai bei vežimo planas. Mes mieliau aptartume dažų sistemą popieriuje nei keistume radiatorių bloką lauke.

Apie autorių: Šį straipsnį parašė Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) inžinerinė komanda – nuo 2007 m. gaminančios liejamojo polimero, aliejuje panardinamų ir ant žemės montuojamų transformatorių įmonės, kuri aptarnauja energetikos įmones, duomenų centrų operatorius, atsinaujinančios energijos gamintojus ir pramonės klientus. Komanda kasdien dirba su IEEE C57 ir IEC 60076 reikalavimais ir remia projektuotojus bei EPC rangovus specifikacijų parengimo, gamyklinių bandymų ir vietos paleidimo etapuose.