Turbo gerador resfriado a hidrogênio - Hydrogen-cooled turbo generator
Um turbo gerador resfriado a hidrogênio é um turbo gerador com hidrogênio gasoso como refrigerante . Os turbo geradores resfriados a hidrogênio são projetados para fornecer uma atmosfera de baixo arrasto e resfriamento para aplicações de eixo único e de ciclo combinado em combinação com turbinas a vapor . Devido à alta condutividade térmica e outras propriedades favoráveis do gás hidrogênio, este é o tipo mais comum em seu campo hoje.
História
Com base no turbo gerador resfriado a ar, o hidrogênio gasoso entrou em serviço pela primeira vez como refrigerante em um turbo gerador resfriado a hidrogênio em outubro de 1937, na Dayton Power & Light Co. em Dayton, Ohio .
Projeto
O uso de hidrogênio gasoso como refrigerante é baseado em suas propriedades, ou seja, baixa densidade , alto calor específico e a maior condutividade térmica (a 0,168 W / (m · K)) de todos os gases; é 7-10 vezes melhor no resfriamento do que o ar. Outra vantagem do hidrogênio é sua fácil detecção por sensores de hidrogênio . Um gerador refrigerado a hidrogênio pode ser significativamente menor e, portanto, mais barato do que um gerador refrigerado a ar. Para o resfriamento do estator, pode-se usar água.
O hélio com condutividade térmica de 0,142 W / (m · K) também foi considerado refrigerante, porém seu alto custo dificulta sua adoção apesar de não ser inflamável.
Geralmente, três abordagens de resfriamento são usadas. Para geradores de até 60 MW, pode-se usar refrigeração a ar . Entre 60-450 MW de resfriamento de hidrogênio é empregado. Para os geradores de maior potência, até 1.800 MW, hidrogênio e resfriamento de água são usados; o rotor é arrefecida com hidrogénio, o estator os enrolamentos são feitas de tubos ocos de cobre arrefecida por água que circula através deles.
Os geradores produzem alta tensão ; a escolha da voltagem depende da compensação entre as demandas de isolamento elétrico e o manuseio de alta corrente elétrica. Para geradores de até 40 MVA, a tensão é de 6,3 kV; grandes geradores com potência acima de 1000 MW geram tensões de até 27 kV; tensões entre 2,3-30 kV são usadas dependendo do tamanho do gerador. A energia gerada é enviada para um transformador elevador próximo , onde é convertida para a tensão da linha de transmissão de energia elétrica (normalmente entre 115 e 1200 kV).
Para controlar as forças centrífugas em altas velocidades de rotação, o diâmetro do rotor normalmente não excede 1,25 metros; o grande tamanho necessário das bobinas é obtido por seu comprimento e, portanto, o gerador é montado horizontalmente. As máquinas de dois polos normalmente operam a 3.000 rpm para 50 Hz e 3600 rpm para sistemas de 60 Hz, metade disso para máquinas de quatro polos.
O turbogerador também contém um gerador menor que produz energia de excitação de corrente contínua para a bobina do rotor. Os geradores mais antigos usavam dínamos e anéis coletores para injeção de CC no rotor, mas os contatos mecânicos móveis estavam sujeitos a desgaste . Os geradores modernos têm o gerador de excitação no mesmo eixo da turbina e do gerador principal; os diodos necessários estão localizados diretamente no rotor. A corrente de excitação em geradores maiores pode chegar a 10 kA. A quantidade de potência de excitação varia entre 0,5-3% da potência de saída do gerador.
O rotor geralmente contém tampas ou gaiolas feitas de material não magnético; sua função é fornecer um caminho de baixa impedância para correntes parasitas que ocorrem quando as três fases do gerador são carregadas de forma desigual. Nesses casos, correntes parasitas são geradas no rotor e o aquecimento Joule resultante pode, em casos extremos, destruir o gerador.
O gás hidrogénio é circulado num circuito fechado para remover calor das partes activas, em seguida, é arrefecida por gás-água permutadores de calor sobre o estator quadro. A pressão de trabalho é de até 6 bar .
Um analisador de detector de condutividade térmica (TCD) on-line é usado com três faixas de medição. A primeira faixa (80-100% H 2 ) para monitorar a pureza do hidrogênio durante a operação normal. A segunda (0-100% H 2 ) e a terceira (0-100% CO 2 ) faixas de medição permitem a abertura segura das turbinas para manutenção.
O hidrogênio tem viscosidade muito baixa , propriedade favorável para a redução das perdas por arrasto no rotor. Essas perdas podem ser significativas devido à alta velocidade de rotação dos rotores. Uma redução na pureza do refrigerante de hidrogênio aumenta as perdas por vento na turbina devido ao aumento associado na viscosidade e arrasto. Uma queda na pureza do hidrogênio de 98 para 95% em um grande gerador pode aumentar as perdas de vento em 32%; isso é equivalente a 685 kW para um gerador de 907 MW. As perdas por vento também aumentam a perda de calor no gerador e aumentam o problema de lidar com o calor residual. Gerador CA: Princípio, Construção, Melhores Peças - 2021
Operação
A ausência de oxigênio na atmosfera reduz significativamente os danos ao isolamento do enrolamento causados por descargas corona ; isso pode ser problemático, pois os geradores normalmente operam em alta tensão , geralmente 20 kV.
Sistema de óleo de vedação
Os rolamentos devem ser estanques. Um selo hermético , geralmente um selo líquido , é empregado; um óleo de turbina a uma pressão mais alta do que o hidrogênio interno é normalmente usado. Um anel de metal, por exemplo, latão , é pressionado por molas no eixo do gerador, o óleo é forçado sob pressão entre o anel e o eixo; parte do óleo flui para o lado do hidrogênio do gerador, outra parte para o lado do ar. O óleo arrasta uma pequena quantidade de ar; conforme o óleo é recirculado, parte do ar é transportado para o gerador. Isso causa um acúmulo gradual de contaminação do ar e requer a manutenção da pureza do hidrogênio. Sistemas de limpeza são usados para este propósito; o gás (mistura de ar e hidrogênio arrastado, liberado do óleo) é coletado no tanque de retenção do óleo de vedação e liberado na atmosfera; as perdas de hidrogênio devem ser reabastecidas, seja a partir de cilindros de gás ou de geradores de hidrogênio no local. A degradação dos rolamentos leva a maiores vazamentos de óleo, o que aumenta a quantidade de ar transferida para o gerador. O aumento do consumo de óleo pode ser detectado por um medidor de fluxo para cada rolamento.
Secagem
A presença de água no hidrogênio deve ser evitada, pois causa deterioração das propriedades de resfriamento do hidrogênio, corrosão das peças do gerador e formação de arco nos enrolamentos de alta tensão e reduz a vida útil do gerador. Um secador à base de dessecante é geralmente incluído no circuito de circulação de gás, normalmente com uma sonda de umidade na saída do secador, às vezes também em sua entrada. A presença de umidade também é evidência indireta de vazamento de ar no compartimento do gerador. Outra opção é otimizar a eliminação do hidrogênio, de forma que o ponto de orvalho seja mantido dentro das especificações do gerador. A água é geralmente introduzida na atmosfera do gerador como uma impureza no óleo da turbina; outra rota é por meio de vazamentos em sistemas de refrigeração de água.
Purgando
Os limites de inflamabilidade (4-75% do hidrogênio no ar em temperatura normal, mais amplo em altas temperaturas), sua temperatura de autoignição em 571 ° C, sua energia de ignição mínima muito baixa e sua tendência de formar misturas explosivas com o ar, exigem provisões a ser feita para manter o conteúdo de hidrogênio dentro do gerador acima do limite superior ou inferior de inflamabilidade em todos os momentos, e outras medidas de segurança do hidrogênio . Quando o gerador é abastecido com hidrogênio, a sobrepressão deve ser mantida, pois o influxo de ar no gerador pode causar uma explosão perigosa em seu espaço confinado. O gabinete do gerador é purgado antes de abri-lo para manutenção e antes de recarregar o gerador com hidrogênio. Durante o desligamento, o hidrogênio é purgado por um gás inerte e, em seguida, o gás inerte é substituído por ar; a sequência oposta é usada antes da inicialização. O dióxido de carbono ou o nitrogênio podem ser usados para esse fim, pois não formam misturas combustíveis com o hidrogênio e são baratos. Sensores de pureza de gás são usados para indicar o fim do ciclo de purga, o que encurta os tempos de inicialização e desligamento e reduz o consumo do gás de purga. O dióxido de carbono é favorecido porque, devido à diferença de densidade muito alta, ele desloca facilmente o hidrogênio. O dióxido de carbono é admitido primeiro na parte inferior do gerador, empurrando o hidrogênio para fora na parte superior. Em seguida, o ar é admitido na parte superior, empurrando o dióxido de carbono para a parte inferior. A purga é melhor realizada com o gerador parado. Se isso for feito durante a rotação sem carga em baixa velocidade, os ventiladores do gerador irão misturar os gases, aumentando muito o tempo necessário para atingir a pureza.
Maquiagem
O hidrogênio é frequentemente produzido no local usando uma planta que consiste em uma série de células de eletrólise , compressores e recipientes de armazenamento. Isso reduz a necessidade de armazenamento de hidrogênio comprimido e permite o armazenamento em tanques de baixa pressão, com benefícios de segurança associados e custos mais baixos. Algum hidrogênio gasoso deve ser guardado para recarregar o gerador, mas também pode ser gerado no local.
Conforme a tecnologia evolui, materiais não suscetíveis à fragilização por hidrogênio são usados em projetos de geradores. Não fazer isso pode levar à falha do equipamento devido à fragilização por hidrogênio.