Chłodzenie wodorowe synchronicznego generatora
Chłodzenie wodorem synchronicznych generatorów
Wodór jest wykorzystywany jako środek chłodzący w obudowach generatorów ze względu na jego wyjątkowe właściwości chłodzące. Należy jednak zwrócić uwagę, że niektóre mieszaniny wodoru i powietrza są bardzo wybuchowe. Reakcja wybuchowa może wystąpić, gdy mieszanka wodoru i powietrza zawiera od 6% wodoru i 94% powietrza do 71% wodoru i 29% powietrza. Mieszaniny zawierające więcej niż 71% wodoru nie są spalane. W praktycznych zastosowaniach stosuje się często proporcję 9:1 wodoru do powietrza w bardzo dużych turbogeneratorach.
Kluczowe aspekty chłodzenia wodorem
Zalety w porównaniu do chłodzenia powietrzem
Poprawiona wydajność chłodzenia: Gaz wodór ma znacznie wyższą przewodność cieplną niż powietrze. Ma on 1,5 raza większą zdolność do przekazywania ciepła niż powietrze, co umożliwia znacznie szybsze chłodzenie elementów generatora. Szybka dyspersja ciepła pomaga utrzymać optymalne temperatury pracy i zmniejsza ryzyko przegrzania.
Poprawione straty aerodynamiczne, wydajność i zmniejszony hałas: W tej samej temperaturze i ciśnieniu gęstość wodoru wynosi około 1/14 gęstości powietrza. Gdy obracające się części generatora działają w tym środowisku gazowego wodoru o niskiej gęstości, straty aerodynamiczne są minimalizowane. W rezultacie zwiększa się ogólna wydajność maszyny, a hałas generowany podczas pracy jest zmniejszony, prowadząc do bardziej efektywnego i cichszego generatora.
Zapobieganie koronie: Gdy powietrze jest używane jako środek chłodzący, może wystąpić rozładowanie koronowe w generatorze. To rozładowanie powoduje powstanie substancji takich jak ozon, tlenki azotu i kwas azotowy, które mogą poważnie uszkodzić izolację generatora. W przeciwieństwie do tego, chłodzenie wodorem skutecznie zapobiega efektowi koronowemu, co przedłuża żywotność izolacji i zmniejsza potrzebę częstych napraw i wymiany.
Ograniczenia
Kosztowna konstrukcja: Alternatory chłodzone wodorem wymagają droższych ram. Wynika to z konieczności wprowadzenia konstrukcji odpornych na wybuchy oraz szczelnych uszczelnień wału, aby zapobiec przeciekom wodoru i potencjalnym wybuchom. Te dodatkowe elementy bezpieczeństwa zwiększają całkowity koszt produkcji generatora.
Złożony proces wprowadzania gazu: Przy wprowadzaniu wodoru do alternatora należy zachować specjalne środki ostrożności, aby uniknąć tworzenia się mieszanin wybuchowych. Stosuje się dwa powszechne metody:
Substytucja gazu: Najpierw powietrze w alternatorze jest zastępowane dwutlenkiem węgla (CO2), a następnie wprowadza się wodór. Ten krok po kroku zapewnia, że unikamy zakresu wybuchowości mieszanin wodoru i powietrza.
Pompowanie próżniowe: Jednostka alternatora jest ewakuowana do 1/5 ciśnienia atmosferycznego, zanim wprowadza się wodór. To zmniejsza obecność powietrza i minimalizuje ryzyko reakcji wybuchowej podczas wprowadzania wodoru.
Dodatkowe wymagania chłodzące: Aby skutecznie odprowadzać ciepło z wodoru, w obudowie generatora muszą być zamontowane cewki chłodzące zawierające olej lub wodę. Te cewki są niezbędne do utrzymania odpowiedniej temperatury wodoru, gdy krąży on przez maszynę.
Ograniczenia pojemności: Pomimo wielu zalet, chłodzenie wodorem jest niewystarczające dla dużych alternatorów o mocy przekraczającej 500 MW. Ciepło generowane przez te wysokomocne maszyny wymaga bardziej zaawansowanych rozwiązań chłodzących, takich jak bezpośrednie chłodzenie wodą, aby zapewnić niezawodne działanie.
Szczegóły operacyjne
Aby zapobiec powstawaniu wybuchowych mieszanin wodoru i powietrza, gaz wodór w generatorze jest utrzymywany pod ciśnieniem wyższym niż ciśnienie atmosferyczne. To dodatnie ciśnienie zapobiega wnikaniu powietrza do wewnątrz, które mogłoby zanieczyścić wodór i stworzyć niebezpieczną sytuację. Chłodzenie wodorem przy ciśnieniach 1, 2 i 3 razy większe niż ciśnienie atmosferyczne może zwiększyć ocenę generatora o 15%, 30% i 40% odpowiednio, w porównaniu do oceny chłodzonego powietrzem.
Systemy chłodzenia wodorem wymagają pełnego zabezpieczenia i skutecznego systemu cyrkulacji. Specjalne uszczelki olejowe są montowane między wałem a obudową. Te uszczelki odgrywają kluczową rolę w zapobieganiu przeciekom wodoru i wnikaniu powietrza. Ponieważ olej w tych uszczelkach absorbuje zarówno przeciekający wodór, jak i napływające powietrze, musi być regularnie czyszczony, aby utrzymać swoją skuteczność.
Gaz wodór jest cyrkulowany przez rotor i statory generatora za pomocą wentylatorów i wiatraków. Po przejściu przez komponenty generatora, nagrzanym wodorem kieruje się nad cewki chłodzące znajdujące się wewnątrz obudowy. Te cewki, które mogą być wypełnione olejem lub wodą, absorbują ciepło z wodoru, ochładzając go przed ponownym cyrkulacją przez generator.
Podsumowując, chłodzenie wodorem oferuje wiele istotnych korzyści w porównaniu do chłodzenia powietrzem, w tym poprawioną wydajność chłodzenia, zwiększoną wydajność maszyny i przedłużoną żywotność izolacji. Jednak wiąże się z tym również własne wyzwania i ograniczenia, które należy starannie zarządzać, aby zapewnić bezpieczne i niezawodne działanie generatora.
