Турбогенератор с водородным охлаждением — это турбогенератор с газообразным водородом в качестве хладагента . Турбогенераторы с водородным охлаждением предназначены для обеспечения атмосферы с низким сопротивлением и охлаждения для одновальных и комбинированных циклов в сочетании с паровыми турбинами . [1] Благодаря высокой теплопроводности и другим благоприятным свойствам газообразного водорода, это наиболее распространенный тип в своей области на сегодняшний день.
На основе турбогенератора с воздушным охлаждением газообразный водород впервые был использован в качестве хладагента в турбогенераторе с водородным охлаждением в октябре 1937 года на заводе Dayton Power & Light Co. в Дейтоне, штат Огайо . [2]
Использование газообразного водорода в качестве хладагента основано на его свойствах, а именно: низкой плотности , высокой удельной теплоемкости и самой высокой теплопроводности (0,168 Вт/(м·К)) среди всех газов; он в 7–10 раз лучше охлаждает, чем воздух. [3] Еще одним преимуществом водорода является его легкое обнаружение водородными датчиками . Генератор с водородным охлаждением может быть значительно меньше и, следовательно, дешевле, чем генератор с воздушным охлаждением. Для охлаждения статора можно использовать воду.
Гелий с теплопроводностью 0,142 Вт/(м·К) также рассматривался в качестве хладагента; однако его высокая стоимость препятствует его внедрению, несмотря на его негорючесть. [4]
Обычно используются три подхода к охлаждению. Для генераторов мощностью до 60 МВт может использоваться воздушное охлаждение . Между 60 и 450 МВт используется водородное охлаждение. Для генераторов самой высокой мощности, до 1800 МВт, используется водородное и водяное охлаждение ; ротор охлаждается водородом, а обмотки статора выполнены из полых медных трубок, охлаждаемых циркулирующей по ним водой.
Генераторы вырабатывают высокое напряжение ; выбор напряжения зависит от компромисса между требованиями электроизоляции и обработки большого электрического тока. Для генераторов до 40 МВА напряжение составляет 6,3 кВ; крупные генераторы мощностью свыше 1000 МВт вырабатывают напряжение до 27 кВ; используются напряжения от 2,3 до 30 кВ в зависимости от размера генератора. Вырабатываемая мощность отправляется на близлежащий повышающий трансформатор , где она преобразуется в напряжение линии электропередачи (обычно от 115 до 1200 кВ).
Для управления центробежными силами при высоких скоростях вращения диаметр ротора обычно не превышает 1,25 метра; требуемый большой размер катушек достигается за счет их длины, поэтому генератор устанавливается горизонтально. Двухполюсные машины обычно работают со скоростью 3000 об/мин для систем 50 Гц и 3600 об/мин для систем 60 Гц, что вдвое меньше, чем у четырехполюсных машин.
Турбогенератор также содержит меньший генератор, вырабатывающий мощность возбуждения постоянного тока для катушки ротора. Старые генераторы использовали динамо-машины и контактные кольца для подачи постоянного тока в ротор, но подвижные механические контакты были подвержены износу . Современные генераторы имеют генератор возбуждения на том же валу, что и турбина и главный генератор; необходимые диоды расположены непосредственно на роторе. Ток возбуждения на более крупных генераторах может достигать 10 кА. Величина мощности возбуждения колеблется от 0,5 до 3% от выходной мощности генератора.
Ротор обычно содержит крышки или клетку, изготовленные из немагнитного материала; его роль заключается в обеспечении пути с низким импедансом для вихревых токов , которые возникают, когда три фазы генератора нагружены неравномерно. В таких случаях в роторе генерируются вихревые токи, и возникающий в результате джоулев нагрев может в экстремальных случаях разрушить генератор. [5]
Водородный газ циркулирует в замкнутом контуре для отвода тепла от активных частей, затем охлаждается с помощью газо-водяных теплообменников на раме статора . Рабочее давление до 6 бар .
Используется анализатор детектора теплопроводности (TCD) в режиме реального времени с тремя диапазонами измерения. Первый диапазон (80–100% H 2 ) предназначен для контроля чистоты водорода во время нормальной работы. Второй (0–100% H 2 ) и третий (0–100% CO 2 ) диапазоны измерения позволяют безопасно открывать турбины для технического обслуживания. [6]
Водород имеет очень низкую вязкость , что является благоприятным свойством для снижения потерь на сопротивление в роторе. Эти потери могут быть значительными из-за высокой скорости вращения ротора. Снижение чистоты водородного охладителя увеличивает потери на сопротивление в турбине из-за связанного с этим увеличения вязкости и сопротивления. Снижение чистоты водорода всего на несколько процентов может увеличить потери на сопротивление в большом генераторе на сотни киловатт. [7] Потери на сопротивление также увеличивают потери тепла в генераторе и увеличивают проблему работы с отходящим теплом. [8]
Отсутствие кислорода в атмосфере значительно снижает повреждение изоляции обмотки от коронных разрядов ; они могут быть проблематичными, поскольку генераторы обычно работают при высоком напряжении , часто 20 кВ. [9]
Подшипники должны быть герметичными. Используется герметичное уплотнение , обычно жидкостное уплотнение; обычно используется турбинное масло под давлением выше, чем водород внутри. Металлическое, например , латунное , кольцо прижимается пружинами к валу генератора, масло под давлением нагнетается между кольцом и валом; часть масла течет в водородную сторону генератора, другая часть — в воздушную сторону. Масло увлекает за собой небольшое количество воздуха; по мере рециркуляции масла часть воздуха переносится в генератор. Это вызывает постепенное накопление загрязнения воздуха и требует поддержания чистоты водорода. [10]
Для этой цели используются системы продувки; газ (смесь вовлеченного воздуха и водорода, выделяемого из масла) собирается в резервуаре для хранения уплотнительного масла и выбрасывается в атмосферу; потери водорода должны быть восполнены либо из газовых баллонов , либо из водородных генераторов на месте. Деградация подшипников приводит к более высоким утечкам масла, что увеличивает количество воздуха, передаваемого в генератор. Повышенный расход масла может быть обнаружен расходомером для каждого подшипника. [10]
Необходимо избегать присутствия воды в водороде, так как это приводит к ухудшению охлаждающих свойств водорода, коррозии деталей генератора и искрению в обмотках высокого напряжения, а также сокращает срок службы генератора. Осушитель на основе осушителя обычно включается в контур циркуляции газа, как правило, с зондом влажности на выходе осушителя, иногда также на его входе. Наличие влаги также является косвенным доказательством утечки воздуха в отсек генератора. [7] Другим вариантом является оптимизация удаления водорода, чтобы точка росы поддерживалась в пределах спецификаций генератора. Вода обычно вводится в атмосферу генератора как примесь в турбинном масле; другой путь - через утечки в системах водяного охлаждения. [11]
Пределы воспламеняемости ( 4–75% водорода в воздухе при нормальной температуре, шире при высоких температурах, [12] ), его температура самовоспламенения 571 °C, его очень низкая минимальная энергия воспламенения и его склонность к образованию взрывоопасных смесей с воздухом требуют принятия мер для поддержания содержания водорода в генераторе выше верхнего или ниже нижнего предела воспламеняемости в любое время, а также других мер безопасности при работе с водородом . Когда генератор заполнен водородом, необходимо поддерживать избыточное давление, так как приток воздуха в генератор может вызвать опасный взрыв в его замкнутом пространстве.
Корпус генератора продувается перед его открытием для обслуживания и перед заправкой генератора водородом. Во время останова водород продувается инертным газом, а затем инертный газ заменяется воздухом; перед запуском используется обратная последовательность. Для этой цели можно использовать углекислый газ или азот , так как они не образуют горючих смесей с водородом и недороги. Датчики чистоты газа используются для индикации окончания цикла продувки, что сокращает время запуска и останова и снижает расход продувочного газа.
Углекислый газ предпочтительнее, так как из-за очень большой разницы в плотности он легко вытесняет водород. Углекислый газ сначала поступает в нижнюю часть генератора, выталкивая водород сверху. Затем воздух поступает в верхнюю часть, выталкивая углекислый газ снизу. Продувку лучше всего проводить при остановленном генераторе. Если это делается во время медленного вращения без нагрузки, вентиляторы генератора будут смешивать газы, значительно увеличивая время, необходимое для достижения чистоты.
Водород часто производится на месте с использованием установки, состоящей из ряда электролизных ячеек, компрессоров и резервуаров для хранения. Это снижает потребность в хранении сжатого водорода и позволяет хранить его в резервуарах с более низким давлением, что обеспечивает преимущества безопасности и более низкие затраты. Некоторое количество газообразного водорода необходимо хранить для заправки генератора, но его также можно производить на месте.
По мере развития технологий в конструкциях генераторов используются материалы, не подверженные водородной хрупкости . Невыполнение этого требования может привести к выходу оборудования из строя из-за водородной хрупкости. [13]
низкая плотность водорода, высокая удельная теплоемкость и теплопроводность делают его превосходным охладителем для этого применения ... Водород обладает одним из лучших свойств теплопередачи среди всех газов, удельная теплоемкость составляет 3,4 БТЕ/фунт-F при стандартных условиях. По массе водород в 14 раз эффективнее сухого воздуха для отвода тепла ... Водород, как самый легкий газ, имеет самую низкую плотность среди всех стабильных газов. Потери на сопротивление ветра сведены к минимуму, поскольку сопротивление ветра ротора в генераторе с водородным охлаждением намного меньше, чем в аналогичном по размеру генераторе с воздушным охлаждением