수소 냉각 터보 발전기

Hydrogen-cooled turbo generator
발전소 터빈 발전기 세트: 증기 터빈(파란색)이 여자 발전기(전면)를 갖춘 발전기(노란색)를 구동한다.
발전기 세트 포함 500 MW Siemens 다단 증기 터빈(후면, 빨간색)

수소냉각 터보발전기는 수소가스를 냉각수로 하는 터보발전기이다.수소 냉각 터보 발전기는 증기 [1]터빈과 함께 단일 축 및 복합 사이클 애플리케이션에 낮은 드래그 대기 및 냉각을 제공하도록 설계되었습니다.수소 가스의 높은 열 전도율과 다른 유리한 특성 때문에, 이것은 오늘날 그 분야에서 가장 흔한 유형입니다.

역사

공랭 터보 발전기를 기반으로, 수소가스는 1937년 10월 오하이오 [2]주 데이튼에 있는 데이튼 파워 & 라이트사에서 수소 냉각 터보 발전기의 냉각제로 처음 사용되기 시작했습니다.

설계.

냉매로서 수소가스를 사용하는 것은 저밀도, 고비열, 최고 열전도율(0.168 W/(m·K))의 특성을 바탕으로 하며,[3] 공기보다 냉각 능력이 7~10배 우수하다.수소의 또 다른 장점은 수소 센서로 쉽게 검출할 수 있다는 것이다.수소 냉각식 발전기는 공랭식 발전기보다 훨씬 작을 수 있으며, 따라서 비용이 저렴합니다.고정자 냉각에는 물을 사용할 수 있습니다.

열전도율이 0.142 W/(m·K)인 헬륨도 냉각수로 고려되었으나,[4] 비용이 비싸서 불연성에도 불구하고 채택에 방해가 된다.

일반적으로 세 가지 냉각 방법이 사용됩니다.최대 60 MW의 발전기의 경우 공랭을 사용할 수 있습니다.60~450 MW의 수소 냉각이 사용된다.최대 1800MW의 최고 발전기의 경우 수소 및 수냉이 사용됩니다. 로터는 수소 냉각되고 스테이터 권선은 물을 순환시켜 냉각되는 중공 구리 튜브로 구성됩니다.

제너레이터는 고전압을 생성합니다. 전압 선택은 전기 절연 수요와 고전류 처리 사이의 균형에 따라 달라집니다.최대 40MVA의 발전기의 경우 전압은 6.3kV이고, 1000MW 이상의 전력을 가진 대형 발전기는 최대 27kV의 전압을 생성합니다. 발전기의 크기에 따라 2.3~30kV의 전압이 사용됩니다.생성된 전력은 근처의 스텝업 변압기로 보내지며, 여기서 송전선 전압(일반적으로 115~1200kV)으로 변환됩니다.

고속 회전 시 원심력을 제어하기 위해 로터 직경은 일반적으로 1.25m를 초과하지 않습니다. 코일의 필요한 큰 크기는 코일의 길이에 따라 달성되므로 제너레이터가 수평으로 장착됩니다.일반적으로 2극 기계는 50Hz의 경우 3000rpm, 60Hz 시스템의 경우 3600rpm으로 작동하며, 이는 4극 기계의 절반입니다.

터보제너레이터에는 로터 코일의 직류 들뜸 전력을 생성하는 더 작은 제너레이터도 포함되어 있습니다.구형 발전기는 로터에 직류 주입을 위해 동력기와 슬립링을 사용했지만, 움직이는 기계 접점은 마모될 수 있습니다.최신 제너레이터는 터빈 및 메인 제너레이터와 동일한 샤프트에 여자 제너레이터가 있습니다. 필요한 다이오드는 로터에 직접 위치합니다.대형 발전기의 여자 전류는 10kA에 이를 수 있습니다.여자 전력의 범위는 제너레이터 출력 전력의 0.5~3%입니다.

로터에는 일반적으로 비자성 재료로 만들어진 캡 또는 케이지가 들어 있습니다. 로터의 역할은 제너레이터의 3상이 불균일하게 부하될 때 발생하는 와전류를 위한 저임피던스 경로를 제공하는 것입니다.이 경우 로터에 와전류가 발생하며, 그 결과 발생하는 줄 가열은 극단적인 경우 [5]발전기를 파괴할 수 있다.

수소 가스는 폐쇄 루프 형태로 순환하여 활성부로부터 열을 제거한 후 고정자 프레임 상의 가스-수열 교환기에 의해 냉각된다.작동 압력은 최대 6bar입니다.

온라인 열전도도검출기(TCD) 분석기는 3가지 측정범위와 함께 사용됩니다.정상 운전 시 수소 순도를 모니터링하는 첫 번째 범위(80~100% H2)입니다.두 번째(0-100% H2) 및 세 번째(0-100% CO2) 측정 범위는 [6]유지보수를 위해 터빈을 안전하게 열 수 있도록 합니다.

수소는 매우 낮은 점도를 가지며, 이는 로터의 드래그 손실을 줄이는데 유리한 특성입니다.이러한 손실은 로터의 고속 회전으로 인해 현저할 수 있습니다.수소 냉각수의 순도가 감소하면 점도와 항력의 증가로 인해 터빈의 윈디지 손실이 증가합니다.대형 발전기에서 수소 순도가 98%에서 95%로 떨어지면 풍속 손실이 32% 증가할 수 있습니다. 이는 907 MW [7]발전기의 685 kW에 해당합니다.풍력 손실은 또한 발전기의 열 손실을 증가시키고 폐열을 처리하는 문제를 증가시킵니다.AC 발전기: 원리, 구조, 베스트 부품 - 2021

작동

대기 중에 산소가 없으면 코로나 방전으로 인한 권선 절연의 손상이 현저하게 감소한다. 발전기는 일반적으로 고전압(종종 20kV)[8]에서 작동하기 때문에 문제가 될 수 있다.

씰 오일 시스템

베어링은 누출이 없어야 합니다.일반적으로 액체 씰인 밀폐 씰이 사용되며, 일반적으로 내부의 수소보다 높은 압력의 터빈 오일이 사용됩니다.금속(예: 황동)은 스프링에 의해 제너레이터 샤프트에 압착되고 오일은 링과 샤프트 사이에서 가압됩니다. 오일의 일부는 제너레이터의 수소 측으로, 다른 일부는 공기 측으로 흐릅니다.오일은 소량의 공기를 유입합니다. 오일이 재순환되면서 공기의 일부가 제너레이터로 옮겨집니다.이로 인해 대기 오염이 점차 증가하며 수소 순도를 유지해야 합니다.소기 시스템은 이러한 목적을 위해 사용됩니다. 가스(혼입 공기와 수소의 혼합물, 오일에서 방출되는 혼합물)는 밀봉 오일을 위해 유지 탱크에 수집되어 대기로 방출됩니다. 수소 손실은 가스 실린더 또는 현장 수소 생성기에서 보충되어야 합니다.베어링의 열화는 오일 누출을 증가시켜 제너레이터로 전달되는 공기의 양을 증가시킵니다.오일 소비량 증가는 각 [9]베어링의 유량계를 통해 감지될 수 있습니다.

건조.

수소의 수분은 수소의 냉각 특성 악화, 발전기 부품의 부식, 고압 권선의 아크의 원인이 되고 발전기의 수명을 단축시키므로 피해야 한다.건조제 기반 건조기는 일반적으로 가스 순환 루프에 포함되며, 일반적으로 건조기 출구(때로는 흡입구)에 수분 프로브가 있습니다.습기가 있다는 것은 제너레이터 컴파트먼트로 [7]공기가 누출된다는 간접적인 증거이기도 합니다.또 다른 옵션은 수소 소거 최적화를 통해 이슬점이 발전기의 사양 범위 내에서 유지되도록 하는 것입니다.물은 보통 터빈 오일의 불순물로 제너레이터 대기에 유입되며, 또 다른 경로는 수냉 [10]시스템의 누출을 통해 유입됩니다.

소거

그 인화성 한계(수소 대기 중 정상 온도에 4-75%, 고등에 더 넓은 temperatures,[11]), 571°C에서 자동 발화 온도가 매우 낮은 최소 점화 에너지, 그리고 그것의 경향이 공기와 혼합 화약류를 형성하기, 식량 발전기 내에 위의 수소 함량을 유지하기 위해 시행되는 선택을 요구하거나 빌로우 상부.헐e 항상 낮은 가연성 한계 및 기타 수소 안전 조치.발전기에 수소가 충전되면 발전기로 공기가 유입되면 밀폐된 공간에 위험한 폭발이 발생할 수 있으므로 과압이 유지되어야 한다.유지보수를 위해 제너레이터 인클로저를 열기 전 및 제너레이터에 수소를 주입하기 전에 제너레이터 인클로저를 퍼지합니다.정지 중에는 수소가 불활성 가스에 의해 퍼지된 다음 불활성 가스에 의해 공기로 대체됩니다. 시동 전에는 반대 시퀀스가 사용됩니다.이산화탄소나 질소는 수소와 가연성 혼합물을 형성하지 않고 저렴하기 때문에 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다.가스 순도 센서는 퍼징 사이클의 종료를 나타내는 데 사용되며, 이는 시작 및 종료 시간을 단축하고 퍼징 가스의 소비를 줄입니다.이산화탄소는 매우 높은 밀도 차이로 인해 수소를 쉽게 대체하기 때문에 선호된다.이산화탄소는 먼저 발전기 바닥으로 유입되어 꼭대기에 있는 수소를 밀어냅니다.그리고 나서 공기가 꼭대기로 유입되어 이산화탄소를 바닥으로 밀어낸다.퍼지는 제너레이터가 정지된 상태에서 수행하는 것이 가장 좋습니다.저속 언로드 회전 중에 이 작업을 수행하면 제너레이터 팬이 가스를 혼합하여 순도를 달성하는 데 필요한 시간이 크게 늘어납니다.

메이크업

수소는 종종 전기 분해 셀, 압축기 및 저장 용기의 배열로 구성된 공장을 사용하여 현장에서 생산됩니다.따라서 압축 수소를 저장할 필요성이 줄어들고 저압 탱크에 보관할 수 있어 안전상의 이점이 있으며 비용도 절감됩니다.발전기 재충전을 위해 일부 수소가스를 보관해야 하지만 현장에서 발생시킬 수도 있다.

기술이 발전함에 따라 발전기 설계에는 수소의 메짐화에 영향을 받지 않는 재료가 사용됩니다.그렇지 않으면 수소의 [12]메짐화로 인해 장비에 장애가 발생할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Nagano, S.; Kitajima, T.; Yoshida, K.; Kazao, Y.; Kabata, Y.; Murata, D.; Nagakura, K. (1 July 2002). "Development of world's largest hydrogen-cooled turbine generator". IEEE Power Engineering Society Summer Meeting. Vol. 2. pp. 657–663 vol.2. doi:10.1109/PESS.2002.1043376. ISBN 978-0-7803-7518-5 – via IEEE Xplore.
  2. ^ "Full text of "A chronological history of electrical development from 600 B.C."". archive.org.
  3. ^ "Hydrogen Cools Well, but Safety is Crucial". Power Engineering. Retrieved 8 October 2017. hydrogen’s low density, high specific heat and thermal conductivity make it a superior coolant for this application ... Hydrogen has one of the best heat transfer properties of any gas, with a specific heat of 3.4 Btu/lb-F at standard conditions. On a mass basis, hydrogen is 14 times more efficient than dry air for removing heat ... Hydrogen, as the lightest gas, has the lowest density of any stable gas. Wind resistance losses are kept to a minimum because the rotor’s wind resistance in a hydrogen-cooled generator is far less than in a similarly sized air-cooled generator
  4. ^ [1][영구 데드링크]
  5. ^ "Damper winding for turbine generator rotors". www.freepatentsonline.com.
  6. ^ "Gas Analyzer constantly monitors hydrogen purity". news.thomasnet.com.
  7. ^ a b "Hydrogen Purity in Hydrogen-Cooled Generators" (PDF). www.gesensing.com. Archived from the original (PDF) on 2008-11-16.
  8. ^ "Gas Turbines". GE Power Generation. Archived from the original on 2010-05-05. Retrieved 2010-03-10.
  9. ^ "Generator Hydrogen Cooling System". www.control.com.
  10. ^ "Water Contamination in Hydrogen-Cooled Generators Lurks as Serious Operational Threat". www.powergenworldwide.com.
  11. ^ "Module 1: Hydrogen Properties" (PDF).
  12. ^ "Lessons Learned - Hydrogen Tools". h2incidents.org.

외부 링크