Гідрогенне охолодження синхронного генератора

Гідрогенне охолодження синхронних генераторів

Газовий гідроген використовується як охолоджувальна речовина всередині корпусів генераторів завдяки своїм винятковим охолоджувальним властивостям. Однак важливо зазначити, що деякі суміші гідрогену та повітря є високовибуховими. Вибухова реакція може відбутися, коли суміш гідроген-повітря містить від 6% гідрогену і 94% повітря до 71% гідрогену і 29% повітря. Суміші з більш ніж 71% гідрогену не горючі. На практиці співвідношення 9:1 гідрогену до повітря часто застосовується у дуже великих турбо-генераторах.

Основні аспекти гідрогеного охолодження

Переваги над повітряним охолодженням

• Покращена ефективність охолодження: Газовий гідроген має значно більшу теплопровідність порівняно з повітрем. Його здатність передавати тепло в 1,5 рази вища, ніж у повітря, що дозволяє набагато швидше охолоджувати компоненти генератора. Це швидке зниження температури допомагає підтримувати оптимальні робочі температури та зменшує ризик перегріву.

• Покращена ефективність, зменшення втрат на вітер і шум: При однаковій температурі та тиску щільність гідрогену приблизно у 1/14 частину менша, ніж у повітря. Коли обертові частини генератора працюють в цій середовищі з низькою щільністю, втрати на вітер зменшуються. В результаті загальна ефективність машини зростає, а шум, що виникає під час роботи, зменшується, що призводить до більш ефективного та тихого генератора.

• Запобігання коронному розряду: Коли повітря використовується як охолоджувальна речовина, усередині генератора може виникнути коронний розряд. Цей розряд виробляє речовини, такі як озон, оксиди азоту та азотну кислоту, які можуть сильно пошкодити ізоляцію генератора. Натомість, гідрогенне охолодження ефективно запобігає коронному ефекту, що продовжує тривалість життя ізоляції та зменшує потребу у частому обслуговуванні та заміні.

Обмеження

• Високі витрати на будівництво: Генератори з гідрогенним охолодженням вимагають більш дорогих рам. Це обумовлено необхідністю впровадження вибухостікіх конструкцій та герметичних ущільнень валу для запобігання витоку гідрогену та потенційних вибухів. Ці додаткові безпекові функції додають до загальної вартості виробництва генератора.

• Складний процес допуску газу: Потрібно приймати спеціальні заходи при введенні гідрогену в генератор, щоб уникнути створення вибухової суміші. Дві поширені методи:

• Заміна газу: Спочатку повітря всередині генератора замінюється двоокисом вуглецю (CO2), а потім вводиться гідроген. Цей поетапний процес забезпечує уникнення вибухового діапазону сумішей гідроген-повітря.

• Вакуумна насосування: Одиниця генератора евакується до 1/5 атмосферного тиску перед введенням гідрогену. Це зменшує присутність повітря та мінімізує ризик вибухової реакції під час введення гідрогену.

• Додаткові вимоги до охолодження: Для ефективного вилучення тепла з гідрогену, всередині корпуса генератора необхідно встановити охолоджувальні спіралі, що містять масло або воду. Ці спіралі необхідні для підтримки правильної температури гідрогену під час його циркуляції через машину.

• Обмеження щодо потужності: Незважаючи на багато переваг, гідрогенне охолодження недостатньо для великих генераторів з потужністю, що перевищує 500 МВт. Тепло, виділене цими високопотужними машинами, вимагає більш сучасних систем охолодження, таких як пряме водне охолодження, для забезпечення надійної роботи.

Операційні деталі

Для запобігання утворення вибухової суміші гідроген-повітря, газовий гідроген всередині генератора підтримується під тиском, який вищий за атмосферний. Цей позитивний тиск запобігає проникненню повітря, яке могло б забруднити гідроген і створити небезпечну ситуацію. Гідрогенне охолодження при тисках 1, 2 і 3 рази вище атмосферного може збільшити рейтинг генератора на 15%, 30% і 40% відповідно, порівняно з його повітряним охолодженням.

Системи гідрогеного охолодження вимагають повністю герметичну та ефективну циркуляційну систему. Спеціальні масляні ущільнення встановлюються між валом та корпусом. Ці ущільнення грають ключову роль у запобіганні витоку гідрогену та проникненню повітря. Оскільки масло в цих ущільненнях поглинає як витікаючий гідроген, так і входяче повітря, його потрібно регулярно очищати, щоб підтримувати його ефективність.

Газовий гідроген циркулює через ротор та статор генератора за допомогою віял та вентиляторів. Після проходження через компоненти генератора, нагрітий гідроген направляється через охолоджувальні спіралі, розташовані всередині корпуса. Ці спіралі, які можуть бути наповнені маслом або водою, поглинають тепло від гідрогену, охолоджуючи його перед повторною циркуляцією через генератор.

Загалом, гідрогенне охолодження має ряд значних переваг над повітряним охолодженням, включаючи покращену ефективність охолодження, підвищену продуктивність машини та подовження терміну служби ізоляції. Однак, воно також має власні виклики та обмеження, які потрібно обережно керувати, щоб забезпечити безпечну та надійну роботу генератора.