Vätekylning av en synkron generator

Hydrogenkylning av synkrona generatorer

Vätegas används som kylmedium inuti generatorhöljen på grund av dess utmärkta kylningsförmåga. Det är dock viktigt att notera att vissa blandningar av väte och luft är mycket explosiva. En explosiv reaktion kan inträffa när väte-luftblandningen innehåller mellan 6% väte och 94% luft till 71% väte och 29% luft. Blandningar med mer än 71% väte är icke-brännbara. I praktiska tillämpningar används en förhållande 9:1 mellan väte och luft vanligtvis i mycket stora turbogeneratorer.

Nyckelaspekter av vätekylningsprocessen

Fördelar jämfört med luftkylningsprocessen

• Förbättrad kylningsprestanda: Vätegas har betydligt högre termisk ledningsförmåga än luft. Den har 1,5 gånger så stor värmeöverföringskapacitet som luft, vilket möjliggör snabbare kylning av generatorns komponenter. Denna snabba värmeavledning hjälper till att upprätthålla optimala drifttemperaturer och minskar risken för överhettning.

• Förbättrad vindtapp, effektivitet och minskat buller: Vid samma temperatur och tryck är tätheten hos väte ungefär 1/14:e av luftens. När de roterande delarna i generatorn fungerar i denna lågtäta vätegas miljö minimeras vindtapplösheter. Som ett resultat ökar maskinens totala effektivitet, och bullret under drift minskas, vilket leder till en mer effektiv och tyst generator.

• Förebyggande av korona: När luft används som kylmedium kan koronadischarge uppstå inuti generatorn. Denna discharge producerar ämnen som ozon, kväveoxider och salpetersyra, vilka kan allvarligt skada generatorns isolering. I motsats till detta förhindrar vätekylningen effektivt koronaeffekten, vilket förlänger livslängden av isoleringen och minskar behovet av frekventa underhåll och ersättning.

Begränsningar

• Kostsam konstruktion: Vätekylade alternatorer kräver mer dyra ramar. Detta beror på nödvändigheten av att implementera explosionskyddade konstruktioner och gasätta axelläckage för att förhindra väteleckage och potentiella explosioner. Dessa ytterligare säkerhetsfunktioner lägger till den totala tillverkningskostnaden för generatorn.

• Komplex gasintroduktionsprocess: Särskilda försiktighetsåtgärder måste vidtas när väte introduceras i alternatorn för att undvika att skapa explosiva blandningar. Två vanliga metoder används:

• Gasersättning: Först ersätts luften inuti alternatorn med koldioxid (CO2), och sedan införs väte. Denna steg-för-steg-process säkerställer att det explosiva intervallet för väte-luftblandningar undviks.

• Vakuumspumpning: Alternatorenheten töms till 1/5 av atmosfärtrycket innan väte införs. Detta minskar närvaron av luft och minimerar risken för en explosiv reaktion under väteintroduktionen.

• Ytterligare kylningskrav: För att effektivt extrahera värme från väte måste kylspiraler som bär olja eller vatten installeras inuti generatorhöljet. Dessa spiraler är nödvändiga för att upprätthålla rätt temperatur hos väte när det cirkulerar genom maskinen.

• Kapacitetsbegränsningar: Trots sina många fördelar är vätekylningen otillräcklig för stora alternatorer med kapaciteter över 500 MW. Värmen som genereras av dessa högeffektmaskiner kräver mer avancerade kylningslösningar, som direkt vattenkylningsprocess, för att säkerställa pålitlig drift.

Driftsdetaljer

För att förhindra bildandet av explosiva väte-luftblandningar hålls vätegasset inuti generatorn vid ett tryck som är högre än atmosfärttrycket. Detta positiva tryck förhindrar inåtvänd läckage av luft, som skulle kunna kontaminera väte och skapa en farlig situation. Vätekylning vid tryck 1, 2 och 3 gånger atmosfärttrycket kan öka generatorns effekt med 15%, 30% och 40% respektive, jämfört med dess luftkylda effekt.

Vätekylningsystem kräver ett fullständigt tätt och effektivt cirkulationsystem. Specialolje-sigillade glännder installerades mellan axeln och höljet. Dessa glännder spelar en viktig roll för att förhindra väteleckage och luftinträngning. Eftersom oljan i dessa glännder absorberar både läckande väte och inkommande luft behöver den regelbundet rengöras för att bibehålla sin effektivitet.

Vätegasset cirkulerar genom rotorn och statoren i generatorn med hjälp av blåsare och fläktar. Efter att ha passerat generatorns komponenter dirigeras det uppvärmade vätet över kylspiraler belägna inuti höljet. Dessa spiraler, som kan fyllas med antingen olja eller vatten, absorberar värmen från väte, kylner ner det innan det cirkulerar igenom generatorn.

Sammanfattningsvis erbjuder vätekylning flera betydande fördelar jämfört med luftkylningsprocess, inklusive förbättrad kylningsprestanda, förbättrad maskinprestanda och förlängd isoleringslivslängd. Det finns dock också egna utmaningar och begränsningar som måste hanteras noggrant för att säkerställa säker och pålitlig drift av generatorn.