Турбогенератор с водородным охлаждением — Hydrogen-cooled turbo generator

Турбогенератор с водородным охлаждением — Hydrogen-cooled turbo generator

Турбогенератор с водородным охлаждением — это турбогенератор с газообразным водородом в качестве хладагента . Турбогенераторы с водородным охлаждением предназначены для создания атмосферы с низким лобовым сопротивлением и охлаждения для одновальных и комбинированных систем в сочетании с паровыми турбинами . Из-за высокой теплопроводности и других благоприятных свойств газообразного водорода на сегодняшний день это наиболее распространенный тип в этой области.

В настоящее время номинальная мощность гидрогенераторов составляет в среднем 200-400 МВА, частота вращения — 150-400 об/мин, коэффециент мощности – 0,85-0,95.
Ротор имеет большое количество пар полюсов и его диаметр в некоторых случаях может доходить до 16 метров.

Статор (рис.3) располагается внутри специального кожуха и является разборным для упрощения транспортировки и монтирования.

Рисунок 3 – Статор

Напряжение статора влияет на стоимость аппарата. Как правило, оно равно 15-20 кВ.
В качестве систем возбуждения широко применяются системы с тиристорными преобразователями и трехфазными мостовыми системами выпрямления. Системы возбуждения призваны обеспечивать ток и напряжение, которые превышают номинальные не более, чем на 10%.

Переходим на гидролиз

Турбогенераторы Волжской ТЭЦ и многих других тепловых электростанций, построенных в нашей стране в 1960-1980 гг., охлаждаются водородом. Этот газ используется потому, что имеет малое гидродинамическое сопротивление, почти в семь раз большую теплопроводность, чем воздух, и в 14 раз большую теплоёмкость. Кроме того, водород не вызывает окисления металла обмоток и других деталей электрических машин.

Качество охлаждения генератора влияет на такие его эксплуатационные характеристики, как КПД и срок службы изоляции. Согласно нормативным документам, обмотки ротора при работе должны иметь температуру 100-130 °С, а обмотки статора — 105-120 °С. При несоблюдении температурных режимов снижаются эластичность и механическая прочность изоляционных материалов — они разрушаются.

На новом принципе

Оборудование ТЭЦ выгодно эксплуатировать в щадящих режимах. Например, снижение температуры в турбогенераторе на 10-20 °С приводит к увеличению срока его службы в 2-4 раза и резкому сокращению затрат на техническое обслуживание. Именно поэтому в МЭИ (филиал в Волжском) большое внимание уделяется системам охлаждения генераторов.

Небольшой коллектив, включающий автора этой статьи и магистранта МЭИ Анну Никитину, выполнил научную работу, которая в начале 2017 г. была представлена на Конкурс ПАО «ЛУКОЙЛ» на лучшую научно-техническую разработку молодых учёных и специалистов. В результате проделанной работы родился «Проект мобильной установки производства водорода для систем охлаждения турбогенераторов».

Исследуя системы охлаждения турбогенераторов мощностью 65, 100 и 135 МВт на Волжской ТЭЦ, мы обратили внимание на электролизёры, которые используются для производства водорода. Эти установки морально устарели и физически изношены, а потому требуют немалых расходов на поддержание в рабочем состоянии.

Себестоимость получаемого на ТЭЦ водорода растёт из-за частых ремонтов электролизёров и отсутствия для них оригинальных комплектующих. Увеличивается и риск аварий, что требует особого внимания, поскольку при электролизном производстве водорода заодно вырабатывается кислород, который нужно отводить для безопасного выпуска в атмосферу.

Проведя патентный поиск, изучив и сравнив разные варианты получения водорода, мы предложили новую систему, основанную на принципах алюмоводородной энергетики (см. «Энерговектор», № 10/2016, с. 9. — Прим. ред.). В результате на базе существующего патента был разработан мобильный генератор водорода, использующий химический процесс вместо электрохимического.

Химические превращения

В предлагаемом генераторе водорода используется реакция гидролиза алюминия. Для получения 1 м 3 газа требуется 12,111 кг алюминиевой пасты и 11,086 кг едкого натра. В ходе реакции получается 22,725 кг алюмината натрия — довольно ценного сырья, используемого в различных промышленных процессах при окраске тканей, изготовлении стекла, абразивов, бумаги, лаков и другой продукции.

Были проведены технико-экономические расчёты, которые показали, что строительство на Волжской ТЭЦ новой электролизной установки, включающей два электролизёра, обойдётся в 10 млн руб. Учтя стоимость катализаторов, расходных материалов и электроэнергии на производство 7200 м 3 газа в месяц, мы получили, что установка окупится за 25,3 месяца, то есть немногим более, чем за два года.

Результат технико-экономических расчётов для гидролизного генератора выглядит совсем иначе. Если организовать продажу алюмината натрия, получающегося в процессе реакции, по текущей рыночной цене 800 руб./кг, установка окупится всего за 6,5 дня!

Столь впечатляющий показатель объясняется простотой мобильного гидролизного генератора водорода (он представляет собой цилиндрический реактор с системами ввода реагентов), а также благоприятным соотношением рыночных цен на реагенты и продукты реакции. Так, алюминиевая паста требуемого качества стоит 350 руб./кг, едкий натр — всего 30 руб. за кг, а алюминат натрия, как уже упоминалось, — 800 руб./кг.

Дело техники

Гидролизный генератор водорода может быть сконструирован с применением насосов или метода вытеснения реагентов инертным веществом — таким, как гелий или углекислый газ из баллона. На Волжской ТЭЦ для продувки системы и создания в ней избыточного давления можно применить существующие ёмкости для хранения азота объёмом по 20 м 3 , заполнение которых производится от линии Волжского химического комбината. Вариант генератора с применением насосов показан на рисунке.

Следует отметить, что гидролизный генератор можно внедрить на Волжской ТЭЦ, не демонтируя существующие электролизёры, то есть с подстраховкой и без капитальных затрат на переоборудование всей системы охлаждения турбогенераторов. Благодаря простоте конструкции предложенную установку легко собрать на подвижном шасси. В таком случае будет проще проводить техническое обслуживание и замену её оборудования, избегая простоев в производстве.

На кафедре теплоэнергетики и теплотехники МЭИ в химической лаборатории были проведены эксперименты, которые подтвердили возможность создания лабораторного образца мобильного генератора водорода с использованием доступных материалов — таких, как низкоуглеродистая сталь марок Ст 1 КП, Ст 2 КП, Ст 3 КП, Ст 3 ПС и полиметилметакрилат.

По нашим расчётам, предлагаемый гидролизный генератор позволит эффективно модернизировать электролизное хозяйство Волжской ТЭЦ. Замена энергоёмкого и небезопасного электролизёра на менее металлоёмкое и более гибкое по возможностям регулировки оборудование положительно скажется на экономике энергетического производства. Применяя простой по конструкции гидролизный генератор водорода, также можно уменьшить число плановых ремонтов и сервисных работ, повысив надёжность всей системы охлаждения турбогенераторов, и заодно снизить затраты энергии на собственные нужды ТЭЦ.

После отладки рабочих режимов можно будет отказаться от ресиверного хозяйства, снизив степень пожаро- и взрывоопасности производства. Внедрение предлагаемого генератора также позволит отработать систему непрерывного производства водорода с прицелом на масштабирование установки для её применения в системах малой энергетики.

В заключение благодарю управляющего ООО «Тепловая генерация Волжского» Олега Ивановича Баландина за административную поддержку, а научного сотрудника МЭИ профессора Геннадия Фёдоровича Терентьева и директора Волжского филиала МЭИ доцента Махсуда Мансуровича Султанова — за научное руководство.

Автор — машинист ЦТЩУ Волжской ТЭЦ-1 ООО «Тепловая генерация Волжского», ст. преподаватель кафедры теплоэнергетики и теплотехники МЭИ

Достоинства генераторов серии Т3В перед ТГ других типов и систем охлаждения

• Повышена надежность ротора в сравнении с генераторами ТГВ и ТВВ (где используется напорная система охлаждения ротора) за счет применения самонапорной системы без гидравлической связи обмотки ротора с валом. Обмотка статора же имеет непосредственное водяное охлаждение
• Уменьшена вероятность взрыва и возможность возгорания по сравнению с водородными машинами. И по причине отсутствия водорода уменьшены сечения каналов дистиллята в роторе
• Увеличение коэффициента полезного действия по сравнению с ТГ других видов
• Снижение уровня нагрева активных и конструктивных частей
• Повышенная плотность и снижение вибрации сердечника

Система возбуждения турбогенератора

Компания DMEnergy проводит диагностику системы возбуждения, а именно — проверку релейной защиты турбогенератора, АРН (автоматического регулятора напряжения), ARV (automatical regulator voltage), диодов обратного тока и диодного кольца.

Система, которая используется для подачи необходимого тока поля на обмотку ротора генератора, называется системой возбуждения. Основным требованием к системе возбуждения является надежность при любых условиях эксплуатации, простота управления, обслуживания, стабильность и быстрый переходный процесс. Требуемая величина возбуждения зависит от тока нагрузки, коэффициента мощности нагрузки и скорости машины. Система возбуждения – это единое целое, в котором каждый генератор имеет свой возбудитель.

Возбуждение турбогенератора в основном подразделяется на три типа:

• система возбуждения постоянного тока;
• система возбуждения переменного тока;
• система статического возбуждения.

Для того чтобы добиться изменения тока возбуждения пропорционально току нагрузки генератора, используется токовый трансформатор. Система APH обеспечивает ток возбуждения даже при коротком замыкании. Система возбуждения постоянного тока имеет два возбудителя — основной возбудитель и пилотный возбудитель. Выходной сигнал возбудителя регулируется автоматическим регулятором напряжения (система AVR) для управления напряжением выходной клеммы генератора. Вход трансформатора тока в AVR обеспечивает ограничение тока генератора во время отказа.

Синхронный генератор переменного тока, который работает в паре с газовой турбиной, называют турбогенератором. Главная задача – преобразование механической энергии вращения ротора турбины в электрическую. Главные компоненты электрогенератора – ротор и статор. Каждый из главных компонентов включает в себя различное число элементов и систем. Ротор – вращающийся элемент генератора, статор – неподвижный.

Механическая энергия преобразуется в электрическую через магнитное поле ротора в статоре. Магнитное поле создается несколькими путями: постоянными магнитами, током постоянного напряжения. Различают несколько типов генераторов: 2-х полюсные (скорость вращения 3000 об/мин.), 4-x полюсные (1500 об/мин) и многополюсные. Генераторы также различаются по типу применяемой системы охлаждения. Существуют модели с воздушным, водяным, масляным и даже водородным охлаждением. Также, не редко применение находят и комбинированные системы охлаждения.

Охлаждение масла

Система смазки в современных автомобильных моторах, помимо своей главной задачи — смазки трущихся деталей, — выполняет еще одну – теплоотводную: моторное масло отбирает часть тепла от работающих сопряженных частей мотора. Во многих современных двигателях даже предусмотрен собственный маслоохладитель, который в иных технологических картах и наставлениях так и называется — масляный радиатор.

Применяется ли сегодня воздушное охлаждение?

Да, применяется, и вполне успешно. В современном моторостроении различают два их типа: естественное (обдувом набегающего воздуха) и принудительное (при помощи вентиляторов).

Естественное охлаждение чаще применяется в моторной авиации. Принудительное — например, в таких конструкциях, как водные и колесные скутеры (мотороллеры), в мотоблоках и других сельхоз- и коммунальных агрегатах и механизмах.

В автомобилестроении можно вспомнить некоторые модели Volkswagen Group — Porsche, Beetle, он же – Kafer, а также итальянский Fiat-500, французский Citroën 2CV, чешскую легковушку Tatra-613 или родной и до боли знакомый всенародный автомобиль СССР — Запорожец.

История моторостроения может вспомнить и тракторные двигатели с воздушным охлаждением, а также грузовые автомобили с многоцилиндровыми дизельными моторами. Та же, например, чешская 12-тонная Tatra выпускалась вплоть до 2010 годов и до сих пор «в строю». К слову, кабина водителя этого самосвала нагревается специальным электрическим отопителем, а салон Запорожца — автономным… бензиновым.

Воздухоохладитель

Для правильного расчета теплообменника необходимо иметь следующие параметры:
• размеры воздухозаборного устройства
• расход воздуха
• температуры воздуха и воды на входе и выходе из охладителя
• максимально допустимые потери давления по воздуху и по воде

Необходимо учитывать, что любое дополнительное сопротивление на входе воздуха в ГТУ негативно сказывается на основных показателях работы ГТУ. При охлаждении воздуха на теплообменнике при определенных условиях может образовываться конденсат, для предотвращения уноса конденсата в турбину необходимо предусмотреть каплеуловитель. Также важным моментом является вопрос использования воды или гликоля в качестве холодоносителя, т.к. применение гликоля значительно снижает мощность по холоду, а использование воды влечет необходимость продувки системы для предотвращения заморозки.

Дренажный поддон

Для сбора и отвода воды, конденсирующейся на теплообменной поверхности батареи, в нижней части блока устанавливается специальный дренажный поддон. Его ширина должна быть достаточной, чтобы обеспечить отвод воды также и из каплеотбойника. Дренажный поддон изготавливается из нержавеющей стали. Конструкция поддона должна обеспечить достаточный объем для сбора воды, а также ее легкий отвод из системы через дренажные каналы, диаметр которых зависит от объема воды. На выходе из дренажной системы необходимо предусмотреть сифон.

Источник холода

Согласно рекомендациям Ассоциации по охлаждению приточного воздуха TICA, США, в ГТУ наиболее целесообразно, в случае наличия бросовых источников тепла, использовать АБХМ. В России АБХМ Thermax используются на нужды охлаждения воздуха на различных объектах с 2006 года, а за рубежом в портфолио Thermax более 300 проектов с охлаждением приточного воздуха в ГТУ, ГПУ, воздушные компрессора и другие установки.