Resfriamento com Hidrogênio de um Gerador Síncrono

Resfriamento com Hidrogênio de Geradores Síncronos

O gás de hidrogênio é utilizado como meio de resfriamento dentro das carcaças dos geradores devido às suas excepcionais propriedades de resfriamento. No entanto, é crucial notar que certas misturas de hidrogênio e ar são altamente explosivas. Uma reação explosiva pode ocorrer quando a mistura de hidrogênio - ar contém de 6% de hidrogênio e 94% de ar a 71% de hidrogênio e 29% de ar. Misturas com mais de 71% de hidrogênio não são combustíveis. Em aplicações práticas, uma proporção de 9:1 de hidrogênio para ar é comumente empregada em turboalternadores muito grandes.

Aspectos Chave do Resfriamento com Hidrogênio

Vantagens sobre o Resfriamento com Ar

• Desempenho de Resfriamento Aperfeiçoado: O gás de hidrogênio possui condutividade térmica significativamente maior em comparação com o ar. Tem 1,5 vezes a capacidade de transferência de calor do ar, permitindo um resfriamento muito mais rápido dos componentes do gerador. Esta rápida dissipação de calor ajuda a manter as temperaturas operacionais ótimas e reduz o risco de superaquecimento.

• Melhoria na Perda por Ventilação, Eficiência e Redução de Ruído: Na mesma temperatura e pressão, a densidade do hidrogênio é aproximadamente 1/14 da do ar. Quando as partes rotativas do gerador operam neste ambiente de gás de hidrogênio de baixa densidade, as perdas por ventilação são minimizadas. Como resultado, a eficiência geral da máquina aumenta, e o ruído gerado durante a operação é reduzido, levando a um gerador mais eficiente e silencioso.

• Prevenção de Corona: Quando o ar é usado como meio de resfriamento, pode ocorrer descarga de corona dentro do gerador. Esta descarga produz substâncias como ozônio, óxidos de nitrogênio e ácido nítrico, que podem danificar severamente a isolação do gerador. Em contraste, o resfriamento com hidrogênio previne efetivamente o efeito de corona, prolongando a vida útil da isolação e reduzindo a necessidade de manutenção e substituição frequentes.

Limitações

• Construção Custosa: Alternadores resfriados a hidrogênio requerem quadros mais caros. Isto se deve à necessidade de implementar construção à prova de explosões e vedantes de eixo herméticos para prevenir vazamentos de hidrogênio e possíveis explosões. Estas características adicionais de segurança acrescentam ao custo total de fabricação do gerador.

• Processo Complexo de Admissão de Gás: Precauções especiais devem ser tomadas ao introduzir hidrogênio no alternador para evitar a formação de misturas explosivas. Dois métodos comuns são utilizados:

• Substituição de Gás: Primeiro, o ar dentro do alternador é substituído por dióxido de carbono (CO2), e então o hidrogênio é introduzido. Este processo passo a passo garante que a faixa explosiva de misturas de hidrogênio - ar seja evitada.

• Bombeamento a Vácuo: A unidade do alternador é evacuada para 1/5 da pressão atmosférica antes que o hidrogênio seja admitido. Isso reduz a presença de ar e minimiza o risco de uma reação explosiva durante a introdução do hidrogênio.

• Requisitos Adicionais de Resfriamento: Para extrair efetivamente o calor do hidrogênio, bobinas de resfriamento contendo óleo ou água devem ser instaladas dentro da carcaça do gerador. Essas bobinas são essenciais para manter a temperatura adequada do hidrogênio enquanto ele circula pela máquina.

• Limitações de Capacidade: Apesar de suas muitas vantagens, o resfriamento com hidrogênio é insuficiente para alternadores grandes com capacidades superiores a 500 MW. O calor gerado por estas máquinas de alta potência requer soluções de resfriamento mais avançadas, como o resfriamento direto com água, para garantir a operação confiável.

Detalhes Operacionais

Para prevenir a formação de misturas explosivas de hidrogênio - ar, o gás de hidrogênio dentro do gerador é mantido em uma pressão superior à pressão atmosférica. Esta pressão positiva impede a infiltração de ar, que poderia contaminar o hidrogênio e criar uma situação perigosa. O resfriamento com hidrogênio em pressões 1, 2 e 3 vezes a pressão atmosférica pode aumentar a classificação do gerador em 15%, 30% e 40%, respectivamente, em comparação com sua classificação resfriada a ar.

Sistemas de resfriamento com hidrogênio requerem um sistema de circulação totalmente selado e eficiente. São instalados glândulas vedadas a óleo entre o eixo e a carcaça. Essas glândulas desempenham um papel crucial na prevenção de vazamentos de hidrogênio e entrada de ar. Como o óleo nessas glândulas absorve tanto o hidrogênio que vaza quanto o ar que entra, ele precisa ser purificado regularmente para manter sua eficácia.

O gás de hidrogênio é circulado através do rotor e do estator do gerador usando sopradores e ventiladores. Após passar pelos componentes do gerador, o hidrogênio aquecido é direcionado sobre as bobinas de resfriamento localizadas dentro da carcaça. Essas bobinas, que podem ser preenchidas com óleo ou água, absorvem o calor do hidrogênio, resfriando-o antes de ser recirculado de volta pelo gerador.

No geral, o resfriamento com hidrogênio oferece várias vantagens significativas em relação ao resfriamento com ar, incluindo eficiência de resfriamento aprimorada, desempenho da máquina melhorado e vida útil da isolação estendida. No entanto, também vem com seus próprios desafios e limitações que precisam ser cuidadosamente gerenciados para garantir a operação segura e confiável do gerador.