Турбогенератор с водородным охлаждением

мощностью 500 МВт *Siemens* Многоступенчатая паровая турбина с генераторной установкой (сзади, красная)

Турбогенератор с водородным охлаждением — это турбогенератор, в котором используется газообразный водород в качестве теплоносителя . Турбогенераторы с водородным охлаждением предназначены для создания атмосферы с низким сопротивлением и охлаждения для одновальных и парогазовых установок в сочетании с паровыми турбинами . ^[1] Из-за высокой теплопроводности и других полезных свойств газообразного водорода сегодня это наиболее распространенный тип в своей области.

История

На основе турбогенератора с воздушным охлаждением газообразный водород впервые был введен в эксплуатацию в качестве охлаждающей жидкости в турбогенераторе с водородным охлаждением в октябре 1937 года на предприятии Dayton Power & Light Co. в Дейтоне, штат Огайо . ^[2]

Дизайн

Использование газообразного водорода в качестве теплоносителя основано на его свойствах, а именно низкой плотности , высокой удельной теплоемкости и самой высокой теплопроводности (0,168 Вт/(м·К)) среди всех газов; он охлаждает в 7–10 раз лучше, чем воздух. ^[3] Еще одним преимуществом водорода является его легкое обнаружение датчиками водорода . Генератор с водородным охлаждением может быть значительно меньше и, следовательно, дешевле, чем генератор с воздушным охлаждением. Для охлаждения статора можно использовать воду.

В качестве теплоносителя также рассматривался гелий с теплопроводностью 0,142 Вт/(м·К); однако его высокая стоимость препятствует его внедрению, несмотря на его негорючесть. ^[4]

Обычно используются три подхода к охлаждению. Для генераторов мощностью до 60 МВт воздушное охлаждение можно использовать . Используется водородное охлаждение мощностью от 60 до 450 МВт. Для генераторов наибольшей мощности — до 1800 МВт — водородное и водяное охлаждение используется ; ротор охлаждается водородом, а обмотки статора выполнены из полых медных трубок, охлаждаемых циркулирующей по ним водой.

Генераторы производят высокое напряжение ; выбор напряжения зависит от компромисса между требованиями электроизоляции и выдержкой высокого электрического тока. Для генераторов до 40 МВА напряжение составляет 6,3 кВ; крупные генераторы мощностью свыше 1000 МВт генерируют напряжение до 27 кВ; используются напряжения от 2,3 до 30 кВ в зависимости от размера генератора. Генерируемая мощность передается на ближайший повышающий трансформатор , где преобразуется в напряжение линии электропередачи (обычно от 115 до 1200 кВ).

Для управления центробежными силами на высоких скоростях вращения диаметр ротора обычно не превышает 1,25 метра; необходимый большой размер катушек достигается за счет их длины, поэтому генератор устанавливается горизонтально. Двухполюсные машины обычно работают со скоростью 3000 об/мин для систем с частотой 50 Гц и 3600 об/мин для систем с частотой 60 Гц, что вдвое меньше, чем для четырехполюсных машин.

Турбогенератор также содержит генератор меньшего размера, вырабатывающий постоянного тока мощность возбуждения для катушки ротора. В старых генераторах использовались динамо-машины и контактные кольца для подачи постоянного тока в ротор, но подвижные механические контакты подвергались износу . Современные генераторы имеют генератор возбуждения на том же валу, что и турбина и главный генератор; расположены необходимые диоды непосредственно на роторе. Ток возбуждения на более крупных генераторах может достигать 10 кА. Величина мощности возбуждения колеблется от 0,5 до 3% выходной мощности генератора.

Ротор обычно содержит колпачки или клетку 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 джоулевый нагрев в крайних случаях может привести к разрушению генератора. ^[5]

Водород циркулирует по замкнутому контуру для отвода тепла от активных частей, а затем охлаждается газо-водяными теплообменниками на корпусе статора . Рабочее давление до 6 бар .

онлайн- анализатор с детектором теплопроводности Используется (TCD) с тремя диапазонами измерения. Первый диапазон (80–100 % H ₂ ) предназначен для контроля чистоты водорода при нормальной работе. Второй (0–100 % H ₂ ) и третий (0–100 % CO ₂ ) диапазоны измерения позволяют безопасно открывать турбины для проведения технического обслуживания. ^[6]

Водород имеет очень низкую вязкость , что является благоприятным свойством для снижения потерь на сопротивление ротора. Эти потери могут быть значительными из-за высокой скорости вращения ротора. Снижение чистоты водородного теплоносителя увеличивает потери на воздушность в турбине из-за связанного с этим увеличения вязкости и сопротивления. Падение чистоты водорода с 98% до 95% в большом генераторе может увеличить потери на 32%; это эквивалентно 685 кВт для генератора мощностью 907 МВт. ^[7] Потери из-за ветра также увеличивают потери тепла в генераторе и усугубляют проблему утилизации отходящего тепла. ^[8]

Операция

Отсутствие кислорода в атмосфере внутри существенно снижает повреждение изоляции обмоток от коронных разрядов ; это может быть проблематично, поскольку генераторы обычно работают при высоком напряжении , часто 20 кВ. ^[9]

Уплотнение масляной системы

Подшипники должны быть герметичными. , Используется герметичное уплотнение обычно жидкостное; внутри . Обычно используется турбинное масло под давлением выше, чем давление водорода Металлическое, например латунное прижимается , кольцо пружинами к валу генератора, масло под давлением продавливается между кольцом и валом; часть масла поступает в водородную сторону генератора, другая часть — в воздушную сторону. Масло увлекает небольшое количество воздуха; при рециркуляции масла часть воздуха попадает в генератор. Это вызывает постепенное накопление загрязнения воздуха и требует поддержания чистоты водорода. ^[10]

Для этой цели используются системы очистки; газ (смесь увлеченного воздуха и водорода, выделяющегося из масла) собирается в резервуаре для хранения уплотнительного масла и выбрасывается в атмосферу; потери водорода необходимо восполнять либо из газовых баллонов , либо из генераторов водорода на месте. Деградация подшипников приводит к увеличению утечек масла, что увеличивает количество воздуха, подаваемого в генератор. Повышенный расход масла можно обнаружить с помощью расходомера каждого подшипника. ^[10]

Сушка

Присутствия воды в водороде следует избегать, так как это приводит к ухудшению охлаждающих свойств водорода, коррозии деталей генератора, образованию искрения в обмотках высокого напряжения и сокращает срок службы генератора. Осушитель на основе осушителя обычно включается в контур циркуляции газа, обычно с датчиком влажности на выходе осушителя, а иногда и на его входе. Наличие влаги также является косвенным свидетельством подсоса воздуха в генераторный отсек. ^[7] Другой вариант — оптимизировать удаление водорода, чтобы поддерживать точку росы в пределах технических характеристик генератора. Вода обычно попадает в атмосферу генератора в виде примеси в турбинном масле; другой путь – через утечки в системах водяного охлаждения. ^[11]

Очистка

( 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 внутри генератора выше верхнего или ниже нижнего предела воспламеняемости при все времена и другие водородной безопасности меры . При заполнении генератора водородом необходимо поддерживать избыточное давление, так как приток воздуха в генератор может вызвать опасный взрыв в его замкнутом пространстве.

Корпус генератора очищается перед его открытием для технического обслуживания и перед заправкой генератора водородом. Во время остановки 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 стоят недорого. Датчики чистоты газа используются для индикации окончания цикла продувки, что сокращает время запуска и остановки и снижает потребление продувочного газа.

Предпочтителен углекислый газ, поскольку из-за очень большой разницы в плотности он легко вытесняет водород. Углекислый газ сначала поступает в нижнюю часть генератора, вытесняя водород вверх. Затем воздух поступает вверху, вытесняя углекислый газ внизу. Продувку лучше всего производить при остановленном генераторе. Если это сделать во время медленного вращения без нагрузки, вентиляторы генератора будут перемешивать газы, значительно увеличивая время, необходимое для достижения чистоты.

Составить

Водород часто производится на месте с помощью установки, состоящей из ряда электролизеров , компрессоров и резервуаров для хранения. Это снижает потребность в хранении сжатого водорода и позволяет хранить его в резервуарах с более низким давлением, что повышает безопасность и снижает затраты. Некоторое количество газообразного водорода необходимо хранить для пополнения генератора, но его также можно производить на месте.

материалы, не подверженные водородному охрупчиванию По мере развития технологий в конструкциях генераторов используются . Невыполнение этого требования может привести к выходу оборудования из строя из-за водородного охрупчивания. ^[13]

См. также

Ссылки

^ Нагано, С.; Китадзима, Т.; Ёсида, К.; Казао, Ю.; Кабата, Ю.; Мурата, Д.; Нагакура, К. (1 июля 2002 г.). «Разработка крупнейшего в мире турбогенератора с водородным охлаждением». Летняя встреча Общества энергетиков IEEE . Том. 2. С. 657–663, т. 2. дои : 10.1109/PESS.2002.1043376 . ISBN 978-0-7803-7518-5 . S2CID 37954073 – через IEEE Xplore.
^ «Полный текст «Хронологической истории развития электротехники с 600 г. до н.э.» » . archive.org . 1946 год.
^ «Водород хорошо охлаждает, но безопасность имеет решающее значение» . Энергетика . Проверено 8 октября 2017 г. Низкая плотность водорода, высокая удельная теплоемкость и теплопроводность делают его превосходным хладагентом для этого применения... Водород обладает одними из лучших свойств теплопередачи среди всех газов: его удельная теплоемкость составляет 3,4 БТЕ/фунт-Ф в стандартных условиях. По массе водород в 14 раз более эффективен, чем сухой воздух, для отвода тепла... Водород, как самый легкий газ, имеет самую низкую плотность среди всех стабильных газов. Потери на сопротивление ветру сведены к минимуму, поскольку сопротивление ветра ротора в генераторе с водородным охлаждением намного меньше, чем в генераторе с воздушным охлаждением аналогичного размера.
^ [1] ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ «Демпферная обмотка роторов турбогенераторов» . www.freepatentsonline.com .
^ «Газоанализатор постоянно контролирует чистоту водорода» . news.thomasnet.com .
^ Jump up to: ^а ^б «Чистота водорода в генераторах с водородным охлаждением» (PDF) . www.gesensing.com . Архивировано из оригинала (PDF) 16 ноября 2008 г.
^ [2] ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ «Газовые турбины» . GE Power Generation . Архивировано из оригинала 5 мая 2010 г. Проверено 10 марта 2010 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Система водородного охлаждения генератора» . www.control.com .
^ «Загрязнение воды в генераторах с водородным охлаждением представляет собой серьезную эксплуатационную угрозу» . www.powergenworldwide.com .
^ «Модуль 1: Свойства водорода» (PDF) .
^ «Извлеченные уроки — водородные инструменты» . h2incidents.org .

Внешние ссылки

Турбогенератор – непрерывная инженерная задача

[1] Нагано, С.; Китадзима, Т.; Ёсида, К.; Казао, Ю.; Кабата, Ю.; Мурата, Д.; Нагакура, К. (1 июля 2002 г.). «Разработка крупнейшего в мире турбогенератора с водородным охлаждением». Летняя встреча Общества энергетиков IEEE . Том. 2. С. 657–663, т. 2. дои : 10.1109/PESS.2002.1043376 . ISBN 978-0-7803-7518-5 . S2CID 37954073 – через IEEE Xplore.

[2] «Полный текст «Хронологической истории развития электротехники с 600 г. до н.э.» » . archive.org . 1946 год.

[HydrogenCoolsWell-3] «Водород хорошо охлаждает, но безопасность имеет решающее значение» . Энергетика . Проверено 8 октября 2017 г. Низкая плотность водорода, высокая удельная теплоемкость и теплопроводность делают его превосходным хладагентом для этого применения... Водород обладает одними из лучших свойств теплопередачи среди всех газов: его удельная теплоемкость составляет 3,4 БТЕ/фунт-Ф в стандартных условиях. По массе водород в 14 раз более эффективен, чем сухой воздух, для отвода тепла... Водород, как самый легкий газ, имеет самую низкую плотность среди всех стабильных газов. Потери на сопротивление ветру сведены к минимуму, поскольку сопротивление ветра ротора в генераторе с водородным охлаждением намного меньше, чем в генераторе с воздушным охлаждением аналогичного размера.

[4] [1] ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[5] «Демпферная обмотка роторов турбогенераторов» . www.freepatentsonline.com .

[6] «Газоанализатор постоянно контролирует чистоту водорода» . news.thomasnet.com .

[purity-7] Jump up to: ^а ^б «Чистота водорода в генераторах с водородным охлаждением» (PDF) . www.gesensing.com . Архивировано из оригинала (PDF) 16 ноября 2008 г.

[8] [2] ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[9] «Газовые турбины» . GE Power Generation . Архивировано из оригинала 5 мая 2010 г. Проверено 10 марта 2010 г.

[:0-10] Jump up to: ^а ^б «Система водородного охлаждения генератора» . www.control.com .

[11] «Загрязнение воды в генераторах с водородным охлаждением представляет собой серьезную эксплуатационную угрозу» . www.powergenworldwide.com .

[12] «Модуль 1: Свойства водорода» (PDF) .

[13] «Извлеченные уроки — водородные инструменты» . h2incidents.org .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]