Hydrogenkøling af en synkron generator

Hydrogenkøling af synchrone generatører

Brug af brintgas som kølemiddel i generatorhuse skyldes dets fremragende køleegenskaber. Det er dog vigtigt at bemærke, at visse blandinge af brint og luft er højst eksplosive. En eksplosiv reaktion kan forekomme, når brint-luftblandingen indeholder mellem 6% brint og 94% luft til 71% brint og 29% luft. Blandinger med mere end 71% brint er ikke brandfarlige. I praksis anvendes en forhold på 9:1 mellem brint og luft ofte i meget store turbogeneratører.

Nøgleaspekter af brintkøling

Fordele sammenlignet med luftkøling

• Forbedret kølekapacitet: Brintgas har en betydeligt højere termisk ledningsevne sammenlignet med luft. Den har 1,5 gange den varmetransferevne, der er nødvendig for luft, hvilket gør, at komponenterne i generatoren kan køles hurtigere. Den hurtige varmeafledning hjælper med at opretholde optimale driftstemperaturer og reducere risikoen for overophedning.

• Forbedret vindtab, effektivitet og reduceret støj: Ved samme temperatur og tryk er densiteten af brint omtrent 1/14 af lufts. Når de roterende dele af generatoren opererer i denne lavt-densitets brintgas-miljø, er vindtabs-tab minimaliseret. Dette resulterer i en øget samlet effektivitet af maskinen, og støj, der produceres under drift, er reduceret, hvilket fører til en mere effektiv og stille generatør.

• Forebyggelse af korona-effekt: Når luft anvendes som kølemiddel, kan koronadischarge forekomme inden for generatoren. Denne udledning producerer stoffer som ozon, kvæveoksid og salpetersyre, som kan alvorligt skade isoleringen af generatoren. I modsætning hertil forebygger brintkøling effektivt koronaeffekten, hvilket forlænger levetiden af isoleringen og reducerer behovet for hyppig vedligeholdelse og udskiftning.

Begrænsninger

• Kostbar konstruktion: Brint-kølede alternatorer kræver mere dyre rammer. Dette skyldes nødvendigheden af at implementere eksplosionssikker konstruktion og gas-tætte akse-sealer for at forhindre brintudløb og potentielle eksplosioner. Disse yderligere sikkerhedsforanstaltninger øger den samlede produktionsomkostning af generatoren.

• Kompleks gasindførselsproces: Specielle forholdsregler skal træffes, når brint introduceres i alternatoren for at undgå at skabe eksplosive blandinge. To almindelige metoder anvendes:

• Gasersstatning: Først erstattes luften inden i alternatoren med kulilte (CO2), og derefter indføres brint. Denne trinvis proces sikrer, at det eksplosive område af brint-luftblandinger undgås.

• Vakuum-pumping: Alternatorenhedens enhed pumpes ned til 1/5 af atmosfæriske tryk, før brint indføres. Dette reducerer tilstedeværelsen af luft og minimere risikoen for en eksplosiv reaktion under brintindførslen.

• Yderligere køleanordninger: For at effektivt udtrække varme fra brinten, skal kølespiraler, der bærer olie eller vand, installeres inden i generatorhuset. Disse spiraler er afgørende for at opretholde den korrekte temperatur af brinten, mens den cirkulerer gennem maskinen.

• Kapacitetsbegrænsninger: Trods sine mange fordele er brintkøling utilstrækkelig for store alternatorer med kapaciteter, der overstiger 500 MW. Varmen, der genereres af disse højkraftige maskiner, kræver mere avancerede køleløsninger, såsom direkte vandkøling, for at sikre en pålidelig drift.

Driftsdetaljer

For at forhindre dannelse af eksplosive brint-luftblandinger, vedligeholdes brintgas i generatoren ved et tryk, der er højere end atmosfæriske tryk. Dette positive tryk forhindrer indstrømningen af luft, der kunne forurene brinten og skabe en farlig situation. Brintkøling ved tryk på 1, 2 og 3 gange atmosfæriske tryk kan øge generatorens rating med henholdsvis 15%, 30% og 40% sammenlignet med dens luftkølede rating.

Brintkølesystemer kræver et fuldt tæt og effektivt cirkulationsystem. Specielle olie-sigtede glande er installeret mellem aksen og huset. Disse glande spiller en afgørende rolle i at forhindre brintudløb og luftindgang. Da olie i disse glande absorberer både udløbet brint og indgående luft, skal den regelmæssigt renses for at opretholde sin effektivitet.

Brintgasen cirkuleres gennem rotor og stator i generatoren ved hjælp af blæsere og ventilatorer. Efter at være passerede gennem generatorkomponenterne, dirigeres den opvarmede brint over kølespiraler placeret inden i huset. Disse spiraler, der kan fyldes med enten olie eller vand, absorberer varmen fra brinten, køler den ned, før den gen-cirkuleres gennem generatoren.

I alt tilbyder brintkøling flere betydelige fordele sammenlignet med luftkøling, herunder forbedret køleeffektivitet, forbedret maskineperformance og forlænget isoleringsliv. Men det kommer også med sine egne udfordringer og begrænsninger, der skal håndteres med stor omhu for at sikre en sikkert og pålidelig drift af generatoren.