Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Силовая установка генератор турбины : паровая турбина (синий) приводит в действие электрический генератор (желтый) с генератором возбуждения (передние)
Многоступенчатая паровая турбина Siemens 500 МВт с генераторной установкой (задняя, ​​красная)

Турбогенератор с водородным охлаждением - это турбогенератор с газообразным водородом в качестве хладагента . Турбогенераторы с водородным охлаждением предназначены для создания атмосферы с низким сопротивлением и охлаждения для одновальных и комбинированных систем в сочетании с паровыми турбинами . [1] Из-за высокой теплопроводности и других благоприятных свойств газообразный водород на сегодняшний день является наиболее распространенным типом в этой области.

История [ править ]

Основанный на турбогенераторе с воздушным охлаждением, газообразный водород впервые был использован в качестве хладагента в турбогенераторе с водородным охлаждением в октябре 1937 года на предприятии Dayton Power & Light Co. в Дейтоне, штат Огайо . [2]

Дизайн [ править ]

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 охлаждается, 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.

Гелий с теплопроводностью 0,142 Вт / (м · К) также рассматривался в качестве хладагента, однако его высокая стоимость препятствует его применению, несмотря на его негорючесть. [4]

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

Генераторы вырабатывают высокое напряжение ; Выбор напряжения зависит от компромисса между требованиями к электрической изоляции и выдерживанием высокого электрического тока. Для генераторов до 40 МВА напряжение 6,3 кВ; большие генераторы мощностью более 1000 МВт генерируют напряжение до 27 кВ; используются напряжения от 2,3 до 30 кВ в зависимости от размера генератора. Генерируемая мощность передается в соседний повышающего трансформатора , где он преобразуется в электрический силовой передачи напряжения сети ( как правило , от 115 до 1200 кВ).

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

Турбогенератор также содержит генератор меньшего размера, вырабатывающий мощность возбуждения постоянного тока для обмотки ротора. В старых генераторах для подачи постоянного тока на ротор использовались динамо-машины и контактные кольца , но подвижные механические контакты изнашивались . В современных генераторах генератор возбуждения находится на одном валу с турбиной и основным генератором; эти диоды , необходимые расположены непосредственно на ротор. Ток возбуждения на более крупных генераторах может достигать 10 кА. Величина мощности возбуждения колеблется в пределах 0,5–3% выходной мощности генератора.

Ротор обычно содержит колпачки или обойму из немагнитного материала; его роль заключается в обеспечении пути с низким импедансом для вихревых токов, возникающих при неравномерной нагрузке трех фаз генератора. В таких случаях в роторе образуются вихревые токи, и возникающий в результате джоулев нагрев может в крайних случаях разрушить генератор. [5]

Газообразный водород циркулирует в замкнутом контуре для отвода тепла от активных частей, затем он охлаждается с помощью теплообменников газ-вода на раме статора . Рабочее давление до 6 бар .

Он-лайн детектор теплопроводности (ДТП) используется с тремя диапазонами измерения. Первый диапазон (80-100% H 2 ) 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 технического обслуживания. [6]

Водород имеет очень низкую вязкость , что способствует уменьшению потерь на лобовое сопротивление в роторе; эти потери могут быть значительными, так как роторы имеют большой диаметр и высокую скорость вращения. Каждое снижение чистоты водородного теплоносителя увеличивает потери на ветровую нагрузку в турбине; поскольку воздух в 14 раз плотнее водорода, каждый 1% воздуха соответствует примерно 14% увеличению плотности хладагента и связанному с этим увеличению вязкости и сопротивления. Падение чистоты с 97 до 95% в большом генераторе может увеличить потери на ветер на 32%; это равно 685 кВт для генератора мощностью 907 ​​МВт. [7] Ветровые потери также увеличивают тепловые потери генератора и связанные с этим проблемы с охлаждением. [8]

Операция [ править ]

Отсутствие кислорода в атмосфере внутри значительно снижает повреждение изоляции обмоток возможными коронными разрядами ; это может быть проблематично, поскольку генераторы обычно работают при высоком напряжении , часто 20 кВ. [9]

Масляная система уплотнения [ править ]

В подшипниках должны быть герметичными. Используется герметичное уплотнение , обычно жидкое уплотнение ; масла турбины при более высоком давлении , чем внутри водорода обычно используются. Металлическое, например латунное , кольцо прижимается пружинами.на вал генератора масло нагнетается под давлением между кольцом и валом; часть масла поступает в водородную сторону генератора, другая часть - в воздушную. Масло увлекает небольшое количество воздуха; по мере рециркуляции масла часть воздуха попадает в генератор. Это вызывает постепенное накопление загрязнения воздуха и требует поддержания чистоты водорода. Для этого используются системы очистки; газ (смесь увлеченного воздуха и водорода, выделяемого из масла) собирается в сборном баке для уплотнительного масла и выбрасывается в атмосферу; необходимо восполнить потери водорода либо из газовых баллоновили от местных генераторов водорода. Износ подшипников приводит к увеличению утечек масла, что увеличивает количество воздуха, передаваемого в генератор. Повышенный расход масла можно определить по расходомеру каждого подшипника. [10]

Сушка [ править ]

Следует избегать присутствия воды в водороде, так как это вызывает ухудшение охлаждающих свойств водорода, коррозию деталей генератора и искрение в обмотках высокого напряжения, а также сокращает срок службы генератора. Осушитель основанная сушилка, как правило , включена в контуре циркуляции газа, как правило , с зондом влаги в выходе сушилки, а иногда и в его входе. Наличие влаги также является косвенным свидетельством попадания воздуха в отсек генератора. [7] Другой вариант - оптимизация поглощения водорода, поэтому точка росысоответствует техническим характеристикам генератора. Вода обычно попадает в атмосферу генератора как примесь в турбинном масле; другой путь - через утечки в системах водяного охлаждения. [11]

Очистка [ править ]

В пределы воспламеняемости (4-75% водорода в воздухе при нормальной температуре, шире , при высоких температурах, [12] ), его температура самовоспламенения при 571 ° С, его очень низкой энергии минимального зажигания , и его склонность к образованию взрывоопасных смесей с воздухом , требуют принятия мер для постоянного поддержания содержания водорода в генераторе выше верхнего или ниже нижнего предела воспламеняемости, а также других мер водородной безопасности . Когда генератор заполнен водородом, необходимо поддерживать избыточное давление, так как приток воздуха в генератор может вызвать опасный взрыв.в своем замкнутом пространстве. Корпус генератора продувается перед тем, как открывать его для обслуживания, а также перед заправкой генератора водородом. Во время отключения водород продувается инертным газом, затем инертный газ заменяется воздухом; обратная последовательность используется перед запуском. Углекислый газ или азотмогут быть использованы для этой цели, так как они не образуют горючие смеси с водородом и недороги. Датчики чистоты газа используются для индикации окончания цикла продувки, что сокращает время запуска и отключения и снижает потребление продувочного газа. Предпочтение отдается диоксиду углерода, так как из-за очень большой разницы в плотности он легко вытесняет водород. Сначала углекислый газ поступает в нижнюю часть генератора, выталкивая водород вверх. Затем воздух поступает наверх, выталкивая углекислый газ снизу. Продувку лучше 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.

Макияж [ править ]

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, с соответствующими преимуществами безопасности и меньшими затратами. Некоторое количество газообразного водорода необходимо сохранить для заправки генератора, но его также можно получить на месте.

По мере развития технологий в конструкциях генераторов используются материалы, не подверженные водородному охрупчиванию . Несоблюдение этого может привести к отказу оборудования из-за водородной хрупкости . [13]

См. Также [ править ]

  • Хронология водородных технологий
  • Реактивный двигатель с предварительным охлаждением

Ссылки [ править ]

  1. ^ Нагано, S .; Kitajima, T .; Yoshida, K .; Kazao, Y .; Kabata, Y .; Murata, D .; Нагакура, К. (1 июля 2002 г.). «Разработка крупнейшего в мире турбогенератора с водородным охлаждением». Летняя встреча IEEE Power Engineering Society . 2 . С. 657–663 т.2. DOI : 10.1109 / PESS.2002.1043376 . ISBN 978-0-7803-7518-5 - через IEEE Xplore.
  2. ^ "Полный текст" Хронологической истории развития электричества с 600 г. до н.э. " " . archive.org .
  3. ^ «Водород хорошо охлаждает, но безопасность имеет решающее значение» . Энергетика . Проверено 8 октября 2017 года . низкая плотность, высокая удельная теплоемкость и теплопроводность водорода делают его превосходным хладагентом для этого применения ... Водород обладает одним из лучших свойств теплопередачи среди всех газов с удельной теплотой 3,4 БТЕ / фунт-фут в 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 ветрового сопротивления сведены к минимуму, поскольку ветровое сопротивление 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 .
  7. ^ a b «Чистота водорода в генераторах с водородным охлаждением» (PDF) . www.gesensing.com . Архивировано из оригинального (PDF) 16 ноября 2008 года.
  8. ^ [2] [ постоянная мертвая ссылка ]
  9. ^ «Газовые турбины» . GE Power Generation . Архивировано из оригинала на 2010-05-05 . Проверено 10 марта 2010 .
  10. ^ "Генераторная система охлаждения водорода" . www.control.com .
  11. ^ «Загрязнение воды в генераторах с водородным охлаждением скрывается как серьезная операционная угроза» . www.powergenworldwide.com .
  12. ^ «Модуль 1: Свойства водорода» (PDF) .
  13. ^ «Извлеченные уроки - Водородные инструменты» . h2incidents.org .

Внешние ссылки [ править ]

  • Турбогенератор - постоянная инженерная задача