Wasserstoffkühlung eines Synchrongenerators

Wasserstoffkühlung von Synchronmaschinen

Wasserstoffgas wird aufgrund seiner hervorragenden Kühlleistung als Kühlmittel innerhalb der Maschinengehäuse verwendet. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass bestimmte Mischungen aus Wasserstoff und Luft hochexplosiv sind. Eine explosive Reaktion kann eintreten, wenn die Wasserstoff-Luft-Mischung zwischen 6% Wasserstoff und 94% Luft und 71% Wasserstoff und 29% Luft liegt. Mischungen mit mehr als 71% Wasserstoff sind nicht brennbar. In der Praxis wird bei sehr großen Turbogeneratoren ein Verhältnis von 9:1 Wasserstoff zu Luft häufig angewendet.

Kernaspekte der Wasserstoffkühlung

Vorteile gegenüber Luftkühlung

• Verbesserte Kühlleistung: Wasserstoffgas hat einen signifikant höheren Wärmeleitwert im Vergleich zur Luft. Es verfügt über 1,5-mal die Wärmeübertragungsfähigkeit von Luft, was eine wesentlich schnellere Kühlung der Generatorbauteile ermöglicht. Diese schnelle Wärmeabfuhr hilft dabei, optimale Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten und das Risiko einer Überhitzung zu reduzieren.

• Verbesserter Windverlust, Effizienz und reduziertes Geräusch: Bei gleicher Temperatur und Druck hat Wasserstoff etwa 1/14 der Dichte von Luft. Wenn sich die rotierenden Teile des Generators in dieser niedrigdichten Wasserstoffgasumgebung bewegen, werden Windverluste minimiert. Dies führt zu einer Erhöhung der Gesamteffizienz der Maschine und zu einer Reduzierung des während des Betriebs erzeugten Geräusches, wodurch ein effizienterer und leiserer Generator entsteht.

• Verhinderung von Koronaentladungen: Bei der Verwendung von Luft als Kühlmittel kann es innerhalb des Generators zu Koronaentladungen kommen. Diese Entladungen produzieren Stoffe wie Ozon, Stickoxide und Salpetersäure, die die Isolierung des Generators schwer beschädigen können. Im Gegensatz dazu verhindert die Wasserstoffkühlung wirksam die Koronawirkung, was die Lebensdauer der Isolierung verlängert und den Bedarf an regelmäßiger Wartung und Ersatz reduziert.

Einschränkungen

• Kostspielige Konstruktion: Wasserstoffgekühlte Wechselrichter erfordern teurere Rahmen. Dies ist auf die Notwendigkeit der Explosionssicheren Bauweise und gasdichter Wellendichtringe zurückzuführen, um Wasserstofflecks und potenzielle Explosionen zu vermeiden. Diese zusätzlichen Sicherheitsmerkmale erhöhen die gesamten Herstellungskosten des Generators.

• Komplexer Gaszufuhrprozess: Beim Einführen von Wasserstoff in den Wechselrichter müssen besondere Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um explosive Mischungen zu vermeiden. Zwei gängige Methoden sind:

• Gaswechsel: Zuerst wird die Luft innerhalb des Wechselrichters durch Kohlendioxid (CO2) ersetzt und anschließend wird Wasserstoff eingeführt. Dieser schrittweise Prozess stellt sicher, dass der explosive Bereich von Wasserstoff-Luft-Mischungen vermieden wird.

• Vakuumpumpe: Der Wechselrichter wird bis auf 1/5 des atmosphärischen Drucks evakuiert, bevor Wasserstoff eingeführt wird. Dies reduziert die Anwesenheit von Luft und minimiert das Risiko einer explosiven Reaktion während der Wasserstoffeinführung.

• Zusätzliche Kühlbedürfnisse: Um Wärme effektiv aus dem Wasserstoff abzuleiten, müssen Kühlspulen, die Öl oder Wasser führen, innerhalb des Generatorgehäuses installiert werden. Diese Spulen sind entscheidend, um die richtige Temperatur des Wasserstoffs während seiner Durchströmung durch die Maschine beizubehalten.

• Leistungsgrenzen: Trotz vieler Vorteile reicht die Wasserstoffkühlung für große Wechselrichter mit Leistungen über 500 MW nicht aus. Die von diesen Hochleistungsmaschinen erzeugte Wärme erfordert fortgeschrittenere Kühlösungen, wie die direkte Wasserkühlung, um einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen.

Betriebliche Details

Um die Bildung von explosiven Wasserstoff-Luft-Mischungen zu verhindern, wird der Wasserstoffdruck innerhalb des Generators höher als der atmosphärische Druck gehalten. Dieser positive Druck verhindert das Einströmen von Luft, die den Wasserstoff kontaminieren und eine gefährliche Situation schaffen könnte. Die Wasserstoffkühlung bei Drücken von 1, 2 und 3 Mal dem atmosphärischen Druck kann die Nennleistung des Generators um 15%, 30% und 40% im Vergleich zur Luftkühlung erhöhen.

Wasserstoffkühlsysteme erfordern ein vollständig abgedichtetes und effizientes Umlaufsystem. Spezielle ölversiegelte Dichtungen werden zwischen der Welle und dem Gehäuse installiert. Diese Dichtungen spielen eine entscheidende Rolle bei der Verhinderung von Wasserstoffleckagen und Luftzutritt. Da das Öl in diesen Dichtungen sowohl austretenden Wasserstoff als auch eindringende Luft absorbiert, muss es regelmäßig gereinigt werden, um seine Wirksamkeit aufrechtzuerhalten.

Das Wasserstoffgas wird durch Gebläse und Lüfter durch den Rotor und den Stator des Generators zirkuliert. Nachdem es durch die Generatorkomponenten geströmt ist, wird der erwärmte Wasserstoff über Kühlspulen innerhalb des Gehäuses geleitet. Diese Spulen, die mit Öl oder Wasser gefüllt sein können, absorbieren die Wärme vom Wasserstoff, kühlen ihn ab, bevor er wieder durch den Generator zirkuliert.

Insgesamt bietet die Wasserstoffkühlung mehrere signifikante Vorteile gegenüber der Luftkühlung, einschließlich einer verbesserten Kühlleistung, einer verbesserten Maschineneffizienz und einer verlängerten Isolationslebensdauer. Allerdings kommt sie auch mit eigenen Herausforderungen und Einschränkungen, die sorgfältig verwaltet werden müssen, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des Generators sicherzustellen.