Refredament amb hidrogen d'un generador síncron

Refredament d'hidrogen dels generadors síncrons

L'hidrogen es fa servir com a mitjà de refredament dins de les caixes dels generadors gràcies a les seves excepcionals propietats de refredament. No obstant això, és crucial tenir en compte que certes mescltures d'hidrogen i aire són altament explosives. Una reacció explosiva pot produir-se quan la mescla d'hidrogen - aire conté entre un 6% d'hidrogen i un 94% d'aire fins a un 71% d'hidrogen i un 29% d'aire. Les mescltures amb més del 71% d'hidrogen no són combustibles. En aplicacions pràctiques, es sol utilitzar una relació de 9:1 d'hidrogen a l'aire en turbogeneradors molt grans.

Aspectes Clau del Refredament d'Hidrogen

Avantatges sobre el Refredament per Aire

• Millor Rendiment de Refredament: El gas hidrogen té una conductivitat tèrmica significativament més alta que l'aire. Té 1,5 vegades la capacitat de transferència de calor de l'aire, permetent un refredament molt més ràpid de les components del generador. Aquesta dissipació ràpida de calor ajuda a mantenir temperatures operatives òptimes i reduïr el risc de sobrecalentament.

• Millora de la Perdida de Ventilació, Eficiència i Reducció de Soroll: A la mateixa temperatura i pressió, la densitat de l'hidrogen és aproximadament 1/14 de la de l'aire. Quan les parts rotatives del generador operen en aquest entorn de gas hidrogen de baixa densitat, les pèrdues de ventilació són minimitzades. Com a resultat, l'eficiència global de la màquina augmenta, i el soroll generat durant l'operació es redueix, conduint a un generador més eficient i menys sorollos.

• Prevenció de la Corona: Quan s'utilitza l'aire com a mitjà de refredament, pot produir-se una descàrrega de corona dins del generador. Aquesta descàrrega produeix substàncies com l'ozone, els òxids nítrics i l'àcid nítric, que poden dañar gravement l'aïllament del generador. En canvi, el refredament per hidrogen prevé efectivament l'efecte de corona, ampliant així la vida útil de l'aïllament i reduint la necessitat de manteniment i substitució freqüents.

Limitacions

• Construcció Costosa: Els alternadors refredats per hidrogen requereixen carrosseries més cares. Això és degut a la necessitat d'implementar una construcció antieixplodible i juntes d'eix estanques al gas per prevenir filtracions d'hidrogen i explosions potencials. Aquests elements addicionals de seguretat incrementen el cost total de fabricació del generador.

• Procés Complex d'Admissió de Gas: S'han de prendre precaucions especials quan s'introdueix l'hidrogen a l'alternador per evitar la creació de mescltures explosives. Es fan servir dos mètodes comuns:

• Substitució de Gas: Primer, l'aire dins de l'alternador es substitueix per diòxid de carboni (CO2), i després s'introdueix l'hidrogen. Aquest procés pas a pas assegura que es vagi evitant la gamma explosiva de les mescltures d'hidrogen - aire.

• Pompeig al Vací: La unitat de l'alternador es va buidant fins a 1/5 de la pressió atmosfèrica abans d'admetre l'hidrogen. Això redueix la presència d'aire i minimitza el risc de reacció explosiva durant la introducció de l'hidrogen.

• Requisits Addicionals de Refredament: Per extreure eficientment el calor de l'hidrogen, cal instal·lar bobines de refredament que porten oli o aigua dins de la carcassa del generador. Aquestes bobines són essencials per mantenir la temperatura adequada de l'hidrogen mentre circula a través de la màquina.

• Limitacions de Capacitat: Malgrat els seus molts avantatges, el refredament per hidrogen no és suficient per a alternadors grans amb capacitats superiors als 500 MW. El calor generat per aquestes màquines d'alta potència requereix solucions de refredament més avançades, com el refredament directe per aigua, per assegurar un funcionament fiable.

Detalls Operatius

Per prevenir la formació de mescltures d'hidrogen - aire explosives, el gas d'hidrogen dins del generador es manté a una pressió superior a la pressió atmosfèrica. Aquesta pressió positiva evita la penetració cap endins de l'aire, que podria contaminar l'hidrogen i crear una situació perillosa. El refredament per hidrogen a pressions 1, 2 i 3 vegades la pressió atmosfèrica pot augmentar la classificació del generador en un 15%, 30% i 40% respectivament, en comparació amb la seva classificació refredada per aire.

Els sistemes de refredament per hidrogen requereixen un sistema de circulació completament tancat i eficient. Es instal·len glàndules selles amb oli entre l'eix i la carcassa. Aquestes glàndules juguen un paper crucial en prevenir la filtració d'hidrogen i la entrada d'aire. Com que l'oli en aquestes glàndules absorbeix tant l'hidrogen que filtra com l'aire que entra, ha de ser purificat regularment per mantenir la seva eficàcia.

El gas d'hidrogen es circula a través del rotor i de l'estator del generador mitjançant ventiladors i soffients. Després de passar a través de les components del generador, l'hidrogen calent es dirigeix sobre les bobines de refredament situades dins de la carcassa. Aquestes bobines, que poden estar omplides d'oli o aigua, absorben el calor de l'hidrogen, refredant-lo abans de ser recirculat a través del generador.

En general, el refredament per hidrogen ofereix diversos beneficis significatius sobre el refredament per aire, incloent-hi una millor eficiència de refredament, un rendiment millorat de la màquina i una vida útil més llarga de l'aïllament. No obstant això, també comporta els seus propis reptes i limitacions que cal gestionar amb cura per assegurar un funcionament segur i fiable del generador.