Máy biến áp cho nhà máy điện địa nhiệt: Hướng dẫn lựa chọn để chống ăn mòn H2S, tải liên tục và lắp đặt tại các địa điểm xa xôi

Một nhà khai thác địa nhiệt tại Thung lũng Rift đã gửi lại cho chúng tôi một bộ máy biến áp tăng áp 12 MVA để kiểm tra sau mười tám tháng vận hành. Không có sự cố nào xảy ra về mặt điện. Nhưng lớp sơn thì đã hỏng: lớp phủ thân máy bị phồng rộp đến mức lộ ra thép trần dọc theo cụm tản nhiệt, các bu-lông đồng ở đầu cột cách điện chuyển sang màu xanh-đen, và gel silica trong bộ hút ẩm chuyển sang màu tối chỉ trong vài tuần sau khi đưa vào vận hành. Thủ phạm là khí hydro sunfua — cùng loại khí khiến khu vực địa nhiệt đáng để khoan nhưng cũng tấn công mọi thứ được bắt vít vào nó.

Đơn vị đã được định mức chính xác. Tuy nhiên, nó không được đặc tả đúng cách. Sự khác biệt đó quyết định việc một máy biến áp nhà máy điện địa nhiệt có thể cung cấp cho bạn hai mươi lăm năm dịch vụ tải nền hay bị thay thế ngay sau sự cố lớn đầu tiên.

 

 

Tại sao địa nhiệt là nhiệm vụ khó khăn hơn năng lượng mặt trời hoặc gió

Bộ Năng lượng Hoa Kỳ mô tả địa nhiệt là nguồn điện tải nền với hệ số năng lực tỷ lệ khả dụng khoảng 90%, nghĩa là nhà máy địa nhiệt vận hành ở công suất tối đa gần như liên tục nhằm cân bằng các nguồn năng lượng gián đoạn như gió và mặt trời. Con số duy nhất này làm thay đổi hoàn toàn chế độ làm việc của máy biến áp. Bạn có thể đọc mô tả đầy đủ trên trang web Văn phòng Địa nhiệt thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ .

Máy biến áp không già đi do tải đỉnh. Nó già đi do thời gian hoạt động ở nhiệt độ cao. Một đơn vị tại trang trại năng lượng mặt trời phải chịu tải nặng vào buổi chiều và có một đêm dài, mát để phục hồi. Trong khi đó, một đơn vị địa nhiệt chưa bao giờ có được khoảng thời gian phục hồi ấy. Nó luôn vận hành gần công suất định mức suốt đêm, suốt cuối tuần và trong suốt toàn bộ vòng đời khai thác của nhà máy.

Bảng dưới đây cho thấy lý do vì sao cùng một định mức kVA lại tương ứng với ba thông số kỹ thuật khác nhau:

Loại cây	Hệ số năng lực	Mô hình tải máy biến áp	Ứng suất chi phối
Năng lượng mặt trời pv	20% - 25%	Tăng tải theo ngày, không hoạt động vào ban đêm	Thay đổi nhiệt độ chu kỳ, sóng hài từ bộ nghịch lưu
Gió	30% – 45%	Ngắt quãng, biến thiên mạnh	Hoạt động theo chu kỳ, sóng hài do tải sinh ra
Địa nhiệt	khoảng 90%	Gần tải định mức, hoạt động liên tục 24/7	Điểm nóng trên cuộn dây kéo dài, ăn mòn do H2S, tiếp cận địa điểm từ xa

 

H2S: Cơ chế hỏng hóc hiếm khi xuất hiện trong bảng thông số kỹ thuật

Hydrogen sulfide xuất hiện trong hơi nước địa nhiệt và nước mặn ở nồng độ từ vài phần triệu đến vài trăm phần triệu. Ở những mức nồng độ này, chất này không gây nguy cơ cháy, chính vì vậy mà nó thường bị bỏ qua trong quá trình mua sắm. Tuy nhiên, thực tế là nó lại là một chất ăn mòn kim loại. Sự ăn mòn do H2S ưu tiên tấn công đồng và bạc, tạo thành các lớp phim sunfua làm tăng điện trở tiếp xúc tại mọi mối nối bulông và mối nối mạ trên toàn bộ đường dẫn dòng điện.

Trên thực tế, điều này có nghĩa là các chốt cách điện, các tiếp điểm bộ đổi đầu phân áp, các điểm nối dây điều khiển và bất kỳ mối nối nào được mạ bạc bên trong hộp đầu cuối. Chúng tôi đã mở kiểm tra các thiết bị địa nhiệt mà cách điện cuộn dây vẫn đạt yêu cầu kỹ thuật hoàn hảo, nhưng chính các tiếp điểm bộ đổi đầu phân áp lại là nguyên nhân khiến thiết bị phải ngừng hoạt động. Giải pháp khắc phục nằm ở việc lựa chọn vật liệu: tuyệt đối không sử dụng lớp mạ bạc cho các đơn hàng thiết bị địa nhiệt; thay thế bằng bề mặt tiếp xúc đồng thiếc hoặc niken; đồng thời làm kín tủ điều khiển bằng gioăng cao su thay vì sử dụng cửa thông gió dạng khe hở.

Hệ thống bảo quản dầu cũng quan trọng không kém. Bộ bảo quản thông khí tự do hút không khí chứa H2S vào dầu mỗi ngày khi thể tích khoảng trống phía trên bể co lại. Đối với ứng dụng địa nhiệt, chúng tôi quy định sử dụng bộ thông khí kín kèm máy làm khô không khí hoặc thiết kế hoàn toàn kín tuyệt đối khi cấp điện áp cho phép. máy biến áp ngập dầu quyết định duy nhất này đồng thời bảo vệ dầu, cách điện và tiếp điểm bộ đổi đầu phân áp.

 

Chọn dung lượng máy biến áp cho nhà máy điện địa nhiệt dựa trên hệ số công suất 90%

Thực hiện tính toán trước khi chọn dung lượng. Ở hệ số công suất 90% hệ số năng lực , một tổ máy địa nhiệt tích lũy khoảng 7.880 giờ vận hành có tải mỗi năm. Một nhà máy điện mặt trời ở hệ số công suất 25% tích lũy khoảng 2.190 giờ. Do đó, máy biến áp địa nhiệt vận hành ở nhiệt độ cao gấp khoảng ba rưỡi lần mỗi năm so với máy biến áp mặt trời, và quá trình lão hóa do nhiệt là cộng dồn.

Đó là lý do chúng tôi đưa ra mức tăng nhiệt độ cuộn dây là 55 K cho chế độ làm việc địa nhiệt thay vì mức mặc định 65 K thường được quy định trong hầu hết các tiêu chuẩn phân phối. Việc giảm mức tăng nhiệt thiết kế sẽ giúp giảm nhiệt độ điểm nóng, và giảm nhiệt độ điểm nóng sẽ kéo dài tuổi thọ cách điện. Sự đánh đổi này là có thật: hãy dự kiến lõi lớn hơn, diện tích tản nhiệt lớn hơn và bình chứa nặng hơn đối với cùng một công suất kVA.

Các máy biến áp tăng áp cho máy phát điện tại các nhà máy kiểu phun (flash) và kiểu nhị phân (binary) thường nâng điện áp đầu ra của máy phát — nằm trong dải từ 4,16 kV đến 13,8 kV — lên mức điện áp bộ thu 34,5 kV hoặc lên mức kết nối truyền tải 69 kV đến 138 kV. Hãy xác định dung lượng thiết bị dựa trên công suất MVA của máy phát cộng với phụ tải tự dùng của nhà máy — bao gồm tháp giải nhiệt, bơm nước tuần hoàn, hệ thống chân không và hệ thống hút khí — sau đó xác nhận định mức bằng biểu đồ phụ tải thay vì chỉ dựa vào một giá trị duy nhất ghi trên nhãn hiệu. Nếu nhà máy dự kiến vận hành ở công suất cao hơn định mức trong các giai đoạn giàu hơi nước, hãy yêu cầu khả năng quá tải được lập thành tài liệu theo hướng dẫn tải IEEE C57.91 thay vì giả định.

 

Làm mát, lớp phủ và đặc tả hệ thống sơn

Các địa điểm địa nhiệt thường nằm ở vùng ven biển hoặc khu vực núi lửa, do đó hai yếu tố gây ăn mòn cộng hưởng với nhau: khí hydro sunfua từ phía quy trình và không khí giàu clorua từ phía biển. Hệ thống lớp phủ là một hạng mục đặc tả kỹ thuật, không phải chi tiết hoàn thiện. Hãy nêu rõ hạng mục ăn mòn trong hồ sơ yêu cầu báo giá (RFQ) và yêu cầu nhà cung cấp tuân thủ nghiêm ngặt. Phân loại môi trường theo ISO 12944-2 xác định các hạng mục C1 đến CX và là ngôn ngữ chung mà cả bên mua lẫn nhà sản xuất đều có thể sử dụng; hạng mục C5-M là hạng mục áp dụng cho điều kiện tiếp xúc ven biển và trên biển.

Đối với đơn hàng địa nhiệt ven biển, chúng tôi đề xuất hệ thống lớp phủ gồm lớp lót epoxy, lớp trung gian epoxy và lớp phủ ngoài cùng polyurethane, với tổng độ dày màng khô khoảng 320 micromet, được thi công trên nền đã được mạ kẽm nhúng nóng hoặc làm sạch bằng phun bi. Các cánh tản nhiệt được xử lý riêng biệt: trong nhà máy địa nhiệt, các cánh tản nhiệt tích tụ cả bụi lẫn sunfua, do đó một lớp phủ mỏng dành cho cánh tản nhiệt — phù hợp khi sử dụng nội địa — có thể bị mất sau hai mùa. Hãy nêu rõ yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn cho cánh tản nhiệt.

Việc làm mát bản thân cũng cần được xem xét lại lần thứ hai. Một thiết bị vận hành gần công suất định mức liên tục 24/7 trong môi trường có nhiệt độ từ 40 đến 50 °C thì không còn dư thừa khả năng nào để mất đi. Hãy xác minh điểm nóng nhất trên cuộn dây được tính toán tại nhiệt độ môi trường thực tế tại hiện trường thay vì tại 30 °C, đồng thời xác nhận các giai đoạn làm mát hỗ trợ bằng quạt đã được chỉ định với nguồn cấp điện độc lập, nhằm đảm bảo một sự cố ở mạch điều khiển sẽ không khiến bạn mất đi giai đoạn làm mát thứ hai.

 

Độ cao so với mực nước biển, các vùng động đất và việc vận chuyển thiết bị tới hiện trường

Nhiều khu vực địa nhiệt trên thế giới nằm ở độ cao trên 1.000 mét: khu phức hợp Olkaria của Kenya, một số khu vực ở Indonesia và phần lớn vùng Đới nứt Đông Phi. Khả năng chịu điện áp của cách điện cũng như hiệu suất làm mát đều giảm khi độ cao tăng lên; do đó, một thiết bị được quy định cho mực nước biển sẽ không tương đương với cùng thiết bị đó ở độ cao 2.000 mét. Các hệ số giảm công suất phải được áp dụng cho cấp cách điện và cho phép tính làm mát, đồng thời phép tính này cần được trình bày rõ trong báo cáo thử nghiệm thay vì chỉ nêu chung chung như một tuyên bố.

Thiết kế chống động đất là ràng buộc địa lý thứ hai. Các mỏ địa nhiệt ở Thung lũng Nứt vỡ, Iceland, Indonesia và California đều nằm trong các vùng động đất hoạt động, và máy biến áp là thiết bị nặng nhất trong trạm biến áp. Điều này có nghĩa là cần thiết kế hệ thống neo giữ, độ bền của bản thép đế và, đối với các dự án lưới điện, phải đạt tiêu chuẩn chống động đất theo tiêu chuẩn IEEE 693. Một bệ đỡ hàn thông dụng không đáp ứng yêu cầu thiết kế chống động đất.

Tiếp theo là yếu tố hậu cần, điều khiến người mua bất ngờ thường xuyên hơn bất kỳ thông số điện nào khác. Các mỏ địa nhiệt thường chỉ có thể tiếp cận qua những con đường dài, mặt đường kém và giới hạn trọng lượng trên mỗi trục xe rất khắt khe. Việc vận chuyển một thiết bị đã lắp ráp hoàn chỉnh nặng 40 tấn tới khu vực xa xôi có thể là điều bất khả thi. Giải pháp thực tế là thiết kế có thể vận chuyển từng bộ phận rời: thùng máy được vận chuyển khi đã rút hết dầu, bộ tản nhiệt được đóng kiện riêng, sứ cách điện được đựng trong các hộp chuyên dụng, kèm theo quy trình lắp ráp tại hiện trường được tài liệu hóa đầy đủ cùng các giá trị mô-men xiết cụ thể. Sản phẩm máy biến áp ngâm dầu của chúng tôi thường được cung cấp theo cấu hình này cho các dự án phát điện ở khu vực xa xôi.

 

 

Ryan Electric chuẩn bị một đơn vị cho nhiệm vụ địa nhiệt như thế nào

Mỗi đơn đặt hàng địa nhiệt đều được kiểm tra theo danh sách đặc tả riêng, khác với danh sách dành cho đơn vị phân phối tiêu chuẩn. Các thay đổi vật liệu được ghi rõ trên bảng vật tư để người mua có thể kiểm toán: không sử dụng tiếp điểm mạ bạc, bảo quản dầu kín, lớp phủ C5-M, giảm công suất theo độ cao đã được xác minh, và hệ thống neo chống động đất đã được tài liệu hóa. Báo cáo thử nghiệm định kỳ sau đó bao gồm dữ liệu điện trở lạnh và tỷ số cần thiết cho quá trình vận hành, được đo lường dựa trên các vị trí đầu nối thực tế được cung cấp.

Chúng tôi sản xuất tại cơ sở có diện tích 120.000 mét vuông, trang bị hơn 180 bộ thiết bị sản xuất và kiểm tra, cùng 37 bằng sáng chế; đồng thời chúng tôi đạt chứng nhận UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS và CE. Kể từ năm 2023, Ryan Electric hoạt động với tư cách là đối tác liên doanh chính thức của Eaton, và mối quan hệ này đã làm chặt chẽ hơn các tiêu chuẩn tài liệu mà chúng tôi tuân thủ. Các thiết bị chúng tôi cung cấp cho các địa điểm có độ ăn mòn cao, độ cao lớn và vùng xa xôi đều thuộc cùng một nền tảng mà chúng tôi sản xuất cho khách hàng trung tâm dữ liệu, ngành điện lực và khai khoáng, được đặc tả phù hợp với điều kiện thực tế tại địa điểm.

 

Những nội dung cần đưa vào yêu cầu báo giá (RFQ) cho máy biến áp địa nhiệt

Hầu hết các RFQ địa nhiệt mà chúng tôi nhận được chỉ liệt kê điện áp, công suất định mức và trở kháng, rồi dừng lại ở đó. Ba yếu tố này không mô tả đầy đủ yêu cầu vận hành trong điều kiện địa nhiệt. Hãy bổ sung bảy thông số đầu vào sau để đảm bảo báo giá bạn nhận được có thể so sánh được giữa các nhà cung cấp:

Nồng độ H2S. Đo theo ppm trong hơi nước hoặc nước khoáng, kèm theo việc xác định địa điểm có nằm gần bờ biển hay không.

Nhiệt độ môi trường và độ cao tại địa điểm. Nhiệt độ môi trường tối đa dùng để thiết kế (tính theo °C) và độ cao so với mực nước biển.

Loại độ ăn mòn và hệ thống lớp phủ. Loại theo ISO 12944-2 kèm độ dày màng khô yêu cầu.

Hồ sơ tải và hệ số công suất. Số giờ vận hành có tải dự kiến trong một năm, không chỉ đơn thuần là công suất định mức (kVA).

Mức tăng nhiệt độ cuộn dây và giới hạn điểm nóng nhất. Nêu rõ mức tăng nhiệt độ mong muốn, hoặc yêu cầu nhà cung cấp giải trình về giá trị mặc định.

Yêu cầu chống động đất. Có bắt buộc phải đạt tiêu chuẩn IEEE 693 hay áp dụng tiêu chí neo giữ riêng theo địa điểm.

Giới hạn vận chuyển. Trọng lượng tối đa cho từng bộ phận, ràng buộc về đường vận chuyển và việc lắp ráp tại hiện trường có được kỳ vọng hay không.

 

Trước khi bạn xác định đơn vị địa nhiệt tiếp theo

Gửi cho chúng tôi dữ liệu thực địa — nồng độ H2S, điều kiện môi trường, độ cao so với mực nước biển, vùng động đất và biểu đồ tải — và đội kỹ thuật của chúng tôi sẽ cung cấp bảng đặc tả kỹ thuật bao gồm các thay thế vật liệu, tính toán làm mát và kế hoạch vận chuyển. Chúng tôi thà tranh luận về hệ thống sơn trên giấy hơn là thay thế một cụm tản nhiệt tại hiện trường.

Giới Thiệu Tác Giả: Bài viết này do đội kỹ thuật của Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) biên soạn, một nhà sản xuất máy biến áp kiểu đổ resin, ngâm dầu và lắp trên nền bê tông, phục vụ khách hàng trong lĩnh vực điện lực, trung tâm dữ liệu, phát điện tái tạo và công nghiệp kể từ năm 2007. Đội ngũ này làm việc hàng ngày với các yêu cầu IEEE C57 và IEC 60076, đồng thời hỗ trợ các nhà phát triển và nhà thầu EPC trong suốt quá trình lập đặc tả, kiểm tra tại nhà máy và đưa vào vận hành tại hiện trường.