Трансформаторы для геотермальных электростанций: спецификация с учётом коррозии H2S, длительной нагрузки и удалённых площадок

Оператор геотермальной электростанции в Рифтовой долине направил нам после восемнадцати месяцев эксплуатации блок повышающего трансформатора мощностью 12 МВА на инспекцию. Электрические компоненты остались исправными. Однако вышла из строя краска: покрытие бака вздулось и обнажило сталь вдоль радиаторного блока, медные шпильки вводов приобрели зеленовато-чёрный оттенок, а кремнегель в осушителе потемнел уже через несколько недель после ввода в эксплуатацию. Виновником стал сероводород — тот самый газ, который делает геотермальное месторождение перспективным для бурения, но разрушает всё, что к нему присоединено.

Устройство было правильно рассчитано. Оно было неправильно указано. Эта разница определяет, будет ли трансформатор геотермальной электростанции обеспечивать двадцать пять лет работы в режиме базовой нагрузки или будет извлечён при первом серьёзном отключении.

 

 

Почему геотермальная энергия — более тяжёлый режим эксплуатации по сравнению с солнечной или ветровой

Департамент энергетики США описывает геотермальную энергию как источник базовой нагрузки с коэффициент использования мощности коэффициентом готовности примерно 90 %, то есть геотермальная электростанция работает почти непрерывно на максимальной мощности, компенсируя прерывистые источники, такие как ветровая и солнечная энергия. Это одно число полностью меняет характер нагрузки на трансформатор. Полное описание можно прочитать на сайте DOE Office of Geothermal .

Трансформатор стареет не из-за пиковых нагрузок, а из-за времени, проведённого при повышенной температуре. Устройство на солнечной электростанции испытывает интенсивную нагрузку днём и длительный прохладный период ночью для восстановления. Геотермальное устройство никогда не получает такого периода восстановления. Оно постоянно работает близко к номинальной нагрузке — ночью, по выходным, на протяжении всего срока службы электростанции.

В приведённой ниже таблице объясняется, почему один и тот же номинал в кВА соответствует трём различным техническим характеристикам:

Тип растения	Коэффициент использования мощности	Характер нагрузки на трансформатор	Преобладающий вид напряжения
Солнечная фотовольтаика	20% - 25%	Ежедневный рост нагрузки, простой в течение ночи	Термические циклы, гармоники от инверторов
Ветер	30 % – 45 %	Прерывистая, сильно изменяющаяся нагрузка	Циклическая нагрузка, гармоники, генерируемые нагрузкой
Геотермальная энергетика	примерно 90%	Нагрузка, близкая к номинальной, круглосуточно	Постоянная высокая температура в зоне нагрева обмотки, коррозия сероводородом (H2S), удалённость объекта

 

H2S: режим отказа, который редко указывается в технической документации

Сероводород присутствует в геотермальном паре и рассоле в концентрациях от нескольких частей на миллион до нескольких сотен. На таких уровнях он не представляет пожарной опасности, поэтому при закупках его зачастую игнорируют. Однако на самом деле он является «крадущим металлы» агентом. Коррозия H2S предпочтительно поражает медь и серебро, образуя сульфидные плёнки, которые повышают переходное сопротивление на каждом болтовом и покрытом слоем соединении по пути прохождения тока.

На практике это означает шпильки вводов, контакты переключателей ответвлений, окончания управляющих проводов и любые серебряные покрытия внутри клеммной коробки. Мы вскрывали геотермальные устройства, у которых изоляция обмоток показывала идеальные результаты испытаний, однако именно контакты переключателей ответвлений стали причиной вывода устройства из эксплуатации. Решение заключается в выборе материалов: полностью исключить серебряное покрытие при заказах для геотермальных применений, использовать омеднённую медь или никелированные контактные поверхности, а также герметизировать шкаф управления уплотнительной прокладкой вместо решётчатой вентиляции.

Система сохранения масла имеет не меньшее значение. При свободном дыхании расширительный бак ежедневно всасывает воздух, содержащий H2S, в масло по мере сокращения объёма надуровневого пространства бака. Для геотермальных условий эксплуатации мы указываем герметичный дыхательный клапан с осушителем воздуха или полностью герметичную конструкцию, если номинальные параметры это позволяют. масляный трансформатор это единственное решение одновременно защищает масло, изоляцию и контакты устройства регулирования напряжения под нагрузкой.

 

Расчёт трансформатора для геотермальной электростанции при коэффициенте загрузки 90 %

Выполните расчёты до выбора номинальной мощности. При коэффициенте загрузки 90 % коэффициент использования мощности , геотермальный агрегат набирает примерно 7 880 часов работы под нагрузкой в год. Солнечная электростанция при коэффициенте загрузки 25 % набирает около 2 190 часов. Следовательно, трансформатор геотермальной электростанции ежегодно работает при повышенной температуре примерно в три с половиной раза дольше, а термическое старение является кумулятивным процессом.

Именно поэтому для геотермальных условий эксплуатации мы указываем повышение температуры обмотки до 55 К вместо стандартного значения 65 К, применяемого в большинстве технических требований к распределительным трансформаторам. Более низкое проектное повышение температуры обеспечивает более низкую температуру «горячей точки», а более низкая температура «горячей точки» увеличивает срок службы изоляции. Компромисс реален: ожидайте более крупный магнитопровод, большую площадь радиатора и более тяжёлый бак при том же значении kVA.

Трансформаторы повышения напряжения генераторов на паровых («вспышка») и бинарных электростанциях, как правило, повышают напряжение генератора в диапазоне от 4,16 кВ до 13,8 кВ до уровня 34,5 кВ для сборной шины или до 69–138 кВ для линии передачи. Мощность устройства рассчитывается как сумма мощности генератора в МВА и паразитной нагрузки станции — охладительных башен, циркуляционных водяных насосов, вакуумных систем и систем отбора газа; после этого окончательная номинальная мощность подтверждается с учётом профиля нагрузки, а не одного значения на табличке. Если станция будет работать с перегрузкой по сравнению с номиналом в периоды повышенного содержания пара, запросите документальное подтверждение способности к перегрузке в соответствии с руководством IEEE C57.91 по нагрузке, а не полагайтесь на предположения.

 

Система охлаждения, покрытия и лакокрасочная система

Геотермальные месторождения часто расположены в прибрежных или вулканических районах, поэтому два фактора коррозии действуют одновременно: сероводород со стороны технологического процесса и хлориды из морского воздуха. Система покрытий — это предмет технической спецификации, а не просто отделочная деталь. Укажите категорию агрессивности среды в запросе коммерческого предложения и требуйте от поставщика её соблюдения. Классификация сред по стандарту ISO 12944-2 определяет категории C1–CX и служит общим языком, на котором могут взаимодействовать покупатели и производители; категория C5-M охватывает прибрежные и морские условия эксплуатации.

Для прибрежного геотермального заказа мы предлагаем систему покрытий из эпоксидного грунта, эпоксидного промежуточного слоя и полиуретанового верхнего слоя с общей толщиной сухой плёнки около 320 микрометров, наносимую на горячеоцинкованную или пескоструйно очищенную поверхность. Рёбра радиаторов требуют отдельной обработки: в геотермальной электростанции они накапливают как пыль, так и сульфиды, и тонкое покрытие рёбер, приемлемое во внутренних районах, может исчезнуть уже через два сезона. Явно укажите требования к защите рёбер от коррозии.

Систему охлаждения также необходимо внимательно перепроверить. Агрегат, работающий почти на номинальной нагрузке круглосуточно при температуре окружающей среды 40–50 °C, не имеет запаса по мощности. Проверьте расчётную температуру «горячей точки» обмотки при фактической температуре окружающей среды на объекте, а не при 30 °C, и убедитесь, что ступени охлаждения с принудительной вентиляцией указаны с независимыми источниками питания, чтобы отказ в цепи управления не привёл к потере второй ступени охлаждения.

 

Высота над уровнем моря, сейсмические зоны и доставка агрегата на объект

Многие геотермальные месторождения мира расположены на высоте более 1000 метров: комплекс Олкария в Кении, отдельные регионы Индонезии и значительная часть Восточно-Африканского рифта. С ростом высоты над уровнем моря снижаются как электрическая прочность изоляции, так и эффективность охлаждения; следовательно, агрегат, спроектированный для условий уровня моря, не будет соответствовать тем же техническим характеристикам на высоте 2000 метров. Необходимо применять поправочные коэффициенты к классу изоляции и к расчёту охлаждения, а сам расчёт должен быть приведён в отчёте по испытаниям, а не просто заявлен как утверждение.

Сейсмическое проектирование — это второе географическое ограничение. Рифтовая долина, Исландия, Индонезия и Калифорния — все эти месторождения расположены в активных сейсмических зонах, а трансформатор является самым тяжёлым элементом подстанции. Это означает необходимость проектирования крепления, расчёта прочности опорной плиты и, в проектах для коммунальных предприятий, подтверждения сейсмостойкости в соответствии со стандартом IEEE 693. Типовой сварной каркас не соответствует требованиям сейсмического проектирования.

Затем следует логистика, которая вызывает у покупателей больше неожиданностей, чем любой электрический параметр. Геотермальные месторождения обычно доступны только по длинным дорогам с плохим покрытием и строгими ограничениями по весу на ось. Доставка полностью собранного блока массой 40 тонн в удалённое месторождение зачастую невозможна. Практическое решение — конструкция, доставляемая частями: бак без масла, радиаторы в отдельных ящиках, вводы в специализированных контейнерах и чётко задокументированная последовательность сборки на месте с указанием требуемых значений крутящего момента. Наша линейка масляных трансформаторов регулярно поставляется в таком исполнении для удалённых генерирующих объектов.

 

 

Как компания Ryan Electric готовит оборудование к работе в геотермальных условиях

Каждый заказ на геотермальное оборудование проходит проверку по индивидуальному перечню технических требований, отличному от перечня для стандартных распределительных устройств. Замены материалов фиксируются в спецификации, чтобы покупатель мог их проверить: отсутствие серебряных контактов, герметизация масла, покрытие C5-M, подтверждённая коррекция параметров на высоте, документированное сейсмическое крепление. В отчёте о рутинных испытаниях затем приводятся данные по сопротивлению при низких температурах и коэффициенту трансформации, необходимые для ввода оборудования в эксплуатацию, измеренные с учётом фактически поставленных положений ответвлений.

Мы производим продукцию на площадке площадью 120 000 квадратных метров, оснащённой более чем 180 комплектами производственного и испытательного оборудования и обладающей 37 патентами; мы имеем сертификаты UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS и CE. С 2023 года компания Ryan Electric действует в качестве официального партнёра по совместному предприятию с Eaton, что привело к ужесточению стандартов документации, которым мы следуем. Устройства, поставляемые нами на участки с высокой коррозионной активностью, на больших высотах и в удалённых местах, основаны на той же платформе, что и устройства для заказчиков из сферы центров обработки данных, энергетики и горнодобывающей промышленности, и адаптированы под реальные условия конкретного объекта.

 

Что указать в запросе коммерческого предложения на геотермальный трансформатор

Большинство запросов коммерческого предложения на геотермальные трансформаторы, поступающих к нам, содержат лишь напряжение, мощность и импеданс — и на этом заканчиваются. Эти три параметра не описывают эксплуатационные требования геотермальных условий. Добавьте эти семь параметров, и полученные коммерческие предложения станут сопоставимыми между поставщиками:

Концентрация H2S. Измеряется в ppm в паре или рассоле; дополнительно укажите, расположен ли объект в прибрежной зоне.

Окружающая температура и высота над уровнем моря на объекте. Расчётная максимальная окружающая температура в градусах Цельсия и высота над уровнем моря.

Категория агрессивности среды и система покрытия. Категория по стандарту ISO 12944-2 плюс требуемая толщина сухой плёнки.

Профиль нагрузки и коэффициент загрузки. Ожидаемое годовое количество часов работы под нагрузкой, а не только номинальная мощность в кВА.

Повышение температуры обмоток и предел температуры «горячей точки». Укажите требуемое повышение температуры или запросите у поставщика обоснование значения по умолчанию.

Требования к сейсмостойкости. Требуется ли сертификация по стандарту IEEE 693 или применяются специфические для площадки критерии крепления.

Ограничения на транспортировку. Максимальная масса одного грузового места, ограничения дорог и ожидается ли сборка на месте.

 

Прежде чем вы укажете следующую геотермальную установку

Направьте нам полевые данные — концентрацию H₂S, температуру окружающей среды, высоту над уровнем моря, сейсмическую зону и профиль нагрузки. После этого наша инженерная команда предоставит вам спецификационный лист с указанием заменённых материалов, расчёта охлаждения и плана транспортировки. Мы предпочитаем обсуждать систему окраски на бумаге, а не заменять блок радиаторов на месте.

Об авторе: Эту статью подготовила инженерная команда компании Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) — производителя трансформаторов с литой изоляцией, маслонаполненных и комплектных трансформаторов, обслуживающего заказчиков из сферы электросетей, центров обработки данных, возобновляемой энергетики и промышленности с 2007 года. Команда ежедневно работает с требованиями стандартов IEEE C57 и IEC 60076 и оказывает поддержку разработчикам и подрядчикам EPC на этапах технической спецификации, заводских испытаний и пусконаладки на объекте.