Водородное охлаждение синхронного генератора

Охлаждение синхронных генераторов водородом

Водородный газ используется в качестве охлаждающей среды внутри корпусов генераторов благодаря своим уникальным охлаждающим свойствам. Однако важно отметить, что некоторые смеси водорода и воздуха являются высоко взрывоопасными. Взрыв может произойти, если смесь содержит от 6% водорода и 94% воздуха до 71% водорода и 29% воздуха. Смеси, содержащие более 71% водорода, не воспламеняются. В практических применениях для очень больших турбо-генераторов обычно используется соотношение 9:1 водород к воздуху.

Ключевые аспекты охлаждения водородом

Преимущества по сравнению с воздушным охлаждением

• Улучшенная производительность охлаждения: Водородный газ обладает значительно большей теплопроводностью по сравнению с воздухом. Он имеет в 1,5 раза большую способность передачи тепла, чем воздух, что позволяет быстрее охлаждать компоненты генератора. Это быстрое рассеивание тепла помогает поддерживать оптимальные рабочие температуры и снижает риск перегрева.

• Повышение эффективности и уменьшение шума: При одинаковой температуре и давлении плотность водорода составляет примерно 1/14 плотности воздуха. Когда вращающиеся части генератора работают в этой низкоплотной водородной среде, потери на ветровой нагрузке минимизируются. В результате общая эффективность машины повышается, а шум, создаваемый при работе, уменьшается, что приводит к более эффективному и тихому генератору.

• Предотвращение коронного разряда: При использовании воздуха в качестве охлаждающей среды может возникнуть коронный разряд внутри генератора. Этот разряд производит вещества, такие как озон, оксиды азота и азотную кислоту, которые могут серьезно повредить изоляцию генератора. В отличие от этого, водородное охлаждение эффективно предотвращает коронный эффект, тем самым продлевая срок службы изоляции и снижая необходимость частого обслуживания и замены.

Ограничения

• Высокая стоимость конструкции: Водородные генераторы требуют более дорогих рам. Это связано с необходимостью использования взрывозащищенного исполнения и герметичных уплотнений вала, чтобы предотвратить утечку водорода и возможные взрывы. Эти дополнительные меры безопасности увеличивают общую стоимость производства генератора.

• Сложный процесс подачи газа: При вводе водорода в генератор необходимо соблюдать специальные меры предосторожности, чтобы избежать создания взрывоопасных смесей. Два распространенных метода:

• Замена газа: Сначала воздух внутри генератора заменяется углекислым газом (CO2), а затем вводится водород. Этот поэтапный процесс обеспечивает, что избегаются взрывоопасные диапазоны смесей водорода и воздуха.

• Насосное откачивание: Единица генератора эвакуируется до 1/5 атмосферного давления, прежде чем вводится водород. Это уменьшает наличие воздуха и минимизирует риск взрывной реакции при введении водорода.

• Дополнительные требования к охлаждению: Для эффективного извлечения тепла из водорода в корпусе генератора должны быть установлены охлаждающие катушки, заполненные маслом или водой. Эти катушки необходимы для поддержания правильной температуры водорода, циркулирующего через машину.

• Ограничения по мощности: Несмотря на множество преимуществ, водородное охлаждение недостаточно для больших генераторов с мощностью, превышающей 500 МВт. Тепло, выделяемое этими высокомощными машинами, требует более продвинутых решений охлаждения, таких как прямое водяное охлаждение, для обеспечения надежной работы.

Операционные детали

Для предотвращения образования взрывоопасных смесей водорода и воздуха, водородный газ внутри генератора поддерживается под давлением, превышающим атмосферное давление. Это положительное давление предотвращает проникновение воздуха внутрь, которое могло бы загрязнить водород и создать опасную ситуацию. Охлаждение водородом при давлениях, равных 1, 2 и 3 атмосферы, может увеличить рейтинг генератора на 15%, 30% и 40% соответственно, по сравнению с его воздушным охлаждением.

Системы охлаждения водородом требуют полностью герметичной и эффективной системы циркуляции. Устанавливаются специальные масляные уплотнения между валом и корпусом. Эти уплотнения играют важную роль в предотвращении утечки водорода и проникновения воздуха. Поскольку масло в этих уплотнениях поглощает как утекающий водород, так и входящий воздух, его необходимо регулярно очищать, чтобы поддерживать его эффективность.

Водородный газ циркулирует через ротор и статор генератора с помощью вентиляторов и дутьевых устройств. После прохождения через компоненты генератора, нагретый водород направляется на охлаждающие катушки, расположенные внутри корпуса. Эти катушки, которые могут быть заполнены маслом или водой, поглощают тепло от водорода, охлаждая его, прежде чем он будет повторно циркулировать через генератор.

В целом, водородное охлаждение предлагает несколько значительных преимуществ по сравнению с воздушным охлаждением, включая улучшенную эффективность охлаждения, повышенную производительность машины и увеличенный срок службы изоляции. Однако оно также сопряжено с рядом своих собственных проблем и ограничений, которые необходимо тщательно управлять, чтобы обеспечить безопасную и надежную работу генератора.