تبريد الهيدروجين لمولد متزامن
تبريد المولدات المتزامنة بالهيدروجين
يُستخدم غاز الهيدروجين كوسط تبريد داخل أغلفة المولدات نظرًا لخصائص التبريد الاستثنائية التي يمتلكها. ومع ذلك، من الضروري ملاحظة أن بعض خليط الهيدروجين والهواء قابل للانفجار بدرجة عالية. يمكن أن يحدث رد فعل انفجاري عندما يحتوي خليط الهيدروجين - الهواء على نسبة تتراوح بين 6% هيدروجين و94% هواء إلى 71% هيدروجين و29% هواء. الخلطات التي تحتوي على أكثر من 71% هيدروجين غير قابلة للاشتعال. في التطبيقات العملية، يتم استخدام نسبة 9:1 من الهيدروجين إلى الهواء بشكل شائع في التوربينات البديلة الكبيرة جدًا.
الجوانب الرئيسية لتبريد الهيدروجين
مزايا تبريد الهيدروجين مقارنة بتبريد الهواء
تحسين أداء التبريد: يتمتع غاز الهيدروجين بنقل حراري أعلى بكثير مقارنة بالهواء. فهو يمتلك قدرة على نقل الحرارة تبلغ 1.5 مرة أكبر من الهواء، مما يسمح بتبريد أسرع للمكونات المولدة. هذا التبريد السريع يساعد في الحفاظ على درجات الحرارة المثلى للعمل ويقلل من خطر الاحترار الزائد.
تحسين الفقد الناجم عن الرياح وكفاءة التشغيل وتقليل الضوضاء: عند نفس درجة الحرارة والضغط، تكون كثافة الهيدروجين حوالي 1/14 من كثافة الهواء. عندما تعمل الأجزاء الدوارة للمولد في هذا البيئة الغازية ذات الكثافة المنخفضة، يتم تقليل الفقد الناجم عن الرياح. نتيجة لذلك، تزداد الكفاءة الكلية للمعدة وتقل الضوضاء الناتجة عن التشغيل، مما يؤدي إلى مولد أكثر كفاءة وأكثر هدوءًا.
منع ظاهرة الكورونا: عندما يستخدم الهواء كوسط تبريد، يمكن حدوث تصريف كورونا داخل المولد. هذا التصريف ينتج مواد مثل الأوزون والأكاسيد النيتروجينية والحامض النيتريك، والتي يمكن أن تسبب أضرارًا شديدة للعزل الكهربائي للمولد. في المقابل، يقوم تبريد الهيدروجين بمنع ظاهرة الكورونا فعالًا، مما يطيل عمر العزل ويقلل الحاجة للصيانة المتكررة والاستبدال.
القيود
تكلفة البناء المرتفعة: يتطلب المولدون المبردون بالهيدروجين أطرًا أكثر تكلفة. وهذا بسبب ضرورة تنفيذ بناء مضاد للانفجارات وختم محكم للعمود لتوفير حماية ضد تسرب الهيدروجين والانفجارات المحتملة. هذه الخصائص الإضافية للأمان تضيف إلى تكلفة تصنيع المولد بشكل عام.
عملية إدخال الغاز المعقدة: يجب اتخاذ الاحتياطات الخاصة عند إدخال الهيدروجين إلى المولد لتجنب خلق خلطات قابلة للاشتعال. هناك طريقتان شائعتان تستخدمان:
تبديل الغاز: أولاً، يتم استبدال الهواء الموجود داخل المولد بثاني أكسيد الكربون (CO2)، ثم يتم إدخال الهيدروجين. هذه العملية خطوة بخطوة تضمن تجنب نطاق الانفجارات المحتملة للخلطات الهيدروجين - الهواء.
شفط الفراغ: يتم تفريغ الوحدة المولدة حتى يصل الضغط إلى خمس الضغط الجوي قبل إدخال الهيدروجين. هذا يقلل من وجود الهواء ويقلل من خطر حدوث رد فعل انفجاري أثناء إدخال الهيدروجين.
متطلبات تبريد إضافية: لاستخراج الحرارة من الهيدروجين بكفاءة، يجب تركيب ملفات تبريد تحمل زيت أو ماء داخل غلاف المولد. هذه الملفات ضرورية للحفاظ على درجة الحرارة المناسبة للهيدروجين أثناء دورانه داخل الجهاز.
قيود السعة: رغم العديد من المزايا، فإن تبريد الهيدروجين غير كافٍ لمولدات كبيرة بسعة تتجاوز 500 ميجاواط. الحرارة الناتجة عن هذه الأجهزة ذات الطاقة العالية تتطلب حلول تبريد متقدمة أكثر، مثل التبريد المباشر بالماء، لضمان التشغيل الموثوق به.
تفاصيل التشغيل
لمكافحة تكوين خلطات الهيدروجين - الهواء القابلة للاشتعال، يتم الحفاظ على غاز الهيدروجين داخل المولد بضغط أعلى من الضغط الجوي. هذا الضغط الإيجابي يمنع تسرب الهواء الداخل، والذي قد يلوث الهيدروجين ويخلق وضعًا خطيرًا. يمكن أن يزيد تبريد الهيدروجين عند ضغوط 1 و2 و3 أضعاف الضغط الجوي من تصنيف المولد بنسبة 15% و30% و40% على التوالي، مقارنة بتصنيفه عند التبريد بالهواء.
تحتاج أنظمة تبريد الهيدروجين إلى نظام دائر كامل ومغلق ومحمي بكفاءة. يتم تركيب غدد مختومة بالزيت بين العمود والغلاف. تلعب هذه الغدد دورًا مهمًا في منع تسرب الهيدروجين ودخول الهواء. بما أن الزيت في هذه الغدد يمتص كلًا من الهيدروجين المسرب والهواء الداخل، يجب تنقيته بانتظام للحفاظ على فعاليته.
يتم تدوير غاز الهيدروجين عبر روتور ومولد المولد باستخدام المراوح والمضخات. بعد مروره عبر مكونات المولد، يتم توجيه الهيدروجين المحمّى فوق ملفات التبريد الموجودة داخل الغلاف. هذه الملفات، والتي يمكن ملؤها بالزيت أو الماء، تمتص الحرارة من الهيدروجين، وتخفض درجة حرارته قبل إعادة تدويره عبر المولد.
بشكل عام، يقدم تبريد الهيدروجين العديد من المزايا الهامة مقارنة بتبريد الهواء، بما في ذلك تحسين كفاءة التبريد وتحسين أداء الجهاز وتمديد عمر العزل. ومع ذلك، يأتي أيضًا مع مجموعة من التحديات والقيود التي يجب التعامل معها بعناية لضمان تشغيل آمن وموثوق للمولد.
