Raffreddamento all'idrogeno di un generatore sincrono

Raffreddamento con Idrogeno dei Generatori Sincroni

L'idrogeno viene utilizzato come mezzo di raffreddamento all'interno delle carcasse dei generatori grazie alle sue eccezionali proprietà di raffreddamento. Tuttavia, è fondamentale notare che determinate miscele di idrogeno e aria sono altamente esplosive. Una reazione esplosiva può verificarsi quando la miscela idrogeno-aria contiene tra il 6% di idrogeno e il 94% di aria fino al 71% di idrogeno e il 29% di aria. Le miscele con più del 71% di idrogeno non sono infiammabili. Nelle applicazioni pratiche, un rapporto di 9:1 tra idrogeno e aria viene comunemente impiegato nei turboalternatori molto grandi.

Aspetti Chiave del Raffreddamento con Idrogeno

Vantaggi rispetto al Raffreddamento con Aria

• Prestazioni Migliorate di Raffreddamento: Il gas idrogeno ha una conduttività termica significativamente superiore rispetto all'aria. Ha una capacità di trasferimento di calore 1,5 volte superiore all'aria, consentendo un raffreddamento molto più rapido dei componenti del generatore. Questa dissipazione rapida di calore aiuta a mantenere le temperature operative ottimali e riduce il rischio di surriscaldamento.

• Miglioramento del Ventilaggio, dell'Efficenza e Riduzione del Rumore: Alla stessa temperatura e pressione, la densità dell'idrogeno è circa 1/14 della densità dell'aria. Quando le parti rotanti del generatore operano in questo ambiente di gas idrogeno a bassa densità, le perdite per ventilaggio sono minime. Di conseguenza, l'efficienza complessiva della macchina aumenta e il rumore generato durante l'operazione si riduce, portando a un generatore più efficiente e silenzioso.

• Prevenzione del Corona: Quando l'aria viene utilizzata come mezzo di raffreddamento, può verificarsi una scarica corona all'interno del generatore. Questa scarica produce sostanze come ozono, ossidi di azoto e acido nitrico, che possono danneggiare gravemente l'isolamento del generatore. Invece, il raffreddamento con idrogeno prevenisce efficacemente l'effetto corona, prolungando così la durata dell'isolamento e riducendo la necessità di manutenzioni e sostituzioni frequenti.

Limitazioni

• Costo di Costruzione Elevato: Gli alternatori raffreddati a idrogeno richiedono telai più costosi. Ciò è dovuto alla necessità di implementare costruzioni anti-explosione e sigilli asciutti a tenuta di gas per prevenire le fughe di idrogeno e potenziali esplosioni. Queste caratteristiche di sicurezza aggiuntive aumentano il costo complessivo di fabbricazione del generatore.

• Processo Complesso di Ammissione del Gas: Devono essere prese particolari precauzioni quando si introduce l'idrogeno nell'alternatore per evitare la formazione di miscele esplosive. Vengono utilizzati due metodi comuni:

• Sostituzione del Gas: Prima, l'aria all'interno dell'alternatore viene sostituita con anidride carbonica (CO2), e poi viene introdotto l'idrogeno. Questo processo passo-passo assicura che venga evitato il range esplosivo delle miscele idrogeno-aria.

• Pompe a Vuoto: L'unità dell'alternatore viene evacuata fino a 1/5 della pressione atmosferica prima che venga ammesso l'idrogeno. Questo riduce la presenza di aria e minimizza il rischio di una reazione esplosiva durante l'introduzione dell'idrogeno.

• Requisiti di Raffreddamento Aggiuntivi: Per estrarre efficacemente il calore dall'idrogeno, devono essere installati all'interno della carcassa del generatore serpentine di raffreddamento che contengono olio o acqua. Queste serpentine sono essenziali per mantenere la temperatura corretta dell'idrogeno mentre circola attraverso la macchina.

• Limitazioni di Capacità: Nonostante i molti vantaggi, il raffreddamento con idrogeno è insufficiente per alternatori di grande dimensione con potenze superiori a 500 MW. Il calore generato da queste macchine ad alta potenza richiede soluzioni di raffreddamento più avanzate, come il raffreddamento diretto con acqua, per garantire un funzionamento affidabile.

Dettagli Operativi

Per prevenire la formazione di miscele esplosive di idrogeno-aria, il gas idrogeno all'interno del generatore viene mantenuto a una pressione superiore a quella atmosferica. Questa pressione positiva impedisce la penetrazione interna dell'aria, che potrebbe contaminare l'idrogeno e creare una situazione pericolosa. Il raffreddamento con idrogeno a pressioni 1, 2 e 3 volte la pressione atmosferica può aumentare la potenza nominale del generatore rispettivamente del 15%, 30% e 40% rispetto alla sua potenza nominale raffreddata con aria.

I sistemi di raffreddamento con idrogeno richiedono un sistema di circolazione completamente sigillato ed efficiente. Vengono installate ghiandole sigillate a olio tra l'albero e la carcassa. Queste ghiandole svolgono un ruolo cruciale nella prevenzione delle fughe di idrogeno e dell'ingresso di aria. Poiché l'olio in queste ghiandole assorbe sia l'idrogeno in fuga che l'aria entrante, deve essere purificato regolarmente per mantenere la sua efficacia.

Il gas idrogeno viene circolato attraverso il rotore e lo statore del generatore utilizzando ventilatori e soffiatori. Dopo aver passato i componenti del generatore, l'idrogeno riscaldato viene indirizzato su serpentine di raffreddamento situate all'interno della carcassa. Queste serpentine, che possono essere riempite con olio o acqua, assorbono il calore dall'idrogeno, raffreddandolo prima che venga ricircolato attraverso il generatore.

In generale, il raffreddamento con idrogeno offre diversi vantaggi significativi rispetto al raffreddamento con aria, inclusa un'efficienza di raffreddamento migliorata, un miglioramento delle prestazioni della macchina e un prolungamento della vita dell'isolamento. Tuttavia, presenta anche una serie di sfide e limitazioni che devono essere gestite con cura per garantire un funzionamento sicuro e affidabile del generatore.