سيستم خنك كنندگي ژنراتور

مقدمه
قبل از اين سيستم خنك كنندگي ژنراتور را بررسي كنيم ، چگونگي به وجود آمدن افت‌هاي در ژنراتور را مطالعه مي‌كنيم .
افت كلي ژنراتور از سه افت جداگانه تشكيل مي‌شود كه عبارتند از : افت اصطكاك سيال ، افت مسي و افت آهني .

الف ) افت اصطكاك سيال خنك كننده :
اين افت ، در اثر گردش سيال خنك كننده در داخل ژنرتور به وجود مي‌آيد و عامل آن ، اصطكاك سيال در هنگام جريان آن در ميان سيم پيچ‌هاي استاتور و روتور در حال گردش است .

ب ) افت مسي :
اين افت ، ناشي از عبور جريان از سيم‌پيچ‌هاي روتور و استاتور است كه از سيم پيچ‌هاي استاتور ، جريان متناوب ، و از سيم پيچ‌هاي روتور ، جريان dc عبور مي‌كند .

ج ) افت آهني :
افت آهني ، عبارت از افت در هسته آهني ژنراتور ، به هنگامي است كه تحت تأثير ميدان مغناطيسي متناوب قرار مي‌گيرد . به طور تقريبي مي‌توان گفت كه در هر ژنراتوري ، افت اصطكاك سيال خنك كننده در حدود ۸ /۰ % ، افت مسي در حدود ۴ /۰ % ، و افت آهن در حدود ۴/۰% است .براي اين كه درجه حرارت ژنراتور از حد مجاز تجاوز نكند ، براي تمام ژنراتورهايي كه در نيروگاه به كار گرفته مي‌شوند ، سيستم خنك كنندگي اجباري در نظر گرفته مي‌شود .

به همين جهت افت اصطكاك سيال خنك كننده در همه ژنراتورهاي قدرت اجتناب ناپذير است .
روش زدودن گرماي ايجاد شده در داخل سيم پيچي روتور و استاتور به دو روش تماس غير مستقيم و مستقيم انجام مي‌شود .
در روش خنك كنندگي تماس غير مستقيم ، گاز ( هوا يا هيدروژن ) به كمك پره‌هاي نصب شده در دو طرف روتور به سمت داخل ژنراتور فرستاده مي‌شود و از طريق فاصله هوايي بين روتور استاتور و كانال‌هاي ونتيلاسيون به حركت در مي‌آيد .

در اين روش خنك كنندگي ، گاز خنك كننده با سيم پيچي روتور و استاتور تماسي ندارد و گرماي گرفته شده توسط گاز از طريق سد يا مانع حرارتي ايزولاسيون سيم پيچي صورت مي‌گيرد .
در روش خنك كنندگي مستقيم يا بدون واسطه ، عامل خنك كننده ( گاز يا مايع ) مستقيماً با فلز سيم پيچي ژنراتور ( يعني شمش مس ) در تماس است تا گرما را از شمش بگيرد ؛ بدون آنكه تجهيزات عايق كاري يا دندانه‌هاي روتور در مسير انتقال گرما نقشي داشته باشند .

– خنك كردن به وسيله هوا
با وجود اين كه بازده ژنراتورهايي كه با آب خنك مي‌شوند نسبتاً بالاست و افت آنها به حدود ۵/۱ % مي‌رسد ، ولي در ژنراتورهاي بزرگ ، چون قدرت خروجي آنها زياد است ؛ حتي اين مقدار درصد كم افت انرژي نيز مقدار قابل ملاحظه‌اي از كل انرژي مي‌باشد .

براي مثال براي يك ژنراتور MW 60 و با بازده ۵/ ۹۸ % افت قدرت به مقدار زير است :
= افت قدرت
بديهي است كه اين افت قدرت ( كه در حدود KW 900 است ) به حرارت تبديل مي‌شود . در اين صورت يك سيستم خنك كننده مؤثر براي نگهداشتن درجه حرارت ژنراتور در حد مناسب لازم است .
در ژنراتورهاي قديمي به وسيله گردش هوا در داخل ژنراتور ، عمل خنك كردن انجام مي‌شد . براي اين كار ، هوا از محيط اطراف گرفته يا كشيده مي‌شد و پس از عبور از ژنراتور دوباره در محيط اطراف تخليه مي‌گرديد . به اين سيستم خنك كنندگي ، سيستم خنك كنندگي باز مي‌گويند . با اين كه اين سيستم از جهت خنك كردن ، كاملاً مؤثر و مفيد و مفيد بود ولي معايب زيادي از جمله موارد زير داشت :

۱ ـ بررسي سيم پيچي‌ها مقدار زيادي گرد و خاك مي‌نشست و در نتيجه ، سيم پيچ‌ها خيلي كثيف مي‌شدند .
۲ ـ در هنگام كار ، سرو صداي زيادي توليد مي‌شد .
۳ ـ احتمال آتش سوزي زياد بود ؛ چون هر گونه آتش سوزي در داخل ژنراتور به وسيله جريان مداوم هواي تازه تشديد مي‌شد .

با قرار دادن فيلترهايي در محل ورود هوا ، از ورود گرد و خاك جلوگيري مي‌شد ، ولي معايب قسمت ۲ و ۳ باقي مي‌ماند . امروز با به كار بردن يك سيستم جديدتري ، اين عمل را انجام مي‌دهند ؛ به طوري كه همان مقدار هواي مورد لزوم در يك مدار بسته به طور پيوسته گردش مي‌كند و ضمن خنك كردن ژنراتور خود نيز به وسيله خنك كنند‌ه‌هايي به طور مداوم خنك مي‌گردد .

به اين روش ، سيستم خنك كنندگي بسته مي‌گويند . براي به جريان انداختن هوا از بادبزن‌هايي كه به روتور چسبيده ، يا بادبزن‌هايي كه به طور جداگانه از روتور يا با وسيله ديگري م‌چرخد ، استفاده مي‌شود . اين سيستم خنك كنندگي از سيستم قبلي تمزيز است و خيلي آرامتر و بي‌سر و صداتر كار مي‌كند و خطرات آتش سوزي هم در آن كمتر مي‌شود . شكل زير

سيستم خنك كنندگي بسته با سيال هوا را براي يك ژنراتور و به منظور خنك نمودن روتور و استاتور آن نشانمي‌دهد . همچنين در شكل زير مسير عبور هوا در داخل ژنراتور با جرئيات بيشتري مشخص شده است .
مقدار هواي خنك كنندگي براي هر كيلو وات تلفات ، تقريباً حدود m3 /min 84/1 ( ft3 /min 65 ) مي‌باشد . به عنوان مثال ، براي يك ژنراتور ۶۰ مگاواتي ( ذكر شده در اين قسمت كه داراي تلفات در حدود kw 900 بود ) نياز به هواي خنك كنندگي m3 /min 165 (ft3 /min 58500 ) در دقيقه خواهد داشت تا دماي هسته و سيم پيچ‌هاي ژنراتور در محدوده مجاز خود باقي بماند . نمونه‌اي از اين نوع سيستم خنك كنندگي بسته با سيال هوا را مي‌توان در ژنراتورهاي نيروگاه‌هاي چرخه تركيبي قم و گيلان مشاهده نمود .

خنك كردن به وسيله هيدروژن و به طور غير مستقيم
با توجه به مقدار افت اصطكاك سيال خنك كننده ( مثل هوايي كه در قسمت قبلي مشخص شده است ) ، اگر اين افت كمتر شود ( افت فشار جريان سيال در داخل سوراخ‌هاي ژنراتور ) بازده كلي ژنراتور به مقدار قابل ملاحظه‌اي اضافه مي‌گردد.

براي اين منظور از سيال سبكتري به نام هيدروژن ( براي عمل خنك كردن ) استفاده مي‌شود . با مقايسه هوا و هيدورژن در مي‌يابيم كه در فشار اتمسفر ، چگالي هيدروژن تقريباً چگالي هوا است و در شرايطي كه فشار هوا به مقدار atm 034/0 ( يا kg/cm2 035 /0 ) مي‌باشد چگالي آن ، چگالي هوا است .

علاوه بر آن هيدورژن داراي ضريب هدايت گرمايي و ظرفيت حرارتي بالاتري است . با توجه به اين كه افت اصطكاك سيال خنك كننده ، متناسب با چگالي سيال خنك كننده است ، در نتيجه خواص خنك كنندگي هيدروژن شرايط ايده آلي را مهيا مي‌كند .
با استفاده از هيدروژن در فشار atm 034/0 ( يا psi 5 /0 ) و با توجه اين كه چگالي آن ، چگالي هوا مي‌باشد در نتيجه افت اصطكام سيال به تقليل مي‌يابد . به عنوان مثال براي يك ژنراتور mw 60 داريم .

 

= افت در سيم پيچ‌ها با سيال خنك كننده هوا
= افت در سيم پيچ‌ها با سيال خنك كن هيدروژن
kw 432 = 48 – ۴۸۰ = مقدار قدرت صرفه جويي شده

دين ترتيب ملاحظه مي‌شود كه مقداري از تلفات ، كاسته مي‌شود . ضمناص استفاده از هيدروژن داراي مزاياي ديگري به قرار زير است:
۱ ـ چون قدرت خنك كنندگي هيدروژن نسبت به هوا زياد است ، در نتيجه مي‌توان ژنراتورهاي سنگين‌تر و با قدرت بيشتري ساخت . همچنين با توجه به عدم نياز به خنك كننده‌هاي خنك كنندگي ، فونداسيون كوچكتر مي‌شود . لازم به ذكر است كه قابليت هدايت گرمايي هيدروژن تقريباً ۷ برابر هوا است .
۲ ـ چون در منافذ داخل ژنراتورها اكسيژن وجود ندارد ( به علت پر بودن ژنراتور از گاز ازت يا گاز كربنيك ) عمر قسمت‌هاي عايق كاري سيم پيچ‌ها اضافه مي‌شود .همچنين به علت عدم وجود هوا در هنگام ايجاد قوس الكتريكي ، امكان به وجود آمدن اسيدنيتريك وجود ندارد . در نتيجه ، استفاده از هيدروژن ، ضريب اطمينان كار كرد ژنراتور را افزايش مي‌دهد .

۳ ـ خطر آتش سوزي كاهش مي‌يابد ، زيرا هيدروژن خالص غير قابل انفجار است ؛ در نتيجه در ژنراتورهايي كه توسط گاز هيدروژن خنك مي‌شوند ، استفاده دستگاه اطفاء حريق الزامي نيست .
۴ ـ به علت استفاده از هيدروژن ، محفظه‌هاي ورود هيدورژن كاملاً آب بندي مي‌شوند و امكان ورود گرد و خاك و رطوبت وجود ندارد . در نتيجه تعميرات ژنراتور كم مي‌شود .
۵ ـ وزن مخصوص هيدروژن در مقايسه با هوا بسيار كم است ( حدود ۱۴ برابر سبكتر از هوا است ) و اين امر باعث مي‌شود كه تلفات ناشي از اصطكاك ژنراتور ، ۸ الي ۱۰ % كاهش يابد و ضريب بهره ژنرانورهايي كه با هيدروژن خنك مي‌شوند ، سر و صداي ژنراتور نسبت به ژنراتورهاي با سيال خنك كننده هوا كمتر مي‌گردد .

هيدروژني كه توسط آن ، پوسته ژنراتور پر مي‌شود ، در صورتي كه به شكل مخلوط با هوا در آيد ( به نسبت ۱ به ۴ تا ۷۴ % ) و در صورت وجود بخار روغن ( به نسبت ۲ به ۳ تا ۵/۸۱ % ) مخلوط قابل انفجاري ايجاد مي‌شود .

بنابراين در ژنراتورهايي كه توسط هيدروژن خنك مي‌شوند ، بايد بدنه آن از فولاد غير قابل نفوذ ساخته شود و مسير گاز خنك كننده در داخل ژنراتور كاملاً آب بندي شود . همچنين آب بندي شين‌هاي خروجي ژنراتور و آب بندي در پوش‌هاي سردكن گاز و آب بندي دريچه‌ها و قسمت‌هاي مجزا كه به هم وصل مي‌شود ، نيز بايد كاملاً تأمين گردند .
اما مشكل اصلي در آب بندي ژنراتور ، محلي در بين محور روتور و محافظ‌هاي انتهايي استاتور مي‌باشد .

براي اين منظور ، از گلندهاي آب بندي شونده به وسيله روغن استفاده مي‌شود . اين گلندها در هر طرف انتهاي روتور واقع است . يك پمپ كوچك براي برقراري آب بندي در مواقعي كه توربين كار نمي‌كند ، تدارك ديده مي‌شود كه روغن آن از سيستم روغن كاري توربين تأمين مي‌گردد . به عنوان نمونه در نيروگاه شهيد محمد منتظر قائم ، روتور و استاتور به وسيله هيدروژن خنك مي‌شوند ، و هيدروژن هم توسط چهار خنك كننده آبي كه در چهار گوشه استاتور قرار دارند ، خنك مي‌شود . در طرف روتور نيز فن‌هاي سيركولاسيون گاز هيدروژن نصب شده است . همچنين براي آب بندي گاز هيدروژن در دو طرف ژنراتور از آب بندي به وسيله روغن استفاده مي‌شود .
نخستين ژنراتورهاي خنك شده به وسيله هيدروژن با فشار هيدروژن معادل atm 34% ( يا psi 5 /0 ) كار مي‌كردند ، ولي در ژنراتورهاي جديدتر اين مقدار تا بالاتر از aim 1 / 4 ( يا psi 60 ) افزايش يافته است .

حرارت گاز هيدروژن به وسيله خنك كننده‌هايي كه شامل يك دسته لوله مي‌باشد ، جذب مي‌شوند . در داخل اين لوله‌ها ، آب جريان دارد كه حرارت گاز را خارج مي‌كند . اين خنك كننده‌ها در بدنه استاتور ( قاب ژنراتور ) قرار دارند .

بايد گفت ژنراتورهايي كه به صورت غير مستقيم با هيدروژن خنك مي‌شوند ، در صورت لزوم مي‌توانند توسط هوا خنك شوند ؛ ولي اين نوع عملكرد به شرطي است كه قدرت گرفته شده از ژنراتور به نسبت زيادي كاهش داده شود .

خنك كردن به روش مستقيم توسط هيدروژن
يكي از اشكالات سيستم خنك كننده غير مستقيم ژنراتورها پايين بودن ضريب هدايت عايق هاي الكتريكي سيم پيچ هاي روتور و استاتور است .اين عايق ها مانند يك عايق حرارتي عمل مي كنند و در نتيجه. اختلاف درجه حرارتي بين سيم پيچ مسي و گاز خنك كننده به وجود مي آيد.

امروزه در ژنراتورهاي جديد. هيدروژن با سيم پيچ هاي مسي تماس مستقيم دارد. بنابر اين با به كار بردون اين روش. خنك كنندگي ژنراتورها توسط هيدورژن. موثرتر از روش قبل است” زيرا در اين طريق. هيدورژن مي تواند گرما را مستقيماَ از شمش سيم پيچي روتور يا استاتور دريافت كند.
در اين سيستم. در داخل شمش مسي سيم پيچي هاي استاتور و روتور. لوله اي از فولاد غير

مغناطيسي قرار مي گيرد تا هيدروژن در داخل اين لوله به حركت درآيد.
گفتني است كه ژنراتورهايي را كه مستقيماَ توسط هيدورژن خنك مي شوند. نمي توان به وسيله هوا خنك نمود” زيرا سيم پيچ هاي استاتور و روتور براساس خنك شدن اجباري محاسبه شده اند و در صورتي كه به جاي هيدروژن توسط هوا خنك شوند. درجه حرارت زياد مي شود كه خود باعث صدمه به ژنراتور مي گردد.

بنابراين به محض پيدا شدن نشتي زياد هيدروژن از اين ژنراتورها ( كه باعث كاهش زياد فشار هيدروژن مي گردد. بايد بلافاصله ژنراتور را بي بار نمود تا از شبكه جدا گردد. وصل مجدد چنين ژنراتوري به شبكه فقط در صورت رفع نشتي امكان پذير خواهد بود.

خنك كردن مستقيم ژنراتور توسط مايعات
در ژنراتورهاي با قدرت بسيار بالا به منظور خنك كردن مستقيم ژنراتورهاي توسط مايعات. از روغن يا آب مقطر استفاده مي شود” زيرا گرما زدايي به هنگام استفاده از آب با روغن در مقايسه با هيدورژن خيلي زياد است.

به عبارت ديگر. ضريب انتقال حرارت آب و روغن بيشتر از گاز هيدورژن مي باشد. به عنوان نمونه در فشار atm 04/2(psi30) ضريب انتقال حرارت آب. تقريباَ ۱۴ برابر ضريب انتقال حرارت گاز هيدورژن است.

در نتيجه با استفاده از روش خنك كنندگي مستقيم توسط مايعات. ژنراتورهايي با قدرت بيشتر و حجم كمتري مي توان ساخت.
البته استفاده از آب مقطر به عنوان مايع خنك كننده در مقايسه با روغن بهتر است” زيرا اولاَ خاصيت گرمازدايي آب. بيشتر از روغن است. در ثاني از نقطه نظر خطر آتش سوزي. آب داراري ايمني بيشتري است.

بنابراين در بسياري از ژنراتورهاي پرقدرت( به خصوص ژنراتورهاي پرقدرت ساخته شده توسط شوروي سابق از قدرت ۱۶۵ تا ۸۰۰ مگاوات) از آب مقطر براي خنك كنندگي سيم پيچ هاي روتور و استاتور استفاده مي شود. البته خنك كنندگي مستقيم آب براي ژنراتورهاي كاربردي در نيروگاه هاي آبي هم استفاده مي شود.رها مي توان از آب و هيدروژن براي خنك كنندگي استفاده نمود” به اين صورت كه سيم پيچ هاي روتور و استاتور توسط آب مقطر و فولاد مغناطيسي( مسير عبور فوران مغناطيسي) توسط هيدورژن خنك شود.

البته در بعضي از ژنراتورها. آب خنك كننده فقط از شمش هاي استاتور عبور مي كند و بقيه ژنراتورها. آب خنك مي گردد. آب گرم خارج شده از ژنراتور توسط دستگاه سردكن( كه از خارج ژنراتور مي باشد) خنك مي شود تا دوباره توسط پمپ به ژنراتور برگردانده شود.
همچنين گردش هيدروژن داخل ژنراتور.( به منظور خنك كردن مدار مغناطيسي ژنراتور) توسط پره هاي نصب شده بر روي محور روتور امكان پذير خواهد بود.

البته براي هيدورژن هم يك سيستم خنك كنندگي مجزا در نظر گرفته مي شود. نمونه اي از اين نوع سيستم خنك كنندگي را مي توان در واحدهاي ۳۲۰ مگاواتي نيروگاه اسلام آباد و نيروگاه هاي تبريز. نكا و رامين مشاهده نمود.
در اين نيروگاه ها براي خنك كردن شمش هاي استاتور ژنراتور از سيستم آب خنك كن مدار بسته با آب بدون يون استفاده مي شود. در ژنراتورهاي نيروگاه نكا. سيم پيچ هاي استاتور از نوع تسمه هاي توخالي ساخته شده اند كه به وسيله عبور آب خالص و به دور از هر گونه يون. خنك مي شوند.

همچنيني روتور ژنراتور هم به وسيله عبور گاز هيدروژن از ميان شيارها و سطح روتور خنك مي شود. فشار لازم براي به گردش درآوردن گاز هيدروژن گرم شده توسط دو پروانه كه در دو انتهاي روتور تعبيه شده. تامين مي گردد .
گاز هيدروژن گرم شده در خارج از ژنراتور به وسيله چهار خنك كننده خنك مي گردد تا دوباره در ژنراتور مورد استفاده قرار گيرد. البته خنك كننده هاي جداگانه اي براي خنك كردن آب عبوري از سيم پيچ هاي استاتور وجود دارد.
ضمناَ براي جلوگيري از نشت هيدروژن به خارج از ژنراتور و همچنين ممانعت از اتلاف آن. از سيستم آب بندي روغني استفاده مي شود.
در واحدهاي ۳۲۰ مگاواتي نيروگاه اسلام آباد( مشابه با نيروگاه نكا) و براي خنك كردن شمش هاي استاتور ژنراتور از سيستم آب خنك كردن مدار بسته استفاده مي شود.
در اين سيستم. آب گرم خارج شده از شمش هاي استاتور وارد يك تانك انبساط مي شود كه حداكثر درجه حرارت آب خروجي از استاتور c 850 مي باشد.

سپس توسط يك پمپ گريز از مركز. آب ذخيره شده در تانك پس از عبور از خنك كننده. فيلتر و يك ديونيزر( كه وظيفه كنترل قابليت هدايت آب را بر عهده دارد) دوباره وارد سيم پيچ هاي استاتور مي شود.
البته با توجه به اهميت خنك كنندگي ژنراتور. تعداد پمپ. خنك كننده و فيلتر اين سيستم. دو عدد مي باشد كه در حالت عادي . يكي از آنها در حال بهره برداري و ديگري به صورت ذخيره مي باشند.