同期発電機の水素冷却

同期発電機の水素冷却

水素ガスは、その優れた冷却特性により、発電機の筐体内で冷却媒体として使用されます。ただし、水素と空気の特定の混合物は非常に爆発性が高いことに注意が必要です。水素-空気混合物が水素6%、空気94%から水素71%、空気29%の範囲にある場合、爆発反応が発生する可能性があります。水素濃度が71%を超える混合物は非可燃性です。実際の応用では、非常に大型のターボ・オルタネータで通常、水素対空気の比率が9:1で使用されます。

水素冷却の主な側面

空気冷却に対する利点

• 冷却性能の向上：水素ガスは熱伝導率が高く、空気よりも約1.5倍の熱伝達能力を持っています。これにより、発電機の部品をより速く冷却することができます。この急速な熱放出は最適な動作温度を維持し、過熱のリスクを減らします。

• 風損失の減少、効率の向上、騒音の軽減：同じ温度と圧力条件下で、水素の密度は空気の約1/14です。発電機の回転部がこの低密度の水素ガス環境で動作すると、風損失が最小限に抑えられます。結果として、機械全体の効率が向上し、動作中の騒音も減少し、より効率的で静かな発電機となります。

• コロナ放電の防止：空気を使用した冷却では、発電機内でコロナ放電が発生することがあります。この放電により、オゾン、窒素酸化物、硝酸などが生成され、発電機の絶縁を深刻に損傷させる可能性があります。一方、水素冷却はコロナ効果を効果的に防ぎ、絶縁の寿命を延ばし、頻繁なメンテナンスや交換の必要性を減らします。

制限事項

• 高価な構造：水素冷却式のオルタネータは、より高価なフレームが必要です。これは、爆発防止構造とガスタイトな軸シールを実装して水素漏れと潜在的な爆発を防ぐ必要があるためです。これらの追加の安全機能は、発電機の製造コストに上乗せされます。

• 複雑なガス導入プロセス：水素をオルタネータに導入する際には、爆発性混合物を作らないよう特別な注意が必要です。一般的には以下の2つの方法が使用されます：

• ガス置換：まず、オルタネータ内の空気を二酸化炭素（CO2）で置き換え、その後に水素を導入します。このステップバイステップのプロセスにより、水素-空気混合物の爆発範囲を避けることができます。

• 真空引き：オルタネータユニットを大気圧の1/5まで減圧してから水素を導入します。これにより、空気の存在が減少し、水素導入時の爆発反応のリスクが最小限に抑えられます。

• 追加の冷却要件：水素から熱を効果的に取り出すためには、発電機筐体内に油または水を通す冷却コイルを設置する必要があります。これらのコイルは、水素が機器内を循環する際に適切な温度を維持するために不可欠です。

• 容量制限：多くの利点にもかかわらず、水素冷却は500 MWを超える大容量のオルタネータには不十分です。これらの高出力機器が発生する熱を効果的に冷却するには、直接水冷などのより高度な冷却ソリューションが必要です。

運転詳細

爆発性の水素-空気混合物の形成を防ぐために、発電機内の水素ガスは大気圧よりも高い圧力で維持されます。この正圧は、空気が内部に侵入して水素を汚染し危険な状況を作り出すことを防ぎます。大気圧の1、2、3倍の圧力での水素冷却は、空気冷却の場合と比較して、それぞれ発電機の定格を15%、30%、40%増加させることができます。

水素冷却システムは完全に密閉された効率的な循環システムを必要とします。シャフトと筐体の間に特別なオイルシールのグランドが設置されています。これらのグランドは、水素の漏洩と空気の侵入を防ぐ重要な役割を果たします。これらのグランドのオイルは、漏洩する水素と侵入する空気を吸収するため、定期的に精製して効果を維持する必要があります。

水素ガスは、ブロワーやファンを使用して発電機のロータとスターターを通過します。発電機の部品を通過した後、温まった水素は筐体内にある冷却コイルに導かれます。これらのコイルには油または水が充填されており、水素からの熱を取り込み、冷却してから再び発電機に循環させます。

全体として、水素冷却は空気冷却よりも冷却効率の向上、機器性能の向上、絶縁寿命の延長などの多くの利点を提供します。しかし、同時に管理する必要がある課題や制限も多くあります。発電機の安全かつ信頼性の高い動作を確保するためには、これらの課題を慎重に管理する必要があります。