Transformatoare pentru centrale geotermale: Specificații privind coroziunea cauzată de H2S, sarcina continuă și amplasamentele izolate

Un operator geotermal din Valea Riftului ne-a trimis înapoi, pentru inspecție, o unitate de ridicare a tensiunii de 12 MVA, după optsprezece luni de funcționare. Nimic nu eșuase din punct de vedere electric. Ceea ce eșua era vopseaua: stratul de acoperire al carcasei era umflat până la expunerea oțelului, în special de-a lungul bateriei de radiatoare; șuruburile din cupru ale izolatorilor de trecere deveniseră verzi-negre; iar gelul de siliciu din dispozitivul de respirație se întunecase în câteva săptămâni după punerea în funcțiune. Cauza? Sulfura de hidrogen (H2S) — același gaz care face un câmp geotermal rentabil pentru foraj atacă orice element fixat de el.

Unitatea a fost corect evaluată. Nu a fost corect specificată. Această diferență decide dacă un transformator pentru centrală geotermală vă oferă douăzeci și cinci de ani de serviciu de bază sau este scos din funcțiune la prima defecțiune majoră.

 

 

De ce geotermia reprezintă o sarcină mai dificilă decât energia solară sau eoliană

Departamentul American al Energiei descrie geotermia ca fiind energie de bază cu un factor de capacitate factor de utilizare de aproximativ 90 %, ceea ce înseamnă că o centrală geotermală funcționează la puterea maximă aproape în mod continuu, echilibrând resursele intermitente, cum ar fi cele eoliană și solară. Acest singur număr redefinește sarcina transformatorului. Puteți citi descrierea completă pe Site-ul Biroului de Geotermie al DOE .

Un transformator nu îmbătrânește din cauza sarcinii de vârf. El îmbătrânește din cauza duratei petrecute la temperatură ridicată. O unitate de pe o fermă solară suferă o sarcină intensă în după-amiază și are o noapte lungă și rece pentru a se regenera. O unitate geotermală nu beneficiază niciodată de acest interval de regenerare. Ea funcționează în permanență aproape de sarcina nominală, atât noaptea, cât și în week-enduri, pe întreaga durată de viață a centralei.

Tabelul de mai jos arată de ce aceeași valoare nominală în kVA înseamnă trei specificații diferite:

Tip de plantă	Factor de capacitate	Regimul de încărcare al transformatorului	Solicitarea predominantă
Energie solară	20% - 25%	Creștere zilnică, funcționare în gol în timpul nopții	Ciclare termică, armonici provenite din invertori
Vânt	30% – 45%	Intermitent, foarte variabil	Ciclare, armonici generate de sarcină
Geotermal	aproximativ 90%	În apropierea sarcinii nominale, 24/7	Puncte fierbinți continue în înfășurări, coroziune cauzată de H2S, acces la site-uri îndepărtate

 

H2S: Modul de defect care rareori apare în fișa tehnică

Sulfura de hidrogen apare în aburul geotermal și în apă sărată la concentrații de la câteva părți pe milion până la câteva sute. Nu reprezintă un risc de incendiu la aceste niveluri, iar acest lucru este exact motivul pentru care este ignorată în procesul de achiziție. Ceea ce este, de fapt, este un „furtător de metale”. Coroziune cauzată de H2S atacă cuprul și argintul în mod preferențial, formând filme de sulfid care măresc rezistența de contact la fiecare joncțiune strânsă cu șuruburi sau placată din calea curentului.

În practică, acest lucru înseamnă bolțuri pentru bucșe, contacte ale comutatorului de prize, terminații ale cablurilor de comandă și orice conexiune plăcută cu argint din interiorul cutiei de borne. Am deschis unități geotermale în care izolația înfășurărilor a fost perfectă, dar contactele comutatorului de prize au fost motivul pentru care unitatea a trebuit scoasă din funcțiune. Soluția constă în selecția materialelor: evitați complet placarea cu argint pentru comenzile geotermale, înlocuiți-o cu suprafețe de contact din cupru staniat sau nichelat și etanșați cabinetul de comandă cu o garnitură, nu cu o ventilare cu jaluzele.

Sistemul de conservare a uleiului este la fel de important. Un conservator cu respirație liberă atrage zilnic în ulei aer încărcat cu H2S, pe măsură ce volumul de aer din partea superioară a rezervorului se contractă. Pentru aplicații geotermale specificăm un respirator etanș cu uscător de aer sau o construcție complet etanșată, transformator Imers în Ulei acolo unde puterea nominală o permite. Această singură decizie protejează simultan uleiul, izolația și contactele comutatorului de prize.

 

Dimensionarea transformatorului pentru o centrală electrică geotermală pentru un factor de capacitate de 90%

Efectuați calculul aritmetic înainte de a alege o clasă de performanță. La un factor de încărcare de 90% factor de capacitate , o unitate geotermală acumulează aproximativ 7.880 de ore încărcate pe an. O centrală solară, la un factor de încărcare de 25%, acumulează aproximativ 2.190 de ore. Transformatorul geotermal petrece, astfel, de circa trei ori și jumătate mai mult timp la temperatură în fiecare an, iar îmbătrânirea termică este cumulativă.

Aceasta este motivul pentru care specificăm o creștere a temperaturii înfășurărilor de 55 K pentru serviciul geotermal, în locul valorii implicite de 65 K prevăzute în majoritatea specificațiilor pentru transformatori de distribuție. O creștere mai mică a temperaturii în proiectare asigură o temperatură mai scăzută în punctul cel mai cald, iar o temperatură mai scăzută în punctul cel mai cald extinde durata de viață a izolației. Compromisul este real: așteptați-vă la un miez mai mare, o suprafață mai mare de radiatoare și un rezervor mai greu pentru aceeași valoare de kVA.

Transformatorii de ridicare ai generatorului din centralele cu vaporizare rapidă și cele binare ridică în mod obișnuit tensiunea generatorului, aflată în intervalul 4,16 kV – 13,8 kV, până la o tensiune de colectare de 34,5 kV sau la o conexiune de transport de 69 kV – 138 kV. Dimensiunea unității se stabilește pe baza puterii aparente (MVA) a generatorului, plus sarcina parazitară a centralei – turnuri de răcire, pompe pentru apă de circulație, sisteme de vid și extracție a gazelor – iar apoi se verifică ratingul față de profilul de sarcină, nu față de o singură valoare nominală indicată pe plăcuța de identificare. Dacă centrala va funcționa frecvent peste puterea nominală în perioadele cu exces de abur, cereți ca capacitatea de suprasarcină să fie documentată conform ghidului IEEE C57.91 privind încărcarea transformatorilor, nu presupusă.

 

Răcire, acoperire și specificația sistemului de vopsire

Site-urile geotermale sunt adesea situate în zone costale sau vulcanice, astfel încât doi factori de coroziune se suprapun: sulfura de hidrogen provenită din partea procesului și aerul încărcat cu cloruri provenit din mediul marin. Sistemul de acoperire este un element specificat, nu un detaliu de finisare. Indicați categoria de corozivitate în cererea de ofertă (RFQ) și impuneți furnizorului respectarea acesteia. The Clasificarea mediilor conform ISO 12944-2 definește categoriile C1 până la CX și reprezintă limbajul comun pe care cumpărătorii și producătorii îl pot folosi amândoi; C5-M este categoria care acoperă expunerea în zonele de coastă și marine.

Pentru o comandă geotermală de coastă, oferim un sistem de vopsire format dintr-un grund epoxidic, un strat intermediar epoxidic și un strat de finisare poliuretanic, cu o grosime totală a filmului uscat de aproximativ 320 de micrometri, aplicat pe o suprafață zincată prin imersie în topitură sau sablată. Aripile radiatorului necesită o tratare separată: într-o centrală geotermală, acestea acumulează atât praf, cât și sulfuri, iar un strat subțire de protecție anticorozivă, adecvat în zonele interioare, poate dispărea în doar două sezoane. Specificați explicit protecția anticorozivă pentru aripile radiatorului.

Răcirea în sine necesită, de asemenea, o verificare suplimentară. Un echipament care funcționează aproape la sarcina nominală 24 de ore pe zi, într-un mediu cu temperaturi de 40–50 °C, nu are niciun surplus de siguranță. Verificați temperatura maximă calculată în punctul cel mai fierbinte al înfășurării, corespunzătoare temperaturii ambiante de la locul de instalare, nu celei de 30 °C, și asigurați-vă că etapele de răcire cu ventilator sunt specificate cu surse de alimentare independente, astfel încât o defectare a circuitului de comandă să nu compromită funcționarea celei de-a doua etape de răcire.

 

Altitudine, zone seismice și transportul echipamentului până la locul de instalare

Multe dintre câmpurile geotermale ale lumii se află la altitudini superioare lui 1.000 m: complexul Olkaria din Kenya, unele regiuni din Indonesia și o mare parte din Riftul African de Est. Rezistența izolației și performanța de răcire scad odată cu creșterea altitudinii; prin urmare, un echipament specificat pentru nivelul mării nu este identic cu același echipament la 2.000 m. Factorii de reducere trebuie aplicați atât nivelului de izolație, cât și calculului de răcire, iar acest calcul trebuie prezentat în raportul de încercare, nu doar menționat ca o afirmație.

Proiectarea seismică este a doua constrângere geografică. Câmpurile din Valea Rift, Islanda, Indonezia și California se află toate în zone seismice active, iar transformatorul este cel mai greu element din stația de transformare. Acest lucru înseamnă că trebuie proiectate ancorarea, rezistența plăcii de bază și, în cazul proiectelor pentru rețelele de distribuție, calificarea seismică conform standardului IEEE 693. O platformă sudată generică nu constituie o soluție de proiectare seismică.

Apoi există logistica, care surprinde cumpărătorii mai frecvent decât orice parametru electric. Câmpurile geotermale sunt de obicei accesate prin drumuri lungi, slab asfaltate și cu limite stricte de greutate pe axă. Transportul unui ansamblu complet montat de 40 de tone către un câmp izolat poate fi imposibil. Soluția practică constă într-un design care se transportă în piese separate: rezervorul, fără ulei, într-un container separat; radiatoarele, ambalate în coșuri speciale; izolatoarele, în containere dedicate; și o procedură documentată de asamblare la fața locului, inclusiv valorile de cuplu necesare. Produsul nostru seria de transformatoare cu ulei este livrat în mod curent în această configurație pentru proiectele de generare la distanță.

 

 

Cum pregătește Ryan Electric o unitate pentru utilizare geotermală

Fiecare comandă geotermală este supusă unui checklist de specificații diferit față de cel al unei unități standard de distribuție. Substituirea materialelor este înregistrată în lista de materiale, astfel încât cumpărătorul să poată verifica aceste modificări: fără contacte plăcuțate cu argint, conservare a uleiului în mediu etanș, acoperire C5-M, reducere verificată a performanței în funcție de altitudine, ancorare seismică documentată. Raportul de testare rutinier conține apoi datele privind rezistența la rece și raportul de transformare necesare punerii în funcțiune, măsurate în raport cu pozițiile efective ale prizelor furnizate.

Construim într-o instalație de 120.000 de metri pătrați, dotată cu peste 180 de seturi de echipamente pentru producție și testare, precum și cu 37 de brevete; de asemenea, deținem certificări UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS și CE. Din 2023, Ryan Electric funcționează ca partener oficial de joint venture al Eaton, iar această relație a sporit standardele de documentare la care ne conformăm. Unitățile pe care le livrăm în zone cu coroziune ridicată, la altitudine mare sau în locații izolate se bazează pe aceeași platformă pe care o construim pentru clienții din domeniul centrelor de date, al serviciilor publice și al mineritului, adaptată exact condițiilor reale ale locației.

 

Ce să includeți în cererea de ofertă pentru un transformator geotermal

Majoritatea cererilor de ofertă geotermale pe care le primim specifică tensiunea, puterea nominală și impedanța, iar apoi se opresc aici. Aceste trei elemente nu descriu o sarcină geotermală. Adăugați aceste șapte parametri suplimentari, iar oferta pe care o veți primi va fi comparabilă între furnizori:

Concentrația de H2S. Concentrația măsurată în ppm în abur sau în apă salină, plus informația dacă locația este situată în zonă litorală.

Temperatura ambientală și altitudinea locației. Temperatura maximă ambientală (în °C) și altitudinea față de nivelul mării.

Categorie de corozivitate și sistem de acoperire. Categorie ISO 12944-2 plus grosimea necesară a stratului uscat.

Profilul de încărcare și factorul de capacitate. Numărul prevăzut de ore anuale cu sarcină, nu doar kVA nominal.

Creșterea temperaturii înfășurărilor și limita punctului fierbinte. Indicați creșterea dorită sau cereți furnizorului să justifice valoarea implicită.

Cerința seismică. Dacă este necesară calificarea conform IEEE 693 sau se aplică criterii specifice de ancorare pentru amplasament.

Limitele de transport. Greutatea maximă pe piesă, restricțiile drumurilor și dacă se preconizează asamblarea pe amplasament.

 

Înainte de a specifica următoarea unitate geotermală

Trimiteți-ne datele de teren – concentrația de H2S, temperatura ambientală, altitudinea, zona seismică și profilul de sarcină – iar echipa noastră de ingineri vă va furniza o fișă de specificații care indică înlocuirile de materiale, calculul de răcire și planul de transport. Preferăm să discutăm despre sistemul de vopsire pe hârtie, decât să înlocuim un grup de radiatoare pe teren.

Despre autor: Acest articol a fost scris de echipa de inginerie de la Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), un producător de transformatoare cu rezină turnată, cu ulei și montate pe platformă, care servește clienți din domeniul utilităților, centrelor de date, generării regenerabile și industrie, începând din 2007. Echipa lucrează zilnic cu cerințele IEEE C57 și IEC 60076 și sprijină dezvoltatorii și contractanții EPC în etapele de specificare, testare în fabrică și punere în funcțiune pe amplasament.