Refroidissement à l'hydrogène d'un générateur synchrone

Refroidissement à l'hydrogène des alternateurs synchrones

Le gaz d'hydrogène est utilisé comme milieu de refroidissement à l'intérieur des caissons d'alternateurs en raison de ses propriétés exceptionnelles de refroidissement. Cependant, il est crucial de noter que certains mélanges d'hydrogène et d'air sont hautement explosifs. Une réaction explosive peut se produire lorsque le mélange hydrogène - air contient entre 6% d'hydrogène et 94% d'air et 71% d'hydrogène et 29% d'air. Les mélanges contenant plus de 71% d'hydrogène ne sont pas combustibles. Dans les applications pratiques, un rapport de 9:1 d'hydrogène à l'air est couramment employé dans les très grands turbo-alternateurs.

Aspects clés du refroidissement à l'hydrogène

Avantages par rapport au refroidissement à l'air

• Performance de refroidissement améliorée : Le gaz d'hydrogène présente une conductivité thermique significativement supérieure à celle de l'air. Il a 1,5 fois la capacité de transfert de chaleur de l'air, permettant un refroidissement beaucoup plus rapide des composants de l'alternateur. Cette dissipation rapide de la chaleur aide à maintenir des températures de fonctionnement optimales et réduit le risque de surchauffe.

• Amélioration des pertes par frottement, de l'efficacité et réduction du bruit : À la même température et pression, la densité de l'hydrogène est environ 1/14ème de celle de l'air. Lorsque les parties rotatives de l'alternateur fonctionnent dans cet environnement de gaz d'hydrogène de faible densité, les pertes par frottement sont minimisées. En conséquence, l'efficacité globale de la machine augmente et le bruit généré pendant le fonctionnement est réduit, conduisant à un alternateur plus efficace et plus silencieux.

• Prévention de la corona : Lorsque l'air est utilisé comme milieu de refroidissement, un décharge de corona peut se produire à l'intérieur de l'alternateur. Cette décharge produit des substances telles que l'ozone, les oxydes d'azote et l'acide nitrique, qui peuvent endommager gravement l'isolation de l'alternateur. En revanche, le refroidissement à l'hydrogène empêche efficacement l'effet de corona, prolongeant ainsi la durée de vie de l'isolation et réduisant la nécessité d'une maintenance et d'un remplacement fréquents.

Limitations

• Construction coûteuse : Les alternateurs refroidis à l'hydrogène nécessitent des cadres plus coûteux. Ceci est dû à la nécessité de mettre en œuvre une construction anti-explosion et des joints d'arbre étanches pour prévenir les fuites d'hydrogène et les explosions potentielles. Ces caractéristiques de sécurité supplémentaires ajoutent au coût total de fabrication de l'alternateur.

• Processus complexe d'admission de gaz : Des précautions spéciales doivent être prises lors de l'introduction d'hydrogène dans l'alternateur pour éviter la formation de mélanges explosifs. Deux méthodes courantes sont utilisées :

• Substitution de gaz : D'abord, l'air à l'intérieur de l'alternateur est remplacé par du dioxyde de carbone (CO2), puis l'hydrogène est introduit. Ce processus étape par étape garantit que la plage explosive des mélanges hydrogène - air est évitée.

• Pompage sous vide : L'unité de l'alternateur est évacuée jusqu'à 1/5ème de la pression atmosphérique avant l'admission d'hydrogène. Cela réduit la présence d'air et minimise le risque de réaction explosive pendant l'introduction d'hydrogène.

• Exigences de refroidissement supplémentaires : Pour extraire efficacement la chaleur de l'hydrogène, des bobines de refroidissement contenant de l'huile ou de l'eau doivent être installées à l'intérieur du caisson de l'alternateur. Ces bobines sont essentielles pour maintenir la température appropriée de l'hydrogène alors qu'il circule à travers la machine.

• Limitations de capacité : Malgré ses nombreux avantages, le refroidissement à l'hydrogène est insuffisant pour les alternateurs de grande puissance dépassant 500 MW. La chaleur générée par ces machines à haute puissance nécessite des solutions de refroidissement plus avancées, telles que le refroidissement direct par eau, pour assurer un fonctionnement fiable.

Détails opérationnels

Pour prévenir la formation de mélanges hydrogène - air explosifs, le gaz d'hydrogène à l'intérieur de l'alternateur est maintenu à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Cette pression positive empêche l'infiltration d'air, qui pourrait contaminer l'hydrogène et créer une situation dangereuse. Le refroidissement à l'hydrogène à des pressions 1, 2 et 3 fois la pression atmosphérique peut augmenter le taux nominal de l'alternateur de 15%, 30% et 40% respectivement, par rapport à son taux nominal refroidi à l'air.

Les systèmes de refroidissement à l'hydrogène nécessitent un système de circulation entièrement scellé et efficace. Des glandes étanches à l'huile sont installées entre l'arbre et le caisson. Ces glandes jouent un rôle crucial dans la prévention des fuites d'hydrogène et de l'intrusion d'air. Comme l'huile dans ces glandes absorbe à la fois l'hydrogène qui fuit et l'air entrant, elle doit être purifiée régulièrement pour maintenir son efficacité.

Le gaz d'hydrogène est circulé à travers le rotor et le stator de l'alternateur à l'aide de soufflantes et de ventilateurs. Après avoir traversé les composants de l'alternateur, l'hydrogène chauffé est dirigé sur des bobines de refroidissement situées à l'intérieur du caisson. Ces bobines, qui peuvent être remplies d'huile ou d'eau, absorbent la chaleur de l'hydrogène, le refroidissant avant qu'il soit recirculé à travers l'alternateur.

Dans l'ensemble, le refroidissement à l'hydrogène offre plusieurs avantages significatifs par rapport au refroidissement à l'air, notamment une meilleure efficacité de refroidissement, une performance améliorée de la machine et une durée de vie de l'isolation prolongée. Cependant, il comporte également ses propres défis et limitations qui doivent être gérés avec soin pour assurer un fonctionnement sûr et fiable de l'alternateur.