Трансформатори геотермальних електростанцій: вимоги щодо стійкості до корозії H2S, тривалого навантаження та віддалених майданчиків

Оператор геотермальної електростанції у Рифтовій долині надіслав нам 12 МВА підвищувальний трансформатор на перевірку після вісімнадцяти місяців експлуатації. Електричні компоненти не вийшли з ладу. Але пошкоджено було фарбу: покриття бака набуло пухирів і відкрило голий стальний корпус уздовж радіаторного блоку, мідні шпильки вводів потемніли й набули зелено-чорного відтінку, а силікагель у дихальному пристрої потемнів уже через кілька тижнів після введення в експлуатацію. Причиною стало сірководень — той самий газ, що робить геотермальне родовище вартим буріння, — і він руйнує все, що прикріплено до нього.

Одиницю правильно оцінено. Її неправильно визначено. Ця різниця вирішує, чи трансформатор геотермальної електростанції забезпечить вам двадцять п’ять років роботи у базовому режимі чи буде вилучено під час першої серйозної аварії.

 

 

Чому геотермальна енергетика є важчим режимом роботи, ніж сонячна або вітрова

Міністерство енергетики США описує геотермальну енергетику як базову потужність із коефіцієнт продуктивності коефіцієнтом використання приблизно 90 %, тобто геотермальна електростанція працює майже безперервно на максимальній потужності, одночасно балансуючи преривчасті джерела, такі як вітрова та сонячна енергія. Це єдине число кардинально змінює режим роботи трансформатора. Повний опис можна прочитати на сайті DOE Office of Geothermal .

Трансформатор старіє не через пікове навантаження, а через тривалість перебування при підвищеній температурі. Одиниця на сонячній електростанції інтенсивно навантажується вдень і має тривалий прохолодний нічний період для відновлення. Геотермальна одиниця ніколи не отримує такого періоду відновлення. Вона працює майже постійно біля номінального навантаження — протягом ночі, у вихідні дні та протягом усього терміну експлуатації електростанції.

Нижче наведена таблиця, що пояснює, чому однаковий рейтинг у кВА відповідає трьом різним специфікаціям:

Тип заводу	Коефіцієнт продуктивності	Режим навантаження трансформатора	Домінуюче напруження
Сонячна фотовольтаїка	20% - 25%	Щоденне зростання навантаження, простоювання вночі	Термічні цикли, гармоніки від інверторів
Вітер	30 % – 45 %	Переривчасте, надзвичайно змінне навантаження	Циклічне навантаження, гармоніки, створені навантаженням
Геотермальний	процентно близько 90%	Майже номінальне навантаження, цілодобово	Тривале перегрівання місця найбільшого нагріву обмотки, корозія сірководнем, важкодоступність віддалених об’єктів

 

H2S: Режим відмови, який рідко зазначають у технічних характеристиках

Сульфід водню з’являється в геотермальному парі та розсолі у концентраціях від кількох частин на мільйон до кількох сотень. На таких рівнях він не становить пожежної небезпеки, і саме тому його часто ігнорують під час закупівель. Проте він є «крадієм металу». Корозія H2S найперше атакує мідь і срібло, утворюючи сульфідні плівки, які підвищують опір контакту на кожному болтовому й покритому шаром з’єднанні в ланцюзі струму.

На практиці це означає шпильки ізоляторів, контакти регулювальних перемикачів, кінцівки кабелів керування та будь-які сріблені з’єднання всередині клемної коробки. Ми відкривали геотермальні агрегати, у яких ізоляція обмоток витримувала випробування ідеально, але саме контакти регулювального перемикача стали причиною виведення агрегату з експлуатації. Рішення полягає у виборі матеріалів: повністю уникати сріблення для замовлень геотермальних агрегатів, замінювати його олов’яно-мідними або нікельованими контактними поверхнями та герметизувати шафу керування прокладкою замість жалюзійної вентиляції.

Система збереження мастила має таке саме значення. Консерватор із вільним диханням щодня затягує повітря, насичене сірководнем (H₂S), у мастило під час стискання простору над рівнем мастила в баку. Для геотермальних умов експлуатації ми вказуємо герметичний дихальний пристрій із осушувачем повітря або повністю герметичну конструкцію, якщо номінальна потужність це дозволяє. трансформатор з масляним охолодженням це єдине рішення одночасно захищає мастило, ізоляцію та контакти регулювального пристрою відводів.

 

Підбір трансформатора для геотермальної електростанції з коефіцієнтом використання потужності 90 %

Виконайте розрахунки, перш ніж обрати номінальну потужність. За коефіцієнта використання потужності 90 % коефіцієнт продуктивності , геотермальна установка накопичує приблизно 7880 годин роботи під навантаженням на рік. Сонячна електростанція з коефіцієнтом 25 % накопичує близько 2190 годин. Отже, трансформатор геотермальної електростанції щороку працює при підвищеній температурі приблизно в три з половиною рази довше, а термічне старіння є кумулятивним.

Це причина, чому ми вказуємо підвищення температури обмотки на 55 К для геотермальних умов експлуатації замість типового значення 65 К, яке передбачено більшістю розподільних специфікацій. Зниження проектного підвищення температури забезпечує нижчу температуру «гарячої точки», а це, у свою чергу, збільшує термін служби ізоляції. Компроміс є реальним: очікуйте більшого магнітопроводу, більшої площі радіатора та важчого бака при тому самому номінальному значенні кВА.

Трансформатори підвищення напруги для генераторів на парових («флеш») та бінарних електростанціях зазвичай підвищують напругу генератора в діапазоні від 4,16 кВ до 13,8 кВ до 34,5 кВ для збору потужності або до 69–138 кВ для передачі. Розмір одиниці слід визначати за сумою МВА генератора й паразитного навантаження електростанції — охолоджувальних башт, циркуляційних насосів для води, вакуумних систем та систем відбору газу — а потім перевірити номінальну потужність за профілем навантаження, а не за єдиним значенням на табличці. Якщо електростанція планує працювати з перевищенням номінальної потужності під час періодів з високим вмістом пари, вимагайте документального підтвердження можливості перевантаження згідно з керівництвом IEEE C57.91 щодо навантаження, а не робіть припущення.

 

Охолодження, покриття та специфікація фарбової системи

Геотермальні об’єкти часто розташовані в прибережних або вулканічних зонах, тому два чинники корозії посилюють один одного: сірководень із технологічного боку та хлориди в повітрі із морського боку. Система покриття є предметом технічної специфікації, а не просто оздоблювальною деталлю. У запиті на цитату вкажіть категорію корозійності й обов’язково забезпечте дотримання її постачальником. Класифікація середовищ за ISO 12944-2 визначає категорії C1–CX і є спільною мовою, якою можуть користуватися як покупці, так і виробники; категорія C5-M охоплює прибережні та морські умови експлуатації.

Для прибережного геотермального замовлення ми пропонуємо систему покриття з епоксидного грунту, епоксидного проміжного шару та поліуретанового верхнього шару з загальною товщиною сухої плівки близько 320 мікрометрів, нанесену на гарячеоцинковану або піскоструйну основу. Радіаторні пластини потребують окремого підходу: у геотермальній електростанції вони накопичують як пил, так і сульфіди, і тонке покриття пластин, яке цілком підходить для внутрішніх умов, може зникнути вже за два сезони. Корозійний захист пластин слід чітко вказати в технічному завданні.

Охолодження також вимагає додаткового розгляду. Агрегат, що працює майже на номінальному навантаженні цілодобово при температурі навколишнього середовища 40–50 °C, не має резерву потужності. Перевірте розрахункову температуру «гарячої точки» обмотки для реальної температури навколишнього середовища на місці встановлення, а не для 30 °C, і переконайтеся, що ступені охолодження з примусовою вентиляцією вказані з незалежними джерелами живлення, щоб не втратити другу ступінь охолодження через несправність у керуючому колі.

 

Висота над рівнем моря, сейсмічні зони та доставка агрегату на місце встановлення

Багато геотермальних родовищ світу розташовані на висоті понад 1000 м: комплекс Олкарія в Кенії, окремі райони Індонезії та значна частина Східноафриканського рифту. Здатність ізоляції витримувати напругу та ефективність охолодження знижуються з підвищенням висоти, тому агрегат, спроектований для рівня моря, не є таким самим агрегатом на висоті 2000 м. До рівня ізоляції та розрахунку охолодження слід застосувати коефіцієнти зниження номінальних параметрів, а сам розрахунок має бути наведений у випробувальному звіті, а не просто заявлений як твердження.

Сейсмічне проектування — це друга географічна обмеження. Польові об’єкти у рифтовій зоні, на Ісландії, в Індонезії та Каліфорнії розташовані в активних сейсмічних зонах, а трансформатор є найважчим елементом підстанції. Це означає необхідність проектування кріплення, міцності опорної плити та, у разі проєктів для енергопостачальників, сейсмічної сертифікації відповідно до стандарту IEEE 693. Універсальна зварна платформа не є сейсмічним рішенням.

Далі йде логістика, яка викликає більше сюрпризів у покупців, ніж будь-який електричний параметр. Геотермальні родовища зазвичай доступні лише через довгі, погано утримувані під’їзні дороги з жорсткими обмеженнями ваги на вісь. Доставка повністю зібраного блоку масою 40 тонн до віддаленого родовища може бути неможливою. Практичним рішенням є конструкція, що перевозиться окремими частинами: бак — без масла, радіатори — у спеціальних контейнерах, вводи — у спеціалізованих кейсах, а також документовані інструкції щодо збирання на місці з вказанням значень моментів затягування. Наш асортимент трансформаторів з масляним охолодженням регулярно поставляється в такій конфігурації для віддалених енергогенеруючих проєктів.

 

 

Як компанія Ryan Electric готує агрегат до роботи в геотермальних умовах

Кожне замовлення геотермального обладнання проходить інший контрольний перелік специфікацій, ніж стандартний розподільний агрегат. Заміни матеріалів фіксуються в переліку матеріалів, щоб покупець міг їх перевірити: відсутність сріблястих контактів, герметичне збереження масла, покриття C5-M, підтверджена корекція параметрів на висоті, задокументоване сейсмічне кріплення. У звіті про рутинні випробування потім наводяться дані про опір у холодному стані та коефіцієнт трансформації, необхідні для введення в експлуатацію, які вимірюються за фактичними положеннями відводів, поставленими замовнику.

Ми виробляємо продукцію на виробничій площі площею 120 000 квадратних метрів, оснащеній понад 180 комплектами виробничого й випробувального обладнання та маємо 37 патентів. Ми маємо сертифікації UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS та CE. З 2023 року Ryan Electric діє як офіційний партнер спільного підприємства Eaton, що призвело до посилення стандартів документації, яких ми дотримуємося. Одиниці, які ми поставляємо на ділянки з високою корозійною активністю, на великих висотах або віддалені райони, базуються на тій самій платформі, що й для клієнтів із сфер центру обробки даних, енергетики та гірничодобувної промисловості, і спеціально адаптовані до реальних умов конкретного місця.

 

Що включити до запиту пропозиції щодо геотермального трансформатора

Більшість запитів пропозиції щодо геотермальних трансформаторів, які ми отримуємо, містять лише напругу, потужність та імпеданс і далі не продовжують. Ці три параметри не описують умови експлуатації в геотермальних умовах. Додайте ці сім параметрів — і отримана цитата стане порівнянною між різними постачальниками:

Концентрація H₂S. Виміряна концентрація в ppm у парі або розсолі, а також вказівка, чи розташований об’єкт поблизу узбережжя.

Навколишня температура та висота над рівнем моря. Розрахункова максимальна навколишня температура у °C та висота над рівнем моря.

Категорія корозійності та система покриття. Категорія ISO 12944-2 плюс необхідна товщина сухої плівки.

Профіль навантаження та коефіцієнт потужності. Очікувана щорічна кількість годин роботи під навантаженням, а не лише номінальна потужність у кВА.

Підвищення температури обмоток та гранична температура «гарячої точки». Вкажіть бажане підвищення або запитайте постачальника про обґрунтування типового значення.

Вимоги щодо сейсмостійкості. Чи потрібна кваліфікація за IEEE 693, чи діють спеціальні вимоги до кріплення на місці.

Обмеження щодо транспортування. Максимальна вага окремого елемента, обмеження доріг та те, чи передбачено збирання на місці.

 

Перед тим як визначити наступну геотермальну установку

Надішліть нам польові дані — концентрацію H₂S, температуру навколишнього середовища, висоту над рівнем моря, сейсмічну зону та профіль навантаження — і наша інженерна команда надішле вам технічний опис, у якому буде вказано заміни матеріалів, розрахунок охолодження та план транспортування. Ми радше обговоримо систему фарбування на папері, ніж замінимо блок радіаторів у полі.

Про автора: Цю статтю написала інженерна команда Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) — виробника трансформаторів із литою смолою, масляних та наземних трансформаторів, який обслуговує енергетичні компанії, центри обробки даних, виробників відновлюваних джерел енергії та промислових клієнтів з 2007 року. Команда щодня працює з вимогами IEEE C57 та IEC 60076 і надає підтримку розробникам та підрядникам EPC на етапах технічного завдання, заводських випробувань та введення обладнання в експлуатацію на місці.