Un turbogenerador refrigerado por hidrógeno es un turbogenerador con hidrógeno gaseoso como refrigerante . Los turbogeneradores refrigerados por hidrógeno están diseñados para proporcionar una atmósfera de baja resistencia y refrigeración para aplicaciones de un solo eje y de ciclo combinado en combinación con turbinas de vapor . [1] Debido a la alta conductividad térmica y otras propiedades favorables del gas hidrógeno, este es el tipo más común en su campo en la actualidad.
Basado en el turbogenerador refrigerado por aire, el hidrógeno gaseoso entró en servicio por primera vez como refrigerante en un turbogenerador refrigerado por hidrógeno en octubre de 1937, en la Dayton Power & Light Co. en Dayton, Ohio . [2]
El uso de hidrógeno gaseoso como refrigerante se basa en sus propiedades, a saber, baja densidad , alto calor específico y la mayor conductividad térmica (a 0,168 W/(m·K)) de todos los gases; es de 7 a 10 veces mejor para enfriar que el aire. [3] Otra ventaja del hidrógeno es su fácil detección por sensores de hidrógeno . Un generador enfriado con hidrógeno puede ser significativamente más pequeño y, por lo tanto, menos costoso que uno enfriado con aire. Para enfriar el estator, se puede utilizar agua.
El helio con una conductividad térmica de 0,142 W/(m·K) también se consideró como refrigerante; sin embargo, su alto coste dificulta su adopción a pesar de su no inflamabilidad. [4]
En general, se utilizan tres métodos de refrigeración. Para generadores de hasta 60 MW, se puede utilizar refrigeración por aire . Entre 60 y 450 MW se utiliza refrigeración por hidrógeno. Para los generadores de mayor potencia, hasta 1800 MW, se utiliza refrigeración por hidrógeno y agua ; el rotor se refrigera con hidrógeno, mientras que los devanados del estator están hechos de tubos huecos de cobre refrigerados por agua que circula a través de ellos.
Los generadores producen alto voltaje ; la elección del voltaje depende de la compensación entre las demandas de aislamiento eléctrico y el manejo de alta corriente eléctrica. Para generadores de hasta 40 MVA, el voltaje es de 6,3 kV; los generadores grandes con potencia superior a 1000 MW generan voltajes de hasta 27 kV; se utilizan voltajes entre 2,3 y 30 kV según el tamaño del generador. La energía generada se envía a un transformador elevador cercano , donde se convierte al voltaje de la línea de transmisión de energía eléctrica (normalmente entre 115 y 1200 kV).
Para controlar las fuerzas centrífugas a altas velocidades de rotación, el diámetro del rotor no suele superar los 1,25 metros; el gran tamaño necesario de las bobinas se consigue gracias a su longitud, por lo que el generador se monta horizontalmente. Las máquinas de dos polos suelen funcionar a 3000 rpm para sistemas de 50 Hz y a 3600 rpm para sistemas de 60 Hz, la mitad de esa velocidad para las máquinas de cuatro polos.
El turbogenerador también contiene un generador más pequeño que produce energía de excitación de corriente continua para la bobina del rotor. Los generadores más antiguos usaban dinamos y anillos colectores para la inyección de corriente continua al rotor, pero los contactos mecánicos móviles estaban sujetos a desgaste . Los generadores modernos tienen el generador de excitación en el mismo eje que la turbina y el generador principal; los diodos necesarios están ubicados directamente en el rotor. La corriente de excitación en generadores más grandes puede alcanzar 10 kA. La cantidad de energía de excitación varía entre el 0,5 y el 3% de la potencia de salida del generador.
El rotor suele contener tapas o jaulas hechas de material no magnético; su función es proporcionar una ruta de baja impedancia para las corrientes parásitas que se producen cuando las tres fases del generador están cargadas de manera desigual. En tales casos, se generan corrientes parásitas en el rotor y el calentamiento Joule resultante podría, en casos extremos, destruir el generador. [5]
El gas hidrógeno circula en un circuito cerrado para eliminar el calor de las partes activas y luego se enfría mediante intercambiadores de calor de gas a agua en el marco del estator . La presión de trabajo es de hasta 6 bar .
Se utiliza un analizador de conductividad térmica (TCD) en línea con tres rangos de medición. El primer rango (80-100 % H 2 ) se utiliza para controlar la pureza del hidrógeno durante el funcionamiento normal. El segundo (0-100 % H 2 ) y el tercero (0-100 % CO 2 ) permiten la apertura segura de las turbinas para realizar tareas de mantenimiento. [6]
El hidrógeno tiene una viscosidad muy baja , una propiedad favorable para reducir las pérdidas por arrastre en el rotor. Estas pérdidas pueden ser significativas debido a la alta velocidad de rotación del rotor. Una reducción en la pureza del refrigerante de hidrógeno aumenta las pérdidas por arrastre en la turbina debido al aumento asociado en la viscosidad y el arrastre. Una caída de solo un pequeño porcentaje en la pureza del hidrógeno puede aumentar las pérdidas por arrastre en cientos de kilovatios en un generador grande. [7] Las pérdidas por arrastre también aumentan la pérdida de calor en el generador y aumentan el problema de lidiar con el calor residual. [8]
La ausencia de oxígeno en la atmósfera reduce significativamente el daño al aislamiento del devanado causado por las descargas de corona ; estas pueden ser problemáticas ya que los generadores normalmente operan a alto voltaje , a menudo 20 kV. [9]
Los cojinetes deben ser herméticos. Se utiliza un sello hermético , normalmente un sello líquido; normalmente se utiliza un aceite de turbina a una presión superior a la del hidrógeno en el interior. Se presiona un anillo de metal, por ejemplo de latón , sobre el eje del generador mediante resortes , y el aceite se fuerza bajo presión entre el anillo y el eje; una parte del aceite fluye hacia el lado del hidrógeno del generador, otra parte hacia el lado del aire. El aceite arrastra una pequeña cantidad de aire; a medida que el aceite se recircula, parte del aire se transporta al generador. Esto provoca una acumulación gradual de contaminación del aire y requiere mantener la pureza del hidrógeno. [10]
Para ello se utilizan sistemas de depuración; el gas (mezcla de aire e hidrógeno arrastrado, liberado del aceite) se recoge en el tanque de retención del aceite de sellado y se libera a la atmósfera; las pérdidas de hidrógeno deben reponerse, ya sea mediante cilindros de gas o desde generadores de hidrógeno in situ. La degradación de los cojinetes provoca mayores fugas de aceite, lo que aumenta la cantidad de aire transferido al generador. El aumento del consumo de aceite se puede detectar mediante un caudalímetro para cada cojinete. [10]
La presencia de agua en el hidrógeno debe evitarse, ya que provoca el deterioro de las propiedades de refrigeración del hidrógeno, la corrosión de las piezas del generador y la formación de arcos eléctricos en los devanados de alta tensión, y reduce la vida útil del generador. Normalmente se incluye un secador a base de desecante en el circuito de circulación de gas, normalmente con una sonda de humedad en la salida del secador, a veces también en su entrada. La presencia de humedad también es una prueba indirecta de una fuga de aire en el compartimento del generador. [7] Otra opción es optimizar la eliminación del hidrógeno, de modo que el punto de rocío se mantenga dentro de las especificaciones del generador. El agua suele introducirse en la atmósfera del generador como una impureza en el aceite de la turbina; otra vía es a través de fugas en los sistemas de refrigeración por agua. [11]
Los límites de inflamabilidad (4-75% de hidrógeno en el aire a temperatura normal, más amplios a altas temperaturas, [12] ), su temperatura de autoignición a 571 °C, su energía mínima de ignición muy baja y su tendencia a formar mezclas explosivas con el aire, requieren que se tomen disposiciones para mantener el contenido de hidrógeno dentro del generador por encima del límite superior de inflamabilidad o por debajo del límite inferior en todo momento, y otras medidas de seguridad del hidrógeno . Cuando el generador está lleno de hidrógeno, se debe mantener una sobrepresión ya que la entrada de aire en el generador podría causar una explosión peligrosa en su espacio confinado.
El recinto del generador se purga antes de abrirlo para realizar tareas de mantenimiento y antes de rellenar el generador con hidrógeno. Durante el apagado, el hidrógeno se purga con un gas inerte y, a continuación, el gas inerte se sustituye por aire; antes del arranque se utiliza la secuencia opuesta. Para ello se puede utilizar dióxido de carbono o nitrógeno , ya que no forman mezclas combustibles con el hidrógeno y son económicos. Se utilizan sensores de pureza de gas para indicar el final del ciclo de purga, lo que acorta los tiempos de arranque y apagado y reduce el consumo del gas de purga.
El dióxido de carbono es el preferido porque, debido a la gran diferencia de densidad, desplaza fácilmente al hidrógeno. El dióxido de carbono se introduce primero en la parte inferior del generador, empujando el hidrógeno hacia afuera por la parte superior. Luego, se introduce aire en la parte superior, empujando el dióxido de carbono hacia afuera por la parte inferior. La purga se realiza mejor con el generador parado. Si se realiza durante la rotación a baja velocidad sin carga, los ventiladores del generador mezclarán los gases, lo que aumentará en gran medida el tiempo necesario para lograr la pureza.
El hidrógeno suele producirse in situ mediante una planta que consta de una serie de celdas de electrólisis , compresores y recipientes de almacenamiento. Esto reduce la necesidad de almacenar hidrógeno comprimido y permite almacenarlo en tanques de menor presión, con las consiguientes ventajas en materia de seguridad y menores costes. Es necesario conservar una parte del hidrógeno gaseoso para rellenar el generador, pero también se puede generar in situ.
A medida que la tecnología evoluciona, en los diseños de generadores se utilizan materiales que no son susceptibles a la fragilización por hidrógeno . No hacerlo puede provocar fallas en el equipo debido a la fragilización por hidrógeno. [13]
La baja densidad del hidrógeno, su alto calor específico y su conductividad térmica lo convierten en un refrigerante superior para esta aplicación... El hidrógeno tiene una de las mejores propiedades de transferencia de calor de cualquier gas, con un calor específico de 3,4 Btu/lb-F en condiciones estándar. En términos de masa, el hidrógeno es 14 veces más eficiente que el aire seco para eliminar el calor... El hidrógeno, como el gas más ligero, tiene la densidad más baja de cualquier gas estable. Las pérdidas por resistencia al viento se mantienen al mínimo porque la resistencia al viento del rotor en un generador enfriado por hidrógeno es mucho menor que en un generador enfriado por aire de tamaño similar.