تبريد مولد متزامن

سینکرون ژنراتورها را خنک کردن: روش‌ها، مزایا و محدودیت‌ها

اهمیت خنک کردن

خنک کردن جنبه بحرانی عملکرد سینکرون ژنراتور است. مکانیزم‌های طبیعی خنک کردن برای تبدیل حرارت زیاد تولید شده در ژنراتورهای جایگزین کافی نیستند. برای مقابله با این مشکل، از سیستم‌های خنک کردن هوا با فشار استفاده می‌شود. در چنین سیستم‌هایی، هوای به طور فعال وارد ژنراتور می‌شود و حجم بزرگتری از هوا روی سطوح آن عبور می‌کند که به تخلیه مقدار قابل توجهی از گرما کمک می‌کند. یک سیستم تهویه مدار بسته برای بهبود خنک کردن ژنراتورهای سینکرون خاصاً مؤثر است. در این تنظیمات، هوای داغ و پاک از ژنراتور توسط یک مبدل حرارتی خنک شده با آب خنک می‌شود و سپس با استفاده از مراوح به داخل ژنراتور بازگردانده می‌شود.

برای بیشینه کردن سطح تماس با هوا خنک کننده، لوله‌های هوا در هسته‌های استاتور و روتور و همچنین در سیم‌پیچ‌های میدان ژنراتور ادغام شده‌اند. این لوله‌ها می‌توانند در جهت شعاعی یا محوری تنظیم شوند، به تبعیت از الگوی مورد نظر جریان هوا.

سیستم تهویه با جریان شعاعی

توضیح

در یک سیستم تهویه با جریان شعاعی، هوا از طریق فاصله هوایی در استاتور وارد لوله‌ها می‌شود و به صورت شعاعی به سمت پشت استاتور حرکت می‌کند، از آنجا که سپس خارج می‌شود.

مزایا

• کمترین تلفات انرژی: انرژی مورد نیاز برای تهویه به حداقل رسیده و به کارایی کلی کمک می‌کند.

• تنوع: این سیستم می‌تواند به هر دو نوع ماشین کوچک و بزرگ اعمال شود، که آن را گزینه‌ای انعطاف‌پذیر در اندازه‌های مختلف ژنراتور می‌کند.

محدودیت‌ها

اندازه و فشردگی: وجود لوله‌های تهویه که می‌توانند حدود ۲۰٪ طول آرماتور را اشغال کنند، ماشین را کمتر فشرده می‌کند.

تخلیه گرما: نسبت به سایر سیستم‌های خنک کردن، سیستم جریان شعاعی تخلیه گرما کمتری ارائه می‌دهد. در برخی موارد، پایداری سیستم ممکن است به دلیل نوسانات در حجم هوا که از طریق ماشین می‌گذرد، در معرض خطر قرار گیرد.

سیستم تهویه با جریان محوری

توضیح

در این روش، هوا از طریق مسیرهایی که توسط سوراخ‌های موجود در استاتور و روتور ایجاد شده‌اند، به صورت محوری وارد می‌شود.

عملکرد و محدودیت‌ها

سیستم تهویه با جریان محوری بسیار موثر است، به جز برای ماشین‌های با طول‌های محوری قابل توجه. یکی از معایب اصلی آن انتقال گرما غیر یکنواخت است. بخش خروجی هوا از ماشین معمولاً کمتر خنک می‌شود چون هوا در حال حرکت از طریق لوله‌های محوری گرم می‌شود.

تهویه محیطی

توضیح

در تهویه محیطی، هوا در یک یا چند نقطه در محیط خارجی هسته استاتور تأمین می‌شود و سپس به صورت محیطی از طریق لوله‌های بین لایه‌ها به منافذ تعیین شده ارسال می‌شود. این روش امکان افزایش مساحت لوله را می‌دهد.

ترکیبات و ملاحظات

در برخی موارد، تهویه محیطی با سیستم جریان شعاعی ترکیب می‌شود. با این حال، باید دقت کرد تا از تداخل بین دو جریان هوا جلوگیری شود. برای جلوگیری از چنین تداخلی، معمولاً سطوح بیرونی لوله‌های شعاعی متناوب بسته می‌شوند.

نیازهای هوا خنک کننده

برای خنک کردن مؤثر، هوا باید تمیز و بدون غبار باشد. ذرات غبار می‌توانند لوله‌ها را مسدود کنند و مساحت مقطع آن‌ها را کاهش دهند و در نتیجه کارایی تخلیه گرما را از طریق هدایت کاهش دهند. برای تضمین هوا تمیز، از فیلترهای هوا و فیلترهای پارچه‌ای معمولاً استفاده می‌شود. در برخی مواقع، هوا در یک کامره پاششی شسته می‌شود. علاوه بر این، در اغلب موارد، هوا با خنک‌کننده‌های آب خنک می‌شود و سپس برای مجدد استفاده دوباره‌سازی می‌شود.

محدودیت‌های خنک کردن با هوا

تجهیزات و هزینه: برای ماشین‌های با ظرفیت بالا، مراوح مورد نیاز برای گردش هوا بزرگتر می‌شوند و مقدار قابل توجهی انرژی مصرف می‌کنند. این موضوع نیاز به استفاده از تجهیزات کمکی را ایجاد می‌کند که می‌تواند گران‌قیمت باشد.

محدودیت‌های ظرفیت: یک رتبه‌بندی بهینه برای ماشین‌ها وجود دارد که فراتر از آن، خنک کردن با هوا دیگر برای نگهداری دمای ماشین در محدوده عملیاتی ایمن کافی نیست.

خنک کردن ژنراتورهای سینکرون با هیدروژن

در یک سیستم خنک کننده هیدروژن، گاز هیدروژن به عنوان مedium خنک کننده عمل می‌کند. بررسی دقیق‌تر این روش در مقاله "خنک کردن ژنراتور سینکرون با هیدروژن" یافت می‌شود.

خنک کردن مستقیم با آب در ژنراتورهای سینکرون

کاربرد

خنک کردن با هیدروژن برای استخراج گرما از توربو-ژنراتورهای بزرگ با ظرفیت ۵۰۰ MW یا بیشتر کافی نیست. حجم زیاد گاز هیدروژن مورد نیاز برای چنین ماشین‌هایی می‌تواند استفاده از آن را اقتصادی نکند. در چنین مواردی، از خنک کردن مستقیم با آب استفاده می‌شود. در توربو-ژنراتورهای بسیار بزرگ، روترها معمولاً با هیدروژن خنک می‌شوند، در حالی که سیم‌پیچ‌های استاتور با آب خالص خنک می‌شوند. آب با یک پمپ مرکزی با موتور AC گردش داده می‌شود و فیلترهای کارتریج برای حذف آلودگی‌ها استفاده می‌شود. این فیلترها به طور خاص طراحی شده‌اند تا ذرات فلزی خوردگی‌زا که در سیم‌پیچ‌ها و لوله‌ها تولید می‌شوند از ورود به رسانه‌های توخالی سیم‌پیچ‌ها جلوگیری کنند.

مزایا نسبت به خنک کردن با هیدروژن

• کارایی: سیستم‌های خنک کننده با آب سریع‌تر و کارآمدتر هستند چون هدایت حرارتی آب نسبت به هیدروژن بیشتر است.

• بهینه‌سازی فضا: مساحت کمتر لازم برای آب امکان می‌دهد که فضای بیشتری برای رسانه‌ها در سلوت‌ها در نظر گرفته شود و طراحی ژنراتور بهینه شود.

معایب

• نیاز به پاک‌سازی: آب مورد استفاده برای خنک کردن باید بسیار پاک باشد تا افزایش هدایت الکتریکی آن که می‌تواند منجر به مشکلات الکتریکی شود، جلوگیری شود.

• هزینه: خنک کردن با آب عموماً گران‌تر از خنک کردن با هیدروژن است و گزینه‌ای گران‌قیمت‌تر برای خنک کردن ژنراتور است.

به طور خلاصه، خنک کردن ژنراتورهای سینکرون شامل مجموعه‌ای از روش‌ها است که هر یک دارای مزایا و محدودیت‌های خود است. انتخاب روش خنک کردن مناسب به عواملی مانند اندازه، ظرفیت و نیازهای عملیاتی ژنراتور بستگی دارد.