Waterstofkoeling van een synchrone generator

Waterstofkoeling van synchrone generatoren

Waterstofgas wordt gebruikt als koelmiddel binnen generatorhuisjes vanwege zijn uitstekende koeleigenschappen. Het is echter cruciaal om op te merken dat bepaalde mengsels van waterstof en lucht zeer explosief kunnen zijn. Een explosieve reactie kan optreden wanneer het waterstof-luchtmengsel bestaat uit 6% waterstof en 94% lucht tot 71% waterstof en 29% lucht. Mengsels met meer dan 71% waterstof zijn niet brandbaar. In praktische toepassingen wordt een verhouding van 9:1 waterstof tot lucht vaak toegepast in zeer grote turbo-alternators.

Belangrijke aspecten van waterstofkoeling

Voordelen ten opzichte van luchtcooling

• Verbeterde koelprestaties: Waterstofgas heeft een aanzienlijk hogere thermische geleidbaarheid vergeleken met lucht. Het heeft 1,5 keer de warmteoverdrachtcapaciteit van lucht, waardoor de generatoronderdelen veel sneller afkoelen. Deze snelle warmteafvoer helpt bij het handhaven van optimale werkingstemperaturen en vermindert het risico op oververhitting.

• Verbeterde windage, efficiëntie en verminderd geluid: Bij dezelfde temperatuur en druk is de dichtheid van waterstof ongeveer 1/14e van die van lucht. Wanneer de roterende delen van de generator opereren in deze lage-dichtheid waterstofgasmilieu, worden windage-verliezen geminimaliseerd. Hierdoor neemt de algehele efficiëntie van de machine toe, en wordt het geluid dat tijdens de bedrijfsvoering wordt geproduceerd, verminderd, wat leidt tot een efficiëntere en stillere generator.

• Preventie van corona-effect: Wanneer lucht wordt gebruikt als koelmiddel, kan corona-ontlading optreden binnen de generator. Deze ontlading produceert stoffen zoals ozon, stikstofoxiden en salpeterzuur, die de isolatie van de generator zwaar kunnen beschadigen. Daarentegen voorkomt waterstofkoeling effectief het corona-effect, waardoor de levensduur van de isolatie wordt verlengd en het behoefte aan frequente onderhoud en vervanging wordt verminderd.

Beperkingen

• Duurdere constructie: Waterstofgekoelde alternators vereisen duurdere frames. Dit komt door de noodzaak van explosiebestendige constructie en gasdichte asseals om waterstoflekken en potentiële explosies te voorkomen. Deze extra veiligheidskenmerken dragen bij aan de totale productiekosten van de generator.

• Complexe gastoelating: Speciale voorzorgsmaatregelen moeten worden genomen bij het invoeren van waterstof in de alternator om het creëren van explosieve mengsels te voorkomen. Twee algemeen gebruikte methoden zijn:

• Gasvervanging: Eerst wordt de lucht in de alternator vervangen door koolstofdioxide (CO2), en vervolgens wordt waterstof ingevoerd. Dit stapsgewijze proces zorgt ervoor dat het explosieve bereik van waterstof-luchtmengsels wordt vermeden.

• Vacuüm pompen: De alternatoreenheid wordt geëvacueerd tot 1/5e van de atmosferische druk voordat waterstof wordt toegelaten. Dit vermindert de aanwezigheid van lucht en minimaliseert het risico op een explosieve reactie tijdens de introductie van waterstof.

• Aanvullende koelvereisten: Om effectief warmte uit de waterstof te verwijderen, moeten koileidingen die olie of water bevatten, binnen de generatorbehuizing worden geïnstalleerd. Deze leidingen zijn essentieel voor het handhaven van de juiste temperatuur van de waterstof terwijl deze circuleert door de machine.

• Capaciteitsbeperkingen: Ondanks de vele voordelen is waterstofkoeling ontoereikend voor grote alternators met capaciteiten boven de 500 MW. De warmte die door deze hoogvermogense machines wordt geproduceerd, vereist geavanceerdere koeloplossingen, zoals directe waterkoeling, om een betrouwbare werking te garanderen.

Operationele details

Om de vorming van explosieve waterstof-luchtmengsels te voorkomen, wordt de waterstofgas in de generator onderhouden op een hogere druk dan de atmosferische druk. Deze positieve druk voorkomt het naar binnen sijpelen van lucht, die de waterstof zou kunnen verontreinigen en een gevaarlijke situatie zou kunnen creëren. Waterstofkoeling bij druk 1, 2 en 3 keer de atmosferische druk kan de rating van de generator vergroten met respectievelijk 15%, 30% en 40% ten opzichte van de luchtgekoelde rating.

Waterstofkoelsystemen vereisen een volledig afgesloten en efficiënt circulerend systeem. Speciale oliegedichte koppelingen worden geïnstalleerd tussen de as en de behuizing. Deze koppelingen spelen een cruciale rol in het voorkomen van waterstoflekken en luchttoevoer. Aangezien het olie in deze koppelingen zowel lekkende waterstof als binnendringende lucht absorbeert, moet het regelmatig worden gezuiverd om zijn effectiviteit te behouden.

De waterstofgas wordt door ventilatoren en blowers door de rotor en stator van de generator gecirculeerd. Na het passeren van de generatoronderdelen wordt de verhitte waterstof geleid over koilleidingen die zich binnen de behuizing bevinden. Deze leidingen, die gevuld kunnen zijn met olie of water, absorberen de warmte uit de waterstof, koelen deze af voordat hij terug wordt gecirculeerd door de generator.

Algemeen gezien biedt waterstofkoeling verschillende significante voordelen ten opzichte van luchtcooling, waaronder verbeterde koel-efficiëntie, verbeterde machineprestaties en verlengde levensduur van de isolatie. Echter, het komt ook met zijn eigen set uitdagingen en beperkingen die zorgvuldig moeten worden beheerd om een veilige en betrouwbare werking van de generator te garanderen.