Un turbogenerador refrigerado por hidrógeno es un turbogenerador que utiliza 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 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 conductividad térmica más alta (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 mediante sensores de hidrógeno . Un generador enfriado por hidrógeno puede ser significativamente más pequeño y, por tanto, menos costoso que uno enfriado por aire. Para enfriar el estator se puede utilizar agua.
También se consideró como refrigerante helio con una conductividad térmica de 0,142 W/(m·K); sin embargo, su alto costo dificulta su adopción a pesar de su no inflamabilidad. [4]
Generalmente, se utilizan tres enfoques de enfriamiento. Para generadores de hasta 60 MW, se puede utilizar refrigeración por aire . Se emplea refrigeración por hidrógeno entre 60 y 450 MW. Para los generadores de mayor potencia, hasta 1800 MW, se utiliza hidrógeno y refrigeración por agua ; el rotor está enfriado por hidrógeno, mientras que los devanados del estator están hechos de tubos huecos de cobre enfriados por el agua que circula a través de ellos.
Los generadores producen alto voltaje ; La elección del voltaje depende del equilibrio entre las demandas de aislamiento eléctrico y el manejo de corriente eléctrica elevada. Para generadores de hasta 40 MVA, el voltaje es de 6,3 kV; los grandes generadores con potencia superior a 1000 MW generan voltajes de hasta 27 kV; Se utilizan voltajes entre 2,3 y 30 kV dependiendo del 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 normalmente no supera los 1,25 metros; El gran tamaño requerido de las bobinas se consigue mediante su longitud, por lo que el generador se monta horizontalmente. Las máquinas de dos polos normalmente funcionan a 3000 rpm para sistemas de 50 Hz y a 3600 rpm para sistemas de 60 Hz, la mitad que 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 CC 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 se encuentran directamente en el rotor. La corriente de excitación en generadores más grandes puede alcanzar los 10 kA. La cantidad de potencia de excitación oscila 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 ocurren 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 detector de conductividad térmica (TCD) en línea con tres rangos de medición. El primer rango (80–100% H 2 ) es para monitorear la pureza del hidrógeno durante el funcionamiento normal. El segundo (0–100 % H 2 ) y el tercero (0–100 % CO 2 ) rangos de medición permiten una apertura segura de las turbinas para el 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 importantes debido a la alta velocidad de rotación del rotor. Una reducción en la pureza del refrigerante de hidrógeno aumenta las pérdidas por viento en la turbina debido al aumento asociado de viscosidad y resistencia. Una caída en la pureza del hidrógeno del 98% al 95% en un generador grande puede aumentar las pérdidas por viento en un 32%; esto equivale a 685 KW para un generador de 907 MW. [7] Las pérdidas por viento 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 interior reduce significativamente el daño al aislamiento del devanado debido a las descargas de corona ; Estos pueden ser problemáticos ya que los generadores normalmente funcionan a alto voltaje , a menudo 20 kV. [9]
Los cojinetes deben ser estancos. Se emplea un sello hermético , generalmente un sello líquido; Normalmente se utiliza un aceite de turbina a una presión superior a la del hidrógeno del interior. Un anillo de metal, por ejemplo de latón , se presiona mediante resortes sobre el eje del generador, el aceite se presiona bajo presión entre el anillo y el eje; parte del aceite fluye hacia el lado del hidrógeno del generador y otra parte hacia el lado del aire. El aceite arrastra una pequeña cantidad de aire; A medida que el aceite recircula, parte del aire pasa al generador. Esto provoca una acumulación gradual de contaminación del aire y requiere mantener la pureza del hidrógeno. [10]
Para este fin se utilizan sistemas de recolección de residuos; el gas (mezcla de aire arrastrado e hidrógeno 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 con cilindros de gas o con 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 rodamiento. [10]
Debe evitarse la presencia de agua en el hidrógeno, ya que provoca el deterioro de las propiedades de refrigeración del hidrógeno, la corrosión de las piezas del generador y la formación de arcos en los devanados de alto voltaje, y reduce la vida útil del generador. Generalmente se incluye un secador a base de desecante en el circuito de circulación de gas, generalmente con una sonda de humedad en la salida del secador, a veces también en su entrada. La presencia de humedad también es una evidencia indirecta de una fuga de aire en el compartimiento del generador. [7] Otra opción es optimizar la eliminación de hidrógeno, de modo que el punto de rocío se mantenga dentro de las especificaciones del generador. El agua normalmente se introduce en la atmósfera del generador como impureza en el aceite de la turbina; Otra ruta es a través de fugas en los sistemas de refrigeración por agua. [11]
Los límites de inflamabilidad (4-75% del hidrógeno en el aire a temperatura normal, más amplios a altas temperaturas, [12] ), su temperatura de autoignición a 571 °C, su bajísima energía mínima de ignición y su tendencia a formar mezclas explosivas con el aire. , exigen que se tomen disposiciones para mantener el contenido de hidrógeno dentro del generador por encima del límite superior o por debajo del límite inferior de inflamabilidad 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 al generador podría provocar una explosión peligrosa en su espacio confinado.
El recinto del generador se purga antes de abrirlo para mantenimiento y antes de rellenar el generador con hidrógeno. Durante la parada, el hidrógeno se purga con un gas inerte y luego el gas inerte se reemplaza por aire; Se utiliza la secuencia opuesta antes del inicio. Para ello se puede utilizar dióxido de carbono o nitrógeno , ya que no forman mezclas combustibles con el hidrógeno y son económicos. Los sensores de pureza del gas se utilizan para indicar el final del ciclo de purga, lo que acorta los tiempos de arranque y parada y reduce el consumo del gas de purga.
Se prefiere el dióxido de carbono ya que, debido a la diferencia de densidad muy alta, desplaza fácilmente al hidrógeno. El dióxido de carbono ingresa primero a la parte inferior del generador, empujando el hidrógeno hacia la parte superior. Luego, el aire sube a la parte superior, empujando el dióxido de carbono hacia la parte inferior. La purga se realiza mejor con el generador parado. Si se hace durante la rotación sin carga a baja velocidad, los ventiladores del generador mezclarán los gases, aumentando considerablemente el tiempo necesario para lograr la pureza.
El hidrógeno suele producirse in situ mediante una planta que consta de una serie de células de electrólisis , compresores y recipientes de almacenamiento. Esto reduce la necesidad de almacenar hidrógeno comprimido y permite el almacenamiento en tanques de menor presión, con los beneficios de seguridad asociados y menores costos. Es necesario conservar algo de 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 del hidrógeno. [13]
La baja densidad, el alto calor específico y la conductividad térmica del hidrógeno 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 eficaz que el aire seco para eliminar el calor... El hidrógeno, como 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.