Enfriamiento con hidrógeno de un generador síncrono

Enfriamiento con Hidrógeno de Generadores Síncronos

El gas de hidrógeno se utiliza como medio de enfriamiento dentro de las carcasas de los generadores debido a sus excepcionales propiedades de enfriamiento. Sin embargo, es crucial tener en cuenta que ciertas mezclas de hidrógeno y aire son altamente explosivas. Puede ocurrir una reacción explosiva cuando la mezcla de hidrógeno - aire contiene entre 6% de hidrógeno y 94% de aire hasta 71% de hidrógeno y 29% de aire. Las mezclas con más del 71% de hidrógeno no son combustibles. En aplicaciones prácticas, una proporción de 9:1 de hidrógeno a aire se emplea comúnmente en turboalternadores muy grandes.

Aspectos Clave del Enfriamiento con Hidrógeno

Ventajas sobre el Enfriamiento con Aire

• Rendimiento de Enfriamiento Mejorado: El gas de hidrógeno tiene una conductividad térmica significativamente mayor en comparación con el aire. Tiene 1.5 veces la capacidad de transferencia de calor del aire, lo que permite un enfriamiento mucho más rápido de los componentes del generador. Esta rápida disipación de calor ayuda a mantener temperaturas óptimas de operación y reduce el riesgo de sobrecalentamiento.

• Mejora del Rostro, Eficiencia y Reducción de Ruido: A la misma temperatura y presión, la densidad del hidrógeno es aproximadamente 1/14 de la del aire. Cuando las partes rotativas del generador operan en este entorno gaseoso de baja densidad, las pérdidas por rostro se minimizan. Como resultado, la eficiencia general de la máquina aumenta, y el ruido generado durante la operación se reduce, lo que lleva a un generador más eficiente y silencioso.

• Prevención de Corona: Cuando se usa el aire como medio de enfriamiento, puede ocurrir descarga de corona dentro del generador. Esta descarga produce sustancias como ozono, óxidos de nitrógeno y ácido nítrico, que pueden dañar severamente el aislamiento del generador. En contraste, el enfriamiento con hidrógeno previene efectivamente el efecto de corona, prolongando así la vida útil del aislamiento y reduciendo la necesidad de mantenimiento y reemplazo frecuentes.

Limitaciones

• Construcción Costosa: Los alternadores refrigerados con hidrógeno requieren marcos más caros. Esto se debe a la necesidad de implementar una construcción a prueba de explosiones y sellos de eje herméticos para prevenir fugas de hidrógeno y posibles explosiones. Estas características adicionales de seguridad aumentan el costo total de fabricación del generador.

• Proceso Complejo de Admisión de Gas: Se deben tomar precauciones especiales al introducir hidrógeno en el alternador para evitar la creación de mezclas explosivas. Dos métodos comunes utilizados son:

• Sustitución de Gas: Primero, el aire dentro del alternador se reemplaza con dióxido de carbono (CO2), y luego se introduce el hidrógeno. Este proceso paso a paso asegura que se evite el rango explosivo de las mezclas de hidrógeno - aire.

• Bombeo al Vacío: La unidad del alternador se evacúa hasta 1/5 de la presión atmosférica antes de admitir el hidrógeno. Esto reduce la presencia de aire y minimiza el riesgo de una reacción explosiva durante la introducción de hidrógeno.

• Requisitos Adicionales de Enfriamiento: Para extraer eficazmente el calor del hidrógeno, se deben instalar bobinas de enfriamiento que contienen aceite o agua dentro de la carcasa del generador. Estas bobinas son esenciales para mantener la temperatura adecuada del hidrógeno mientras circula por la máquina.

• Limitaciones de Capacidad: A pesar de sus muchas ventajas, el enfriamiento con hidrógeno es insuficiente para alternadores grandes con capacidades superiores a 500 MW. El calor generado por estas máquinas de alta potencia requiere soluciones de enfriamiento más avanzadas, como el enfriamiento directo con agua, para garantizar una operación confiable.

Detalles Operativos

Para prevenir la formación de mezclas explosivas de hidrógeno - aire, el gas de hidrógeno dentro del generador se mantiene a una presión superior a la presión atmosférica. Esta presión positiva impide la filtración hacia adentro del aire, que podría contaminar el hidrógeno y crear una situación peligrosa. El enfriamiento con hidrógeno a presiones 1, 2 y 3 veces la presión atmosférica puede aumentar la clasificación del generador en 15%, 30% y 40% respectivamente, en comparación con su clasificación refrigerada con aire.

Los sistemas de enfriamiento con hidrógeno requieren un sistema de circulación totalmente sellado y eficiente. Se instalan glándulas selladas con aceite entre el eje y la carcasa. Estas glándulas desempeñan un papel crucial en la prevención de fugas de hidrógeno y la entrada de aire. Dado que el aceite en estas glándulas absorbe tanto el hidrógeno que fuga como el aire que ingresa, necesita ser purificado regularmente para mantener su efectividad.

El gas de hidrógeno se circula a través del rotor y el estator del generador utilizando sopladores y ventiladores. Después de pasar por los componentes del generador, el hidrógeno calentado se dirige sobre las bobinas de enfriamiento ubicadas dentro de la carcasa. Estas bobinas, que pueden estar llenas de aceite o agua, absorben el calor del hidrógeno, enfriándolo antes de que se recircule de nuevo a través del generador.

En general, el enfriamiento con hidrógeno ofrece varias ventajas significativas sobre el enfriamiento con aire, incluyendo una mayor eficiencia de enfriamiento, un rendimiento mejorado de la máquina y una vida útil extendida del aislamiento. Sin embargo, también presenta sus propios desafíos y limitaciones que deben gestionarse cuidadosamente para garantizar una operación segura y confiable del generador.