ژنراتور همزمان با خنک کننده هیدروژن

سیکل هیدروژن برای ژنراتورهای همزمان

گاز هیدروژن به عنوان ماده خنک کننده درون پوسته ژنراتورها به دلیل ویژگی‌های استثنایی خنک‌سازی آن استفاده می‌شود. با این حال، باید توجه داشت که برخی از مخلوط‌های هیدروژن و هوا بسیار منفجرپذیر هستند. واکنش انفجاری می‌تواند زمانی رخ دهد که مخلوط هیدروژن - هوا شامل ۶٪ هیدروژن و ۹۴٪ هوا تا ۷۱٪ هیدروژن و ۲۹٪ هوا باشد. مخلوط‌های با بیش از ۷۱٪ هیدروژن قابل سوزن نیستند. در کاربردهای عملی، نسبت ۹ به ۱ هیدروژن به هوا معمولاً در توربو-الترناتورهای بسیار بزرگ استفاده می‌شود.

جنبه‌های کلیدی خنک‌سازی هیدروژن

مزایای خنک‌سازی هیدروژن نسبت به خنک‌سازی هوا

• کارایی خنک‌سازی بهبود یافته: گاز هیدروژن نسبت به هوا هدایت حرارتی بسیار بالاتری دارد. آن ۱.۵ برابر قابلیت انتقال گرمای هوا را دارد، که این امر موجب خنک شدن سریع‌تر المان‌های ژنراتور می‌شود. این انتقال گرمای سریع کمک می‌کند تا دماهای عملیاتی بهینه حفظ شوند و خطر سوختن کاهش یابد.

• بهبود ضربه بادی، کارایی و کاهش صدا: در دمای یکسان و فشار یکسان، چگالی هیدروژن تقریباً ۱/۱۴ام چگالی هوا است. وقتی بخش‌های چرخان ژنراتور در محیط گاز هیدروژن با چگالی پایین عمل می‌کنند، ضربه بادی کاهش می‌یابد. در نتیجه، کارایی کلی ماشین افزایش می‌یابد و صدای تولید شده در طول عملیات کاهش می‌یابد، که منجر به یک ژنراتور کاراتر و آرام‌تر می‌شود.

• جلوگیری از کرونا: زمانی که هوا به عنوان ماده خنک‌کننده استفاده می‌شود، جریان کرونا می‌تواند در ژنراتور رخ دهد. این جریان موادی مانند ازن، اکسیدهای نیتروژن و اسید نیتریک را تولید می‌کند که می‌توانند عایق ژنراتور را به شدت آسیب برسانند. در مقابل، خنک‌سازی هیدروژن به طور موثر جلوی اثر کرونا را می‌گیرد، بنابراین عمر عایق را افزایش می‌دهد و نیاز به تعمیر و تعویض مکرر را کاهش می‌دهد.

محدودیت‌ها

• ساختار گران‌قیمت: الترناتورهای خنک‌شده با هیدروژن نیاز به قاب‌های گران‌قیمت‌تری دارند. این به دلیل لزوم اجرای ساختار ضد انفجار و دیواره‌های محور بدون نشتی برای جلوگیری از نشت هیدروژن و انفجارهای پتانسیلی است. این ویژگی‌های ایمنی اضافی به هزینه ساخت کلی ژنراتور اضافه می‌کنند.

• فرآیند پیچیده ورود گاز: احتیاط‌های خاصی باید در هنگام ورود هیدروژن به الترناتور اتخاذ شود تا از ایجاد مخلوط‌های انفجاری جلوگیری شود. دو روش معمول وجود دارد:

• جایگزینی گاز: ابتدا هوا داخل الترناتور با دی اکسید کربن (CO2) جایگزین می‌شود و سپس هیدروژن وارد می‌شود. این فرآیند مرحله‌ای اطمینان می‌دهد که محدوده انفجاری مخلوط‌های هیدروژن-هوا اجتناب شود.

• پمپ‌کردن خلاء: واحد الترناتور به یک پنجم فشار جوی خلاء می‌شود قبل از ورود هیدروژن. این کاهش حضور هوا را می‌کاهش می‌دهد و خطر واکنش انفجاری در زمان ورود هیدروژن را کاهش می‌دهد.

• نیازهای خنک‌سازی اضافی: برای استخراج مؤثر گرما از هیدروژن، لوله‌های خنک‌کننده حاوی روغن یا آب باید درون پوسته ژنراتور نصب شوند. این لوله‌ها برای حفظ دمای صحیح هیدروژن در طول گردش آن در ماشین ضروری هستند.

• محدودیت ظرفیت: با وجود مزایای زیاد، خنک‌سازی هیدروژن برای الترناتورهای بزرگ با ظرفیت بیش از ۵۰۰ MW کافی نیست. گرما تولید شده توسط این دستگاه‌های با توان بالا نیاز به راه‌حل‌های خنک‌سازی پیشرفته‌تری مانند خنک‌سازی مستقیم با آب دارد تا عملکرد قابل اعتمادی تضمین شود.

جزئیات عملیاتی

برای جلوگیری از تشکیل مخلوط‌های هیدروژن-هوا انفجاری، گاز هیدروژن درون ژنراتور با فشاری بیش از فشار جوی حفظ می‌شود. این فشار مثبت جلوی نشتی داخلی هوا را می‌گیرد که می‌تواند هیدروژن را آلوده کرده و وضعیت خطرناکی ایجاد کند. خنک‌سازی هیدروژن با فشار ۱، ۲ و ۳ برابر فشار جوی می‌تواند رتبه ژنراتور را به ترتیب ۱۵٪، ۳۰٪ و ۴۰٪ نسبت به رتبه خنک‌شده با هوا افزایش دهد.

سیستم‌های خنک‌سازی هیدروژن نیاز به سیستم چرخان کاملاً بسته و کارآمد دارند. غشا‌های مخصوص روغن‌دار بین محور و پوسته نصب می‌شوند. این غشا‌ها نقش مهمی در جلوگیری از نشتی هیدروژن و ورود هوا دارند. چون روغن در این غشا‌ها هم هیدروژن نشتی و هم هوا ورودی را جذب می‌کند، باید به طور منظم پاکسازی شود تا کارایی آن حفظ شود.

گاز هیدروژن با استفاده از مراوح و فن‌ها از طریق روتور و استاتور ژنراتور چرخانده می‌شود. پس از عبور از المان‌های ژنراتور، هیدروژن گرم شده به سمت لوله‌های خنک‌کننده واقع در داخل پوسته هدایت می‌شود. این لوله‌ها که می‌توانند با روغن یا آب پر شوند، گرما را از هیدروژن جذب می‌کنند، آن را خنک می‌کنند و سپس آن را دوباره از طریق ژنراتور چرخان می‌کنند.

در مجموع، خنک‌سازی هیدروژن مزایای قابل توجهی نسبت به خنک‌سازی هوا دارد، از جمله بهبود کارایی خنک‌سازی، بهبود عملکرد ماشین و تمدید عمر عایق. با این حال، این روش نیز با چالش‌ها و محدودیت‌های خاصی مواجه است که باید به دقت مدیریت شوند تا عملکرد ایمن و قابل اعتماد ژنراتور تضمین شود.