Hydrogenkjøling av en synkron generator

Hydrogenkjøling av synkronmotorer

Hydrogenbrint benyttes som kjøleg mediums innenfor generatorhuse på grunn av dens utmerkede kjøleegenskaper. Det er imidlertid viktig å merke seg at visse blanding av hydrogen og luft er høyeksplosive. En eksplosiv reaksjon kan forekomme når hydrogen-luftblandingen inneholder fra 6 % hydrogen og 94 % luft til 71 % hydrogen og 29 % luft. Blandinger med mer enn 71 % hydrogen er ikke forbrennbar. I praktiske anvendelser brukes en forhold på 9:1 mellom hydrogen og luft i svært store turbogeneratorene.

Kjerneaspekter ved hydrogenkjøling

Fordeler over luftkjøling

• Forbedret kjøleytelse: Hydrogenbrint har en betydelig høyere termisk ledeevne sammenlignet med luft. Den har 1,5 ganger varmeforflytningsevnen til luft, noe som gjør at generatorkomponentene kjøles mye raskere. Denne hurtige varmeavledningen bidrar til å opprettholde optimale driftstemperaturer og reduserer risikoen for overoppvarming.

• Forbedret vindtap, effektivitet og redusert støy: Ved samme temperatur og trykk, er tettheten til hydrogen omtrent 1/14 av luft. Når de roterende delene av generatoren opererer i denne lavtetthetsmiljøet av hydrogenbrint, blir vindtap minimalisert. Dette fører til økt total effektivitet av maskinen, og støyen som genereres under drift, blir redusert, noe som resulterer i en mer effektiv og stille generatoren.

• Forebygging av korona: Når luft brukes som kjøleg medium, kan koronadisponering forekomme i generatoren. Denne disponeringen produserer stoffer som ozon, kvifoksid og salpetersyre, som kan alvorlig skade isolasjonen av generatoren. I motsetning til dette, forebygger hydrogenkjøling effektivt koronaeffekten, noe som utvider levetiden til isolasjonen og reduserer behovet for hyppig vedlikehold og bytte.

Begrensninger

• Kostbare konstruksjoner: Hydrogenkjølte alternatorer krever mer kostbare rammer. Dette skyldes nødvendigheten av å implementere eksplosjonsbeskyttet konstruksjon og gasdette akselsealer for å unngå hydrogenlekkasje og potensielle eksplosjoner. Disse ekstra sikkerhetstiltakene øker den totale produksjonskosten for generatoren.

• Kompleks gassinnføring: Spesielle forhåndsregler må tas når hydrogen innføres i alternatoren for å unngå å skape eksplosive blanding. To vanlige metoder brukes:

• Gassubstitusjon: Først erstattes luften inne i alternatoren med kolsyre (CO2), og deretter innføres hydrogen. Denne trinnvis prosessen sikrer at det eksplosive området for hydrogen-luftblanding unngås.

• Vakuumputtering: Alternatorenheten trekkes ned til 1/5 av atmosfærtrykket før hydrogen innføres. Dette reduserer tilstedeværelsen av luft og minimiserer risikoen for en eksplosiv reaksjon under innføringen av hydrogen.

• Tilleggskjølekrev: For å effektivt trekke varme fra hydrogen, må kjølespiraler med olje eller vann installeres inne i generatorhuset. Disse spiralene er essensielle for å opprettholde den riktige temperaturen på hydrogenet mens det sirkulerer gjennom maskinen.

• Kapasitetsbegrensninger: Til tross for sine mange fordeler, er hydrogenkjøling utilstrekkelig for store alternatorer med kapasiteter over 500 MW. Varmen generert av disse høyeffektmaskinene krever mer avanserte kjøleløsninger, som direkte vannkjøling, for å sikre pålitelig drift.

Driftsdetaljer

For å forhindre dannelsen av eksplosive hydrogen-luftblanding, holdes hydrogenbrinten inne i generatoren ved et trykk høyere enn atmosfærtrykket. Dette positive trykket hindrer indre sippen av luft, som kunne forurene hydrogenet og skape en farlig situasjon. Hydrogenkjøling ved trykk på 1, 2, og 3 ganger atmosfærtrykket kan øke generatorens kapasitet med henholdsvis 15%, 30% og 40% sammenlignet med dens luftkjølte kapasitet.

Hydrogenkjølingsystemer krever et fullstendig tett og effektivt sirkulasjonssystem. Spesielle oljetette glande er installert mellom aksen og huset. Disse glandene spiller en avgjørende rolle i å forhindre hydrogenlekkasje og luftinntrang. Siden oljen i disse glandene absorberer både lekkende hydrogen og innkommende luft, må den renses regelmessig for å opprettholde sin effektivitet.

Hydrogenbrinten sirkuleres gjennom rotor og stator i generatoren ved hjelp av blåser og ventilatorer. Etter å ha passert generatorkomponentene, ledes den opptatte hydrogenen over kjølespiraler plassert inne i huset. Disse spiralene, som kan fylles med enten olje eller vann, absorberer varmen fra hydrogenet, kjøler det ned før det sirkuleres tilbake gjennom generatoren.

Totalt sett gir hydrogenkjøling flere betydelige fordeler sammenlignet med luftkjøling, inkludert forbedret kjøleytelse, forbedret maskineytelse, og forlenget isolasjonsliv. Det kommer imidlertid også med sine egne utfordringer og begrensninger som må håndteres nøye for å sikre trygg og pålitelig drift av generatoren.