Водород на тэц для чего
Системы охлаждения генераторов
Во время работы синхронного генератора его обмотки и активная сталь нагреваются.
Допустимые температуры нагрева обмоток статора и ротора зависят в первую очередь от применяемых изоляционных материалов и температуры охлаждающей среды. По ГОСТ 533-76 для изоляции класса В (на асфальтобитумных лаках) допустимая температура нагрева обмотки статора должна находиться в пределах 105°С, а ротора 130°С. При более теплостойкой изоляции обмоток статора и ротора, например, классов F и Н, пределы допустимой температуры нагрева увеличиваются.
Для того чтобы температура нагрева не превышала допустимых значений, все генераторы выполняют с искусственным охлаждением.
По способу отвода тепла от нагретых обмоток статора и ротора различают косвенное и непосредственное охлаждение.
При непосредственном охлаждении охлаждающее вещество (газ или жидкость) соприкасается с проводниками обмоток генератора, минуя изоляцию и сталь зубцов, т.е. непосредственно.
Отечественные заводы изготовляют турбогенераторы с воздушным, водородным и жидкостным охлаждением, а также гидрогенераторы с воздушным и жидкостным охлаждением.
Воздушное охлаждение генератора
Проточную систему охлаждения применяют редко и лишь в турбогенераторах мощностью до 2 MBА, а также в гидрогенераторах до 4 MBА. При этом через генератор прогоняется воздух из машинного зала, который быстро загрязняет изоляцию обмоток статора и ротора, что в конечном счете сокращает срок службы генератора.
При замкнутой системе охлаждения один и тот же объем воздуха циркулирует по замкнутому контуру. Схематично циркуляция воздуха при таком охлаждении для турбогенератора представлена на рис.1. Для охлаждения воздуха служит воздухоохладитель 1, по трубкам которого непрерывно циркулирует вода. Нагретый в машине воздух выходит через патрубок 2 в камеру горячего воздуха 3, проходит через воздухоохладитель и через камеру холодного воздуха 4 снова возвращается в машину. Холодный воздух нагнетается в машину встроенными вентиляторами 5. В генераторах с большой длиной активной части холодный воздух подается с обоих торцов машины, как это показано на рис.1.
Рис.1. Замкнутая система воздушного охлаждения турбогенератора
В целях повышения эффективности охлаждения турбогенераторов, длина активной части которых особенно велика, а воздушный зазор мал, используют многоструйную радиальную систему вентиляции. Для этого вертикальными плоскостями 6 делят систему охлаждения турбогенераторов на ряд секций. В каждую секцию воздух поступает из воздушного зазора (I и III секции) или из специального осевого канала 7 (II секция).
Для увеличения поверхности соприкосновения нагретых частей с охлаждающим воздухом в активной стали машины выполняют систему вентиляционных каналов. Пройдя через радиальные вентиляционные каналы в стали, нагретый воздух уходит в отводящие камеры 8. Многоструйная вентиляция обеспечивает равномерное охлаждение турбогенератора по всей длине. Для восполнения потерь в результате утечек предусмотрен дополнительный забор воздуха через двойные масляные фильтры 9, установленные в камере холодного воздуха.
Отечественные заводы изготовляют турбогенераторы с замкнутой системой воздушного охлаждения мощностью до 12 МВт включительно.
Замкнутая система косвенного охлаждения воздухом у гидрогенераторов применяется значительно шире. Наиболее крупный генератор с косвенным воздушным охлаждением серии СВ мощностью 264,7 MBА выпущен ПО «Электросила» для Братской ГЭС. Схема вентиляции гидрогенератора показана на рис.2.
В гидрогенераторах охлаждение явнополюсных роторов облегчается благодаря наличию межполюсных промежутков и большей поверхности охлаждения ротора.
Охлаждение гладкого ротора турбогенератора менее эффективно, так как в рассматриваемом случае он охлаждается только со стороны воздушного зазора. Последнее обстоятельство в значительной мере определяет ограниченные возможности воздушного охлаждения для турбогенераторов. У генераторов с воздушным охлаждением предусматривается устройство для тушения пожаров водой.
Косвенное водородное охлаждение турбогенераторов
Турбогенераторы с косвенным водородным охлаждением имеют в принципе такую же схему вентиляции, как и при воздушном охлаждении. Отличие состоит в том, что объем охлаждающего водорода ограничивается корпусом генератора, в связи с чем охладители встраиваются непосредственно в корпус. Размещение газоохладителей и газосхема циркуляции водорода внутри генератора представлены на рис.3.
Водородное охлаждение эффективнее воздушного, так как водород как охлаждающий газ по сравнению с воздухом имеет ряд существенных преимуществ. Он имеет в 1,51 раза больший коэффициент теплопередачи, в 7 раз более высокую теплопроводность. Последнее обстоятельство предопределяет малое тепловое сопротивление прослоек водорода в изоляции и зазорах пазов.
Значительно меньшая плотность водорода по сравнению с воздухом позволяет уменьшить вентиляционные потери в 8-10 раз, в результате чего КПД генератора увеличивается на 0,8-1%.
Отсутствие окисления изоляции в среде водорода по сравнению с воздушной средой повышает надежность работы генератора и увеличивает срок службы изоляции обмоток. К достоинствам водорода относится и то, что он не поддерживает горения, поэтому в генераторах с водородным охлаждением можно отказаться от устройства пожаротушения.
Чем выше избыточное давление водорода, тем эффективнее охлаждение генератора, следовательно, при одних и тех же размерах генератора можно увеличить его номинальную мощность. Однако при избыточном давлении более 0,4-0,6 МПа прирост мощности генератора не оправдывает затрат на преодоление возникающих при этом технических трудностей (усложнение работы уплотнений и изоляции обмоток). Поэтому давление водорода в современных генераторах более 0,6 МПа не применяется.
Генераторы с косвенным водородным охлаждением могут при необходимости работать и с воздушным охлаждением, но при этом их мощность соответственно уменьшается.
Источником водорода на современных ТЭС являются электролизные установки, в которых водород получают путем электролиза воды. В отдельных случаях водород доставляется в баллонах с электролизерных заводов.
На рис.4 показана принципиальная схема газового хозяйства системы водородного охлаждения.
При заполнении корпуса генератора водородом воздух сначала вытесняется инертным газом (обычно углекислотой) во избежание образования гремучей смеси. Углекислота под давлением из баллона 6 подается в нижний коллектор, при этом более легкий воздух вытесняется через верхний коллектор и открываемый на это время вентиль «Выпуск газа». В результате смешивания газов при вытеснении расход углекислоты на данную операцию составляет два-три объема корпуса генератора. После того как весь объем будет заполнен углекислотой при концентрации около 90%, в верхний коллектор подают под давлением водород, который вытесняет углекислоту через нижний коллектор и открываемый вентиль «Выпуск углекислоты». Как только чистота водорода в корпусе достигнет заданного уровня, вентиль «Выпуск углекислоты» закрывают и доводят давление водорода в корпусе до нормального. Вытеснение водорода производят углекислотой, которая затем вытесняется сжатым воздухом.
Автоматическое поддержание давления водорода в корпусе генератора осуществляется клапаном давления 9. Контроль максимального и минимального давления водорода производится взрывобезопасным электроконтактным манометром 2, установленным на панели газового управления. Автоматический контроль чистоты водорода осуществляется газоанализатором 3, и, кроме того, через определенные промежутки времени водород берут на химический анализ в лабораторию.
При снижении процентного содержания водорода ниже допустимого восстановление чистоты его осуществляется путем выпуска из генератора загрязненного водорода и добавления чистого водорода. Эта операция называется продувкой.
В целях осушки водорода, находящегося в генераторе, предусмотрен осушитель 7, заполняемый хлористым кальцием или силикагелем.
Для современных турбогенераторов с целью осаждения влаги из охлаждающего газа применяют специальные фреоновые холодильные машины. Указатель наличия жидкости 8 служит для подачи сигнала о появлении воды или масла в корпусе генератора.
Электромашиностроительные заводы в СССР выпускали серию генераторов ТВ (ТВ2) мощностью до 150 МВт включительно с использованием косвенного водородного охлаждения, которые эксплуатируются на многих ТЭС.
Непосредственное водородное охлаждение турбогенераторов
Еще больший эффект по сравнению с косвенным водородным охлаждением дает непосредственное (внутреннее) охлаждение, когда водород подается внутрь полых проводников обмотки.
В генераторах серии ТВФ применяется косвенное охлаждение обмоток статора водородом и непосредственное (форсированное) охлаждение обмотки ротора. Система вентиляции роторов генераторов серии ТВФ представлена на рис.5.
Охлаждающий газ забирается из зазора с последующим выбросом нагретого газа обратно в зазор. При этом проводники 1 обмотки ротора выполняются сплошными прямоугольного сечения, а на боковых поверхностях их фрезеруются косые вентиляционные каналы 2. При работе генератора (вращении ротора) водород поступает в заборное отверстие 3 и, проходя по косому вентиляционному каналу до дна паза 4, выходит уже с другой стороны паза (катушки) в другой канал и через выпускное отверстие 5 попадает снова в зазор.
Генераторы серии ТГВ мощностью 200 и 300 МВт имеют несколько иную систему охлаждения ротора. Водород циркулирует в аксиальных прямоугольных каналах, которые образуются корытообразными проводниками обмотки возбуждения.
В генераторах этого типа выполнено также непосредственное охлаждение обмоток статора. Водород подается в тонкостенные трубки из немагнитной стали, заложенные внутри стержней обмотки (рис.6) и открытые в лобовых частях.
В обоих типах генераторов (ТГВ и ТВФ) давление водорода в корпусе поддерживается 0,2-0,4 МПа.
Генераторы с непосредственным водородным охлаждением на воздушном охлаждении работать не могут, так как обмотка, рассчитанная на форсированное охлаждение водородом, при работе на воздушном охлаждении перегреется и выйдет из строя. Поэтому при появлении больших утечек водорода из генератора, сопровождающихся глубоким и быстрым снижением давления водорода, генератор с непосредственным охлаждением должен быть аварийно разгружен и отключен от сети. Включение в сеть отключенного генератора может быть произведено лишь после устранения утечек и перевода его на водород, если для отыскания утечек он был переведен на воздух.
Непосредственное жидкостное охлаждение генераторов
При выполнении непосредственного жидкостного охлаждения генераторов в качестве охлаждающей жидкости применяют дистиллированную воду или масло, которые обладают более высокой теплоотводящей способностью по сравнению с водородом и, следовательно, позволяют еще больше увеличить единичные мощности генераторов при сохранении их размеров.
Дистиллированная вода как охлаждающее вещество по сравнению с маслом имеет значительно больше достоинств: более высокие теплоотводящие свойства, пожаробезопасность. Поэтому в большинстве случаев мощные генераторы, которые выпускались в СССР, выполнялись с водяным охлаждением.
Рис.7. Устройство ввода и вывода воды для охлаждения обмотки статора
На рис.7 показана конструкция гидравлических соединений обмотки статора с водяным охлаждением и дан разрез обмотки по одной параллельной ветви. Как видно из разреза, обмотка статора выполнена из сплошных и полых медных элементарных проводников прямоугольного сечения, по которым циркулирует вода.
Питание обмотки водой осуществляется путем подвода ее к каждой параллельной ветви с помощью шлангов из пластмассы, обладающей высокой электрической прочностью и необходимой эластичностью (например, фторопласт-4).
Охлаждение обмотки статора водой в сочетании с непосредственным охлаждением обмотки ротора и активной стали водородом применяется в турбогенераторах типа ТВВ мощностью 160-800 МВт.
Опыт эксплуатации турбогенераторов серии ТВВ показал, что они имеют значительные резервы в системе охлаждения. В результате была предложена новая единая серия генераторов ТВВ и одновременно ТВФ, которые также используют систему форсированного охлаждения ротора. Новые машины за счет использования более высоких электромагнитных нагрузок (в основном линейной токовой нагрузки и плотностей тока), улучшения конструкции системы охлаждения получились легче и надежнее своих предшественников. Расход материалов на изготовление новой серии генераторов ТВВ-160-2ЕУЗ на 20% меньше, чем ранее выпускавшихся генераторов ТВВ-165-2УЗ. Новые генераторы имеют также лучшие температурные характеристики по сравнению с ранее выпускавшимся генератором ТВВ-165-2УЗ.
Водяное охлаждение статорной обмотки по аналогичной схеме применяется также в мощных вертикальных гидрогенераторах типа СВФ. Обмотка ротора и активная сталь таких генераторов имеют непосредственное воздушное охлаждение.
Выполнение непосредственного охлаждения ротора генератора связано с большими трудностями, особенно в отношении подвода воды к вращающемуся ротору.
Холодная дистиллированная вода поступает по патрубку А в напорный кольцевой коллектор 1 и из него с помощью изолирующих шлангов 2 подводится к головкам 3 и стержням 4 обмотки статора генератора. Стержень обмотки сплетен из групп транспонированных проводников, причем каждая группа состоит из одного полого и трех сплошных проводников. По трубчатым проводникам циркулирует дистиллированная вода, которая, нагреваясь, поступает в сливной кольцевой коллектор 5, откуда по патрубку Б выходит во внешнюю систему.
Для охлаждения обмотки ротора холодная вода по патрубку В подводится через скользящее уплотняющее соединение в торце вала ротора 6 и через центральное отверстие поступает внутрь ротора 7. Затем через отверстие 8 вода поступает в каналы 9 проводников обмотки, уложенных в пазы ротора, и, нагреваясь, поступает в сливные каналы 10 и 11, откуда через радиальные отверстия вала ротора 12 выводится во внешнюю систему через патрубок Г.
Во внешней системе нагретая дистиллированная вода проходит через трубки теплообменника и охлажденная при помощи насосов вновь подается к обмоткам статора и ротора (со стороны возбудителя).
Внутри генератора циркуляцию водорода обеспечивают осевые вентиляторы 13, установленные по концам вала ротора. Холодный водород при этом прогоняется вентиляторами в зазор 14 и оттуда поступает в систему радиальных каналов 16 сердечника статора 15. Нагревшись, водород поступает в газовые охладители 17 и из них вновь к вентиляторам 13.
В результате высокоэффективной системы охлаждения турбогенератор ТГВ-500 имеет размеры и массу даже несколько меньшие, чем ТГВ-300. Водяное охлаждение обмоток ротора и статора находит применение в капсульных гидрогенераторах типа СГКВ.
Бумажно-масляная изоляция позволяет применять более высокие номинальные напряжения для генераторов без значительного увеличения затрат. Так, например, генератор ТВМ-500 спроектирован на напряжение 36, 75 кВ, в то время как обычно для генераторов такой мощности применяется напряжение 20 кВ. Увеличение номинального напряжения позволило уменьшить ток статора почти в 2 раза и облегчить токоведущие части.
Применение масляного охлаждения статоров гидрогенераторов дало возможность увеличить напряжение обмотки до 110 кВ (генератор 15 MBА Сходненской ГЭС), что позволяет включать генератор в сеть без промежуточной трансформации.
Принципиальная схема циркуляции охлаждающего масла для генератора типа ТВМ представлена на рис.9, а на рис.10 показан разрез по пазу статора такого генератора.
Принудительная циркуляция масла внутри аксиальных каналов в обмотке и стали статора обеспечивает достаточно интенсивный отвод тепла.
Пространство, в котором вращается ротор генератора, отделяется от статора, заполненного маслом, изоляционным цилиндром.
Сравнительная эффективность различных способов охлаждения генераторов может быть показана путем сопоставления мощностей при одних и тех же габаритах генератора (табл.1).
Таблица 1
Эффективность различных систем охлаждения
В процессе эксплуатации ведется непрерывный контроль за нагревом активных частей генераторов. Температура обмотки и стали статора контролируется с помощью температурных датчиков, в качестве которых используются термосопротивления. Они закладываются заводом-изготовителем на дно паза (для измерения температуры стали) и между стержнями (для измерения температуры меди) в местах предполагаемого наибольшего нагрева машины. Температура измеряется с помощью указывающих и регистрирующих приборов.
Хотя атомные электростанции уже давно считаются весьма безопасными, авария на японской АЭС Фукусима в 2011 году вновь заставила энергетиков по всему миру задуматься о возможных экологических проблемах, связанных с этим видом энергии.
Правительства многих стран, в том числе и ряда стран ЕС, заявляют о четком намерении перевести свои экономики на альтернативную энергетику, не скупясь на инвестиции, закладывая на данную отрасль миллиарды евро на ближайшие 5-10 лет. И одним из наиболее перспективных и экологически безопасных видов такой альтернативы выступает водород.
Если уголь, газ и нефть все равно когда-нибудь закончатся, то уж водорода то в океанах просто безгранично, хотя и не в чистом виде он там запасен, а в виде химического соединения с кислородом — в виде воды.
Водород — наиболее экологически чистый энергоноситель. Получение, транспортировка, хранение и использование водорода требуют расширения наших знаний о его взаимодействии с металлами.
Проблем здесь много. Вот только некоторые из них, ждущие своего решения: получение особо чистых изотопов водорода с помощью мембранных фильтров (например, из палладия), создание технологически выгодных аккумуляторов водорода, проблема борьбы с водородным «охрупчиванием» материалов и т. д.
Экологическая безопасность водорода, в сравнении с иными традиционными видами источников энергии, ни у кого не вызывает сомнений: продукт сгорания водорода — опять же вода в форме пара, при этом он совершенно нетоксичен.
Водород в качестве топлива может быть легко применен в двигателях внутреннего сгорания без принципиальной их переделки, а также в турбинах, причем энергии получится больше, чем из бензина. Если удельная теплота сгорания бензина в воздухе составляет примерно 44 Мдж/кг, то для водорода этот показатель составляет примерно 141 Мдж/кг — это более чем в 3 раза выше. Нефтепродукты к тому же токсичны.
Решения относительно хранения водорода состоят в следующем. Первый путь — традиционное сжатие и ожижение, когда для поддержания жидкого состояния водорода потребуется обеспечить сверхнизкую его температуру. Это затратно.
Второй путь — более перспективный — он основан на способности некоторых композитных металлических губок (высокопористых сплавов ванадия, титана и железа) активно поглощать водород, а при слабом нагреве — отдавать его.
Проблема в том, что электролиз воды требует очень много электричества, и если поставить на поток получение водорода именно электролизом воды, то для экономики в рамках одной отдельно взятой страны этот способ промышленной добычи водорода будет весьма затратным: втрое, если не вчетверо, дороже по эквивалентной теплоте сгорания, чем нефтепродукты. К тому же с одного квадратного метра электродов промышленного электролизера можно получить максимум 5 кубометров газа в час. Это медленно и экономически нецелесообразно.
Один из более перспективных путей получения водорода в промышленных объемах — плазмохимический способ. Водород здесь получается менее дорогим, чем при электролизе воды. В неравновесных плазмотронах электрический ток проходит через ионизированный газ в магнитном поле, и химическая реакция идет в процессе передачи энергии от «разогретых» электронов — к молекулам газа.
Температура газа находится в диапазоне от +300 до +1000 °С, при этом скорость протекания реакции, приводящей к получению водорода, выше чем при электролизе. Этот способ дает возможность получать водород, который оказывается вдвое (а не втрое) дороже, чем традиционное топливо, получаемое из углеводородов.
Плазмохимический процесс идет в два этапа: вначале углекислый газ разлагается на кислород и оксид углерода, затем оксид углерода взаимодействует с водяным паром, в результате чего получается водород и тот же углекислый газ, что был в начале (он не расходуется, если смотреть на весь цикл превращения).
На экспериментальной стадии — плазмохимическое получение водорода из сероводорода, который всюду остается вредным продуктом в процессе разработки газовых и нефтяных месторождений. Вращающаяся плазма центробежными силами просто выбрасывает из зоны реакции молекулы серы, и обратная реакция превращения в сероводород исключается. Данная технология уравнивает стоимость получаемого водорода с традиционными видами органического топлива, к тому же параллельно добывается сера.
А Япония уже сегодня плотно взялась за практическое развитие водородной энергетики. Компании Kawasaki Heavy Industries и Obayashi уже к 2018 году планируют начать использование водородной энергии для электроснабжения города Кобе. Они станут первопроходцами среди тех, кто реально начнет использовать водород для большой энергетики практически без вредных выбросов.
Водородная электростанция мощностью 1 МВт будет возведена прямо в г.Кобе, где позволит снабдить электричеством международный конференц-центр и рабочие офисы 10000 местных жителей. А тепло, выделяемое на станции в процессе получения электричества из водорода, станет эффективным отоплением для местных домов и офисных зданий.
Запасы водорода будут храниться прямо на территории электростанции, и даже в случае землетрясения или другого стихийного бедствия топливо на станции будет, станция не окажется отрезана от жизненно необходимых коммуникаций. К 2020 году в порту города Кобе будет налажена инфраструктура для крупного импорта водорода, ибо в планах компании Kawasaki Heavy Industries — развить в Японии большую сеть электроэнергетических объектов на водороде.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Новая энергия: почему водород перспективнее солнечных батарей и ветряков
В последний год водородные технологии стали одной из самых обсуждаемых тем в энергетике. Энтузиасты о наступающей эре водорода говорили довольно давно, но сейчас водородная энергетика стала одной из 42 стратегических инициатив по социально-экономическому развитию страны, представленных правительством. О том, что Россия будет активно участвовать в разработке водородных технологий, заявил премьер-министр Михаил Мишустин. Минэнерго разрабатывает соответствующую стратегию. В консорциум по содействию этой работе вошли более 30 компаний из разных отраслей.
Почему именно водородная стратегия может создать задел для сохранения позиций России в мировой энергетике в будущем?
Дело в том, что процесс декарбонизации, к которому подключились множество стран, столкнулся с рядом проблем. Предполагалось, что отказаться от сжигаемых видов топлива ради уменьшения углеродного следа и предотвращения изменений климата помогут солнечные панели и ветряки. Но выяснилось, что, во-первых, в такой энергосистеме необходимы значительные мощности хранения энергии на длительный срок, в частности, для прохождения осенне-зимних периодов, а это задача, на порядки превосходящая возможности аккумуляторных батарей. Во-вторых, для тяжелого транспорта, покрывающего большие расстояния, — самолетов, кораблей, грузовых автомобилей — возможностей аккумуляторов тоже недостаточно. И, наконец, в-третьих, есть промышленные процессы, где электричество малоприменимо — например, при выплавке стали.
Водород же можно хранить в баллонах и подземных соляных кавернах, есть ряд способов транспортировки водорода в танкерах и трубопроводами. При сжигании он не образует углекислого газа и дает высокие температуры. Водород может использоваться как восстанавливающий агент вместо угля в металлургии. С помощью водородных топливных ячеек можно получать электричество без сжигания.
Таким образом, использование водорода на сегодня выглядит чуть ли не единственным универсальным способом преодолеть проблемы, которые не удается решить с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Многие страны и Евросоюз начали разрабатывать и публиковать водородные стратегии как стратегии энергетического перехода. А технический прогресс работает таким образом, что если какое-то решение набирает популярность, то оно становится частью производственных цепочек и оказывается доминирующим. В новом энергетическом укладе, который сейчас начинает создаваться, по всей видимости, водород станет одним из таких элементов. Поэтому России, крупному игроку на мировой энергетической арене, надо участвовать в движении. Тем более что у страны есть все предпосылки для этого — большие запасы природного газа, геологические структуры, подходящие для закачки CO2 (например, отработанные газовые месторождения), развитые компетенции в атомной энергетике. На этой базе вполне можно построить крупный экспортный бизнес. Кроме того, водород может оказаться необходимым для обеспечения конкурентоспособности традиционных российских экспортных отраслей — металлургии, производства азотных удобрений, которые без этого окажутся под риском все увеличивающегося трансграничного углеродного налога.
России предстоит непростой разговор с Евросоюзом, который декларирует, что он будет рад импортировать большие объемы водорода, но только «зеленого», полученного с помощью ВИЭ. А «голубой» из метана или «желтый» из атомного электричества приемлемы только в ограниченной временной перспективе, в качестве стартовых объемов для создания предложения для потенциальных европейских потребителей. Эта позиция выглядит не слишком справедливой ни по отношению к поставщикам, которым предлагается потратиться на создание производственных мощностей и компетенций с ограниченным сроком годности, ни к европейским потребителям (себестоимость «зеленого» водорода превышает себестоимость «голубого» в несколько раз). Да и рациональных объяснений такой позиции, кроме, конечно, традиционной нелюбви «зеленых» активистов и «зеленых» партий к нефтегазовым компаниям, найти трудно. Но можно надеяться, что возобладают фундаментальные принципы международной торговли, «цветовая слепота» и технологическая нейтральность, когда принимаются во внимание свойства товара и его воздействие на окружающую среду, а не способ производства.