수소 냉각형 동기 발전기

동기 발전기의 수소 냉각

수소는 뛰어난 냉각 특성을 가진 냉각 매체로 발전기 케이싱 내에서 사용됩니다. 그러나 특정 수소와 공기의 혼합물은 매우 폭발성이 있다는 점을 주의해야 합니다. 수소-공기 혼합물이 6%의 수소와 94%의 공기부터 71%의 수소와 29%의 공기까지 포함될 때 폭발 반응이 발생할 수 있습니다. 71% 이상의 수소를 함유한 혼합물은 불연성입니다. 실제 응용에서는 매우 큰 터보 발전기에 9:1의 수소 대 공기 비율이 일반적으로 사용됩니다.

수소 냉각의 핵심 측면

공기 냉각에 대한 장점

• 향상된 냉각 성능: 수소 가스는 공기보다 열 전도도가 훨씬 높습니다. 수소는 공기보다 1.5배의 열 전달 능력을 가지고 있어 발전기 구성 요소의 빠른 냉각을 가능하게 합니다. 이 빠른 열 방출은 최적의 작동 온도를 유지하고 과열 위험을 줄여줍니다.

• 개선된 윈디지, 효율성, 그리고 소음 감소: 같은 온도와 압력에서 수소의 밀도는 공기의 약 1/14 정도입니다. 발전기의 회전 부분이 이 저밀도 수소 가스 환경에서 작동할 때 윈디지 손실이 최소화됩니다. 결과적으로 기계의 전체 효율성이 증가하고 작동 중 발생하는 소음이 감소하여 더 효율적이고 조용한 발전기가 됩니다.

• 코로나 방지: 공기를 냉각 매체로 사용할 때 발전기 내에서 코로나 방전이 발생할 수 있습니다. 이 방전은 오존, 질소 산화물, 질산 등의 물질을 생성하여 발전기의 절연재를 심각하게 손상시킬 수 있습니다. 반면, 수소 냉각은 효과적으로 코로나 효과를 방지하여 절연재의 수명을 연장하고 자주적인 유지 보수 및 교체의 필요성을 줄입니다.

제한 사항

• 비싼 구조: 수소 냉각 발전기는 더 비싼 프레임이 필요합니다. 이는 폭발 방지 구조와 가스 밀폐 축 시일을 구현하여 수소 누출과 잠재적인 폭발을 방지하기 때문입니다. 이러한 추가적인 안전 기능은 발전기의 전체 제조 비용을 증가시킵니다.

• 복잡한 가스 도입 과정: 수소를 발전기에 도입할 때 폭발성 혼합물을 생성하지 않도록 특별한 주의가 필요합니다. 두 가지 일반적인 방법이 사용됩니다:

• 가스 치환: 먼저 발전기 내부의 공기를 이산화탄소(CO2)로 바꾼 후 수소를 도입합니다. 이 단계별 과정은 수소-공기 혼합물의 폭발 범위를 피하는 데 도움이 됩니다.

• 진공 펌핑: 수소를 도입하기 전에 발전기 유닛을 대기압의 1/5로 진공 상태로 만듭니다. 이는 공기의 존재를 줄이고 수소 도입 중 폭발 반응의 위험을 최소화합니다.

• 추가적인 냉각 요구사항: 수소에서 열을 효과적으로 추출하려면 발전기 케이싱 내부에 기름 또는 물을 운반하는 냉각 코일을 설치해야 합니다. 이 코일은 수소가 기계를 통과하면서 적절한 온도를 유지하는 데 필수적입니다.

• 용량 제한: 수많은 장점에도 불구하고 500 MW를 초과하는 대형 발전기에 수소 냉각은 충분하지 않습니다. 이러한 고출력 기계에서 발생하는 열은 직접적인 물 냉각과 같은 더욱 고급 냉각 솔루션이 필요합니다.

운영 세부 사항

폭발성 수소-공기 혼합물의 형성을 방지하기 위해 발전기 내부의 수소 가스는 대기압보다 높은 압력으로 유지됩니다. 이 양압은 공기의 내부 유입을 막아 수소를 오염시키고 위험한 상황을 초래하는 것을 방지합니다. 1, 2, 3 배의 대기압으로 수소 냉각을 하면 공기 냉각 대비 발전기의 정격이 각각 15%, 30%, 40% 증가합니다.

수소 냉각 시스템은 완전히 밀봉되고 효율적인 순환 시스템이 필요합니다. 축과 케이싱 사이에 특수한 기름 밀봉 글랜드가 설치됩니다. 이러한 글랜드는 수소 누출과 공기 유입을 방지하는 중요한 역할을 합니다. 글랜드 내의 기름은 누출된 수소와 유입된 공기를 흡수하므로 정기적으로 정제하여 효과를 유지해야 합니다.

수소 가스는 블로워와 팬을 사용하여 발전기의 로터와 스태터를 통해 순환됩니다. 발전기 구성 요소를 통과한 후 가열된 수소는 케이싱 내부에 위치한 냉각 코일 위로 방향을 바꿉니다. 이러한 코일은 기름이나 물로 채워져 수소로부터 열을 흡수하여 냉각한 후 다시 발전기를 통과하도록 재순환합니다.

전반적으로, 수소 냉각은 공기 냉각보다 냉각 효율, 기계 성능, 절연재 수명 등 여러 측면에서 유의미한 이점을 제공합니다. 그러나 안전하고 신뢰성 있는 발전기 운영을 위해서는 관리해야 할 다양한 도전과 제한 사항이 있습니다.