Ģeotermālās elektrostacijas transformatori: specifikācija H2S korozijai, ilgstošai slodzei un attāliem objektiem

Ģeotermālās elektrostacijas operators Rift Valley nosūtīja mums 12 MVA paaugstināšanas vienību pārbaudei pēc astoņpadsmit mēnešiem ekspluatācijā. Elektriski nekas nebija sabrukuši. Sabrukusi bija krāsa: tvertnes pārklājums bija pūslējies līdz redzamajam tēraudam radiatoru blokā, vara vārpstas skrūves bija kļuvušas zaļi melnas, un elpošanas sistēmas silikagēla gels pēc ieslēgšanas nedēļās bija kļuvis tumšs. Cēlonis bija ūdeņraža sulfīds — tas pats gāzes veids, kas padara ģeotermālo lauku vērtu urbumu, bet kas iznīcina visu, kas pie tam ir piestiprināts.

Vienība tika pareizi novērtēta. Tā netika pareizi norādīta. Šī atšķirība nosaka, vai ģeotermālās elektrostacijas transformators nodrošina divdesmit piecus gadus pamatnoslodzes pakalpojumu vai tiek izņemts pirmās lielākas avārijas laikā.

 

 

Kāpēc ģeotermālā enerģija ir smagāka ekspluatācijas veida nekā saules vai vēja enerģija

ASV Enerģētikas departaments apraksta ģeotermālo enerģiju kā pamatnoslodzes enerģiju ar jaudas koeficients aptuveni 90 %, kas nozīmē, ka ģeotermālā elektrostacija darbojas gandrīz nepārtraukti maksimālā jaudā, vienlaikus balansējot starpības resursus, piemēram, vēja un saules enerģiju. Šis viens skaitlis pārveido transformatora ekspluatācijas nosacījumus. Pilnu aprakstu var izlasīt DOE Ģeotermālās enerģijas biroja vietnē .

Transformators nevecās tāpēc, ka rodas maksimālā slodze. Tas vecās tāpēc, ka ilgu laiku uzturas augstā temperatūrā. Vienība saules fermā intensīvi strādā pēcpusdienā un pēc tam ilgu, vēsu nakti atgūstas. Ģeotermālā vienība nekad neatgūstas. Tā darbojas tuvu nominālajai slodzei naktī, nedēļas nogalēs un visu elektrostacijas ekspluatācijas laiku.

Tabulā zemāk redzams, kāpēc vienāds kVA reitings nozīmē trīs dažādas specifikācijas:

Augļa tips	Jaudas koeficients	Transformatora slodzes modelis	Dominējošais spriedums
Saules PV	20% - 25%	Ikdienu slodzes pieaugums, naktīs neaktīvs	Termiskā ciklēšana, invertoru harmonikas
Vējš	30% – 45%	Periodisks, ļoti mainīgs	Ciklēšana, slodzes radītās harmonikas
Ģeotermālā enerģija	Aptuveni 90%	Tuvojas nominālajai slodzei, 24 stundas dienā, 7 dienas nedēļā	Ilgstošs tinuma karstā vieta, H2S korozija, attālinātas vietas piekļuve

 

H2S: Bojājumu veids, ko reti norāda specifikācijās

Sūrskābes ūdeņradis parādās geotermālajā tvaikā un brīnā koncentrācijās no dažiem miljoniem daļiņu līdz vairākiem simtiem. Tā līmeņos tas nav ugunsbīstams, un tieši tāpēc to bieži ignorē iepirkumos. Tas ir metālu zagli. H2S korozija uzbrūk vara un sudraba priekšroku dodot, veidojot sulfīdu plēves, kas palielina kontaktu pretestību katrā pieskrūvētajā un pārklātajā savienojumā strāvas ceļā.

Praksē tas nozīmē caurules uzgriežņus, pārslēguma kontaktus, vadības vadiem paredzētos savienojumus un jebkuru sudraba pārklājumu iekšējos savienojumus termināla kastē. Mēs esam atvēruši ģeotermālās vienības, kurās tinumu izolācija bija perfekti testēta, bet pārslēguma kontakti bija iemesls, kāpēc vienībai nācās iziet no ekspluatācijas. Risinājums ir materiālu izvēle: pilnībā izvairīties no sudraba pārklājuma ģeotermālajām pasūtījumiem, izmantot alvas vai niķeļa pārklājumu kontaktu virsmām un noslēgt vadības skapi ar blīvējumu, nevis ar ventilācijas režģi.

Arī eļļas saglabāšanas sistēma ir tikpat svarīga. Brīvi elpojošais rezervuārs katru dienu ievada ūdeņraža sērūdeņa (H2S) piesārņotu gaisu eļļā, kad tvertnes telpas tilpums samazinās. Ģeotermālai ekspluatācijai mēs norādām noslēgtu elpošanas ierīci ar gaisa žāvētāju vai pilnībā hermētisku eļļas pildīts transformators konstrukciju, ja nominālā jauda to atļauj. Šis viens lēmums vienlaikus aizsargā eļļu, izolāciju un pārslēguma kontaktus.

 

Ģeotermālās elektrostacijas transformatora izmēru noteikšana 90 % jaudas koeficientam

Veiciet aritmētiku, pirms izvēlaties klasifikāciju. Pie 90% jaudas koeficients , ģeotermālā iekārta gadā uzkrāj aptuveni 7 880 slodzes stundas. Saules elektrostacija pie 25% uzkrāj aptuveni 2 190 stundas. Tāpēc ģeotermālā transformatora temperatūra katru gadu ilgst aptuveni trīs un pusp reizes ilgāk, un termiskā vecošanās ir kumulatīva.

Tāpēc mēs norādām 55 K vijumu temperatūras paaugstinājumu ģeotermālai ekspluatācijai, nevis standarta 65 K, ko lielākā daļa sadalīšanas specifikāciju paredz. Zemāks projektētais temperatūras paaugstinājums nodrošina zemāku karstāko punktu, bet zemāks karstākais punkts pagarināja izolācijas kalpošanas laiku. Šis kompromiss ir reāls: gaidiet lielāku serde, vairāk radiatora virsmas laukumu un smagāku tvertni tam pašam kVA.

Ģenerators paaugstināšanas transformatori uz flashes un bināro elektrostacijām parasti paaugstina ģeneratora spriegumu no 4,16 kV līdz 13,8 kV līmenim līdz 34,5 kV kolektora vai 69 kV–138 kV pārvades savienojumam. Vienības izmērs jānosaka, pamatojoties uz ģeneratora MVA vērtību un elektrostacijas palīgslodzi — dzesētājtornīm, cirkulējošā ūdens sūkņiem, vakuuma sistēmām un gāzu izvadīšanu — un pēc tam jāapstiprina nominālā jauda, salīdzinot to ar slodzes profilu, nevis vienu nominālvērtību. Ja elektrostacija paredzēta darbināšanai virs nominālās jaudas tvaika bagātības periodos, jāpieprasa pārslodzes spējas dokumentēšana atbilstoši IEEE C57.91 slodzes vadlīnijām, nevis to pieņemt kā pašsaprotamu.

 

Dzesēšana, pārklājums un krāsu sistēmas specifikācija

Ģeotermālās vietnes bieži atrodas piekrastē vai vulkāniskās zonās, tāpēc divi korozijas faktori savstarpēji pastiprina viens otru: ūdeņraža sulfīds no procesa puses un hlorīdiem piesātināts gaiss no jūras puses. Pārklājuma sistēma ir specifikācijas pozīcija, nevis beidzoša detaļa. RFQ dokumentā jānorāda korozivitātes kategorija un piegādātājs jāpiesaista šai prasībai. ISO 12944-2 vides vides vides klasifikāciju nosaka C1 līdz CX kategorijas un ir kopējā valoda, ko var izmantot gan pircēji, gan ražotāji; C5-M ir kategorija, kas aptver piekrastes un jūras ietekmi.

Piekrašu ģeotermālajam pasūtījumam mēs piedāvājam epoksīda grunti, epoksīda starpslāni un poliuretāna augšējo pārklājumu ar kopēju sauso plēves biezumu aptuveni 320 mikrometriem, kas tiek uzklāts uz karsti imerģēti cinkota vai smilšstrādāta pamatnes. Radiatora lāpstiņām paredzēta atsevišķa apstrāde: ģeotermālajā stacijā lāpstiņas uzkrāj gan putekļus, gan sulfīdus, un tievā lāpstiņu pārklājuma kārtiņa, kas ir piemērota iekšzemes apstākļos, var pazust divu sezonu laikā. Norādiet lāpstiņu korozijas aizsardzību īpaši.

Arī dzesēšanai pašai vajadzētu pievērst papildu uzmanību. Ierīce, kas darbojas tuvu nominālajai slodzei 24 stundas dienā un 7 dienas nedēļā ar apkājējās vides temperatūru no 40 līdz 50 °C, nav nekādas rezerves jaudas zaudējumiem. Pārbaudiet aprēķināto tinumu karstāko vietu vietējās apkājējās vides temperatūrā, nevis 30 °C temperatūrā, un pārliecinieties, ka ventilatora palīdzītā dzesēšanas posmi ir norādīti ar neatkarīgām barošanas avotiem, lai vadības ķēdes kļūme nepazaudētu otrā dzesēšanas posma darbību.

 

Augstums virs jūras līmeņa, seismiskās zonas un ierīces transportēšana uz objekta vietu

Daudzas pasaules geotermālās laukumi atrodas augstāk par 1000 metriem virs jūras līmeņa: Kenijas Olkaria komplekss, Indonēzijas dažas teritorijas un lielākā daļa Austrumāfrikas plaisas. Izolācijas izturība un dzesēšanas veiktspēja abas samazinās, palielinoties augstumam virs jūras līmeņa, tāpēc ierīce, kas norādīta jūras līmenī, nav tā pati ierīce 2000 metru augstumā. Jāpiemēro jaudas samazināšanas koeficienti izolācijas līmenim un dzesēšanas aprēķinam, un šis aprēķins jāiekļauj testa ziņojumā, nevis jānorāda tikai kā apgalvojums.

Seismiskā projektēšana ir otra ģeogrāfiskā ierobežojuma veids. Rift Valley, Islandes, Indonēzijas un Kalifornijas lauki visi atrodas aktīvās seismiskās zonās, un transformators ir smagākais elements transformatorpostenī. Tas nozīmē, ka jāveic stiprinājuma konstrukcijas un pamatnes plāksnes izturības aprēķini, kā arī komunālo projektu gadījumā jāveic seismiskā kvalifikācija saskaņā ar IEEE 693 standartu. Vispārīga metināta platforma nav seismiski projektēts risinājums.

Tad ir loģistika, kas pircējus pārsteidz biežāk nekā jebkurš elektrotehniskais parametrs. Geotermālie lauki parasti ir pieejami pa garām, slikti apbūvētām piebrauktuves ceļām ar stingriem svara ierobežojumiem uz katru ass. 40 tonnu liela pilnībā komplektēta vienība nav iespējams nogādāt tālākajā laukā. Praktiskais risinājums ir konstrukcija, kas tiek transportēta daļās: tvertne tiek nosūtīta bez eļļas, radiatori – atsevišķi kastēs, izolatori – speciālos konteineros, un piegādes vietā ir dokumentēta montāžas secība ar norādītajām piespieguma momenta vērtībām. Mūsu eļļā iegremdēto transformatoru klāsts parasti tiek piegādāts šādā konfigurācijā attālinātiem ģenerācijas projektiem.

 

 

Kā Ryan Electric sagatavo vienību ģeotermiskai darbībai

Katrs ģeotermiskais pasūtījums tiek pārbaudīts pēc cita specifikāciju pārbaudes saraksta nekā standarta sadalīšanas vienība. Materiālu aizvietojumi tiek reģistrēti materiālu sarakstā, lai pircējs varētu tos pārbaudīt: bez sudraba pārklātiem kontaktiem, noslēgta eļļas saglabāšana, C5-M pārklājums, verificēta augstuma jaudas samazināšana, dokumentēta seismiskā fiksācija. Tad rutīnas testa ziņojumā iekļauj aukstuma pretestības un attiecības datus, kas nepieciešami nodošanai ekspluatācijā, mērot pret faktiski piegādātajām tapu pozīcijām.

Mēs ražojam 120 000 kvadrātmetru lielā objektā ar vairāk nekā 180 ražošanas un testēšanas iekārtu komplektiem un 37 patentiem, kā arī esam ieguvuši UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS un CE sertifikāciju. Kopš 2023. gada Ryan Electric darbojas kā Eaton oficiālais kopuzņēmuma partneris, un šī sadarbība nostiprināja dokumentācijas standartus, kuriem mēs pakļaujamies. Vienības, ko nosūtām augstas korozijas, augstas altitūdas un attālinātās vietās, ir tā pati platforma, ko mēs izstrādājam datu centriem, komunālajiem pakalpojumiem un raktuvju klientiem, un tās ir specifikācijas, kas atbilst faktiskajām vietnes apstākļiem.

 

Ko iekļaut geotermiskā transformatora pieprasījumā (RFQ)

Vairums geotermisko RFQ, ko mēs saņemam, norāda spriegumu, jaudu un impedansi un tur beidzas. Šie trīs parametri nepietiekami apraksta geotermisko ekspluatācijas režīmu. Pievienojiet šos septiņus papildu parametrus, lai iegūtu salīdzināmus piedāvājumus no dažādiem piegādātājiem:

H2S koncentrācija. Izmērītā ppm tvaikā vai brīnē, kā arī informācija par to, vai vieta atrodas pie jūras.

Vietnes apkājējā temperatūra un augstums virs jūras līmeņa. Projektētā maksimālā apkājējā temperatūra grādos Celsija un augstums virs jūras līmeņa.

Korozijas kategorija un pārklājuma sistēma. ISO 12944-2 kategorija plus nepieciešamais sausās plēves biezums.

Slodzes profils un jaudas koeficients. Gaidāmais gada slodzes stundu skaits, ne tikai vērtība uz plāksnītes (kVA).

Vijumu temperatūras pieaugums un karstā punkta ierobežojums. Norādiet vēlamo pieaugumu vai lūdziet piegādātāju pamatot noklusējuma vērtību.

Seismiskās prasības. Vai ir nepieciešama IEEE 693 kvalifikācija vai piemērojami vietējās vietas stiprinājuma kritēriji.

Transporta ierobežojumi. Maksimālais gabala svars, ceļu ierobežojumi un vai paredzēta montāža vietā.

 

Pirms Jūs norādāt nākamo zemes siltuma vienību

Nosūtiet mums lauka datus — H2S koncentrāciju, apkārtējo vidi, augstumu virs jūras līmeņa, seismisko zonu un slodzes profilu — un mūsu inženieru komanda atgriezīsies ar specifikācijas lapu, kurā būs norādītas materiālu aizvietošanas iespējas, dzesēšanas aprēķini un transportēšanas plāns. Mēs vairāk vēlamies diskutēt par krāsošanas sistēmu uz papīra nekā nomainīt radiatoru bloku laukā.

Par autoru: Šo rakstu sagatavoja inženieru komanda uzņēmumā Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), kas ražo liektus rezinā, eļļā iegremdētus un uz pamatnes montējamus transformatorus un kopš 2007. gada kalpo komunālajiem pakalpojumiem, datu centriem, atjaunojamās enerģijas ģenerācijai un rūpnieciskajiem klientiem. Komanda ikdienā strādā ar IEEE C57 un IEC 60076 prasībām un atbalsta izstrādātājus un EPC uzņēmumus specifikāciju izstrādē, rūpnīcas testēšanā un objekta nodošanā ekspluatācijā.