Chlazení vodíkem synchronního generátoru

Chlazení vodíkem synchronních generátorů

Vodíkový plyn se používá jako chladicí médium uvnitř obalek generátorů díky svým vynikajícím chladicím vlastnostem. Je však nezbytné poznamenat, že některé směsi vodíku a vzduchu jsou velmi výbušné. Výbušná reakce může nastat, když směs vodíku a vzduchu obsahuje cokoli od 6 % vodíku a 94 % vzduchu až po 71 % vodíku a 29 % vzduchu. Směsi s více než 71 % vodíku nehoří. V praxi se v velkých turbogenerátorech často používá poměr 9:1 vodíku k vzduchu.

Klíčové aspekty chlazení vodíkem

Výhody oproti chlazení vzduchem

• Zlepšené chladicí vlastnosti: Vodíkový plyn má výrazně vyšší tepelnou vodivost než vzduch. Má 1,5krát vyšší schopnost přenosu tepla než vzduch, což umožňuje mnohem rychlejší ochlazování komponent generátoru. Tento rychlý odvod tepla pomáhá udržovat optimální pracovní teploty a snižuje riziko přehřátí.

• Zlepšení účinku odstředivých sil, efektivity a snížení hluku: Při stejné teplotě a tlaku je hustota vodíku přibližně 1/14 hustoty vzduchu. Když se otáčející části generátoru pohybují v tomto prostředí s nízkou hustotou vodíku, jsou ztráty na odstředivé síly minimalizovány. To způsobuje, že celková efektivita stroje roste a hluk vznikající během provozu je snížen, což vede k efektivnějšímu a tichšímu generátoru.

• Prevence koronového efektu: Když se používá vzduch jako chladicí médium, může dojít k vzniku koronového efektu uvnitř generátoru. Tento efekt produkuje látky jako ozón, oxidy dusíku a kyselina dusičná, které mohou závažně poškodit izolaci generátoru. Naopak, chlazení vodíkem efektivně previne koronový efekt, což prodlužuje životnost izolace a snižuje potřebu časté údržby a výměny.

Omezení

• Nákladná konstrukce: Alternátory chlazené vodíkem vyžadují dražší rámy. To je způsobeno nutností implementace výbušně bezpečné konstrukce a plynocité těsnění hřídele, aby se zabránilo úniku vodíku a možným výbuchům. Tyto dodatečné bezpečnostní prvky přidávají k celkové výrobní ceně generátoru.

• Složitý proces přívodu plynu: Při zavedení vodíku do alternátoru musí být podniknuty speciální opatrnosti, aby se zabránilo vytvoření výbušných směsí. Dvě běžně používané metody jsou:

• Plynová substituce: Nejdříve se vzduch uvnitř alternátoru nahradí oxidem uhličitým (CO2) a pak se zavede vodík. Tento postupný proces zajistí, aby byl výbušný rozsah směsí vodíku a vzduchu vyhnán.

• Vakuové čerpání: Jednotka alternátoru je evakuována na 1/5 atmosférického tlaku, než se zavede vodík. To snižuje přítomnost vzduchu a minimalizuje riziko výbušné reakce během zavádění vodíku.

• Dodatečné chladicí požadavky: Pro efektivní odvod tepla z vodíku musí být uvnitř obalu generátoru instalovány chladicí cívky plněné olejem nebo vodou. Tyto cívky jsou nezbytné pro udržování správné teploty vodíku, když se pohybuje skrz stroj.

• Omezení kapacity: Navzdory mnoha výhodám je chlazení vodíkem nedostatečné pro velké alternátory s kapacitou nad 500 MW. Teplota vyzařovaná těmito vysokovýkonnými stroji vyžaduje pokročilejší chladicí řešení, jako je přímé vodní chlazení, aby byla zajištěna spolehlivá operace.

Provozní detaily

Aby se zabránilo vytvoření výbušných směsí vodíku a vzduchu, je vodíkový plyn uvnitř generátoru udržován pod tlakem vyšším než atmosférický tlak. Tento kladný tlak brání pronikání vzduchu, které by mohlo kontaminovat vodík a vytvořit nebezpečnou situaci. Chlazení vodíkem za tlaku 1, 2 a 3krát vyšším než atmosférický tlak může zvýšit hodnocení generátoru o 15 %, 30 % a 40 %, v porovnání s jeho hodnocením při chlazení vzduchem.

Systémy chlazení vodíkem vyžadují úplně uzavřený a efektivní oběh. Mezi hřídel a obal jsou instalovány speciální olejové těsnění. Tyto těsnění hrají klíčovou roli v prevenci úniku vodíku a pronikání vzduchu. Protože olej v těchto těsněních absorbuje jak unikající vodík, tak i přicházející vzduch, musí být pravidelně čištěn, aby se udržela jeho efektivita.

Vodíkový plyn se circuluje skrz rotor a stator generátoru pomocí ventilátorů a čerpadel. Po procházení komponent generátoru je ohřátý vodík vedán přes chladicí cívky umístěné uvnitř obalu. Tyto cívky, které mohou být plněny buď olejem, nebo vodou, absorbují teplo z vodíku, který se ochlazuje, než se znovu recirkuluje skrz generátor.

Celkově nabízí chlazení vodíkem několik významných výhod oproti chlazení vzduchem, včetně zlepšené chladicí efektivity, zvýšeného výkonu stroje a prodloužené životnosti izolace. Nicméně, přináší také své vlastní sady výzev a omezení, které je třeba pečlivě spravovat, aby byla zajištěna bezpečná a spolehlivá operace generátoru.