CC BY
105
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОСУШКИ ВОДОРОДА В ТУРБОГЕНЕРАТОРАХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
В.Б. ГРУЗДЕВ, Н.Д. ЧИЧИРОВА
Казанский государственный энергетический университет
В настоящей статье представлен термоэлектрический способ осушения газов, который может быть успешно применен для удаления влаги из водорода в турбогенераторах на электрических станциях.
На заре электромашиностроения конструкция машины определялась, в основном, требованиями правильного построения электрического, магнитного и силового потоков, но сегодня, с повышением удельных токовых нагрузок, правильная организация и интенсивный отвод тепла, выделяемого в активных частях электромашин, приобретают решающее значение. Обычно охлаждающей средой является либо газ (воздух, водород), либо жидкость (дистиллят, химическая очищенная вода, трансформаторное масло). С конца 1960 гг. генераторы мощностью свыше 100 МВт были переведены с воздушного охлаждения на водородное. Применение водорода вместо воздуха дает целый ряд преимуществ, обусловленных его физическими свойствами и, прежде всего, высокими теплоемкостью, теплопроводностью и малой плотностью по сравнению с воздухом.
Однако водородное охлаждение создает и ряд трудностей, связанных с возможностью образования взрыво- и огнеопасной смеси с воздухом.
Для исключения подсоса воздуха в корпус генератора давление водорода в генераторе поддерживается выше атмосферного. Увеличение давления водорода повышает эффективность охлаждения генератора. Однако использование избыточного давления водорода свыше 0,4 МПа экономически нецелесообразно [1].
Использование водорода требует применения надежных торцевых уплотнений в корпусе генератора между его корпусом и валом. Поэтому для предотвращения выхода водорода в атмосферу создана специальная система уплотнений вала генератора, где в качестве уплотняющего материала применяется турбинное масло, подаваемое из системы смазки паровой турбины. Масло паровой турбины обводняется за счет протечек пара из концевых уплотнений цилиндров турбины.
Для охлаждения водорода, циркулирующего внутри корпуса генератора, применяются водяные трубчатые газоохладители, охлаждаемые водой.
Горячий водород под давлением установленных на роторе генератора вентиляторов поступает в межтрубное пространство газоохладителей, где отдает технической воде свое тепло, и уже в виде холодного газа охлаждает обмотку и железо ротора и статора генератора.
Таким образом, практически постоянный объем водорода циркулирует внутри корпуса генератора. Отсюда понятно, что наиболее эффективным средством снижения токовых потерь в обмотке электрической машины является снижение температуры холодного газа. Но увлажнение водорода, получаемого на электролизной установке электростанции, в основном происходит двумя путями: за счет попадания обводненного турбинного масла в газовый объем машины и из-за неплотности трубной системы встроенных газоохладителей.
© В.Б. Груздев, Н.Д. Чичирова
Проблемы энергетики, 2006, № 3-4
Растворенные в водороде пары влаги при достижении точки росы при изобарном охлаждении генератора водородом конденсируются на обмотке и металле ротора и статора машины, приводя их к корродированию, к разрушению электроизоляции и торцевых бандажных колец обмотки ротора.
Из анализа аварий, произошедших в генераторах, следует, что большая часть их произошла из-за внутренних повреждений - это нарушение электроизоляции ротора или статора генератора, разрушение торцевых бандажных колец обмотки ротора. В основном эти дефекты были связаны с высоким содержанием влаги в охлаждающем водороде, доходящим до 25-35 г/м3 при норме 7,7 г/м3 [2]. Также из заключений отраслевых комиссий следует, что эти аварии произошли на тех генераторах, где не проводилось постоянное осушение водорода, где регулярно не продувались генераторы сухим и чистым водородом из электролизной установки электростанции.
Еще в 1970-х годах для осушки водорода в корпусе турбогенератора ПО «Союзтехэнерго» и трестом ОРГРЭС было предложено использовать холодильную машину типа ФАК (фреоновый агрегат компрессорный) с
хладопроизводительностью от 700 ккал/час («800 Вт) и выше, серийно выпускаемую Ярославским заводом холодильных машин для легкой и пищевой промышленности. При температуре входящего горячего водорода 40°С и уходящего холодного до минус 5°С расход газа через испаритель ФАКа составляет от 5 до 10 м3/ч при давлении 0,35 МПа. Таким образом выполнена система рециркуляции водорода в генераторе, что обеспечивает понижение температуры точки росы водорода в генераторе (рис. 1).
Рис. 1. Схема включения в работу действующего ФАКа:
ТРВ - термореле водородное; ГО - газоохладители; В - вентиляторы
Как следует из данных [1], содержание водяных паров в холодном водороде составляет:
Таблица
Температура холодного газа, °С Содержание влаги, г/м3
10 8
14 10
18 15
22 20
25 22
Из таблицы следует, что, чем ниже температура холодного газа, тем меньше концентрация влаги в водороде. В последнее время работа ФАКов ухудшилась из-за некачественного ремонта (нехватка и дороговизна запасных частей, особенно ТРВ), поэтому на многих электростанциях для доведения чистоты и влажности водорода внутри генератора до нормы выполняют массовые продувки генераторов свежим дорогостоящим электролизным водородом. В последнее время широко применяются адсорбционные установки (цеолит, силикагель), требующие частой регенерации. Также применяются воздушно-испарительные, вихревые, вакуумные, аммиачные и другие осушители водорода, связанные как с технологическим процессом на электростанции (наличие пара, технический воздух), так и экологически опасными хладагентами.
В 2004 г. одним из авторов (Груздевым В.Б.) был получен Российский патент №39282 на «Термоэлектрический осушитель газов» (ТЭОГ)[3]. Принцип работы его основан на использовании эффекта Пельтье и идентичен работе конденсатора ФАКа, в котором происходит конденсация паров влаги, растворенных в водороде.
Работа ТЭОГа заключается в следующем (рис. 2): горячий влажный водород (А) из генератора поступает в герметичную камеру ТЭОГа 5. Внутренняя его поверхность охлаждается установленными снаружи ее термоэлементами, работающими в режиме холодильника (эффект Пельтье). Влага, растворенная в водороде, контактируя с холодной поверхностью ТЭОГа, конденсируется и выводится через дренажную линию 6. Тепло, выделенное в термоэлементе, снимается на горячих спаях термоэлемента с помощью проточной воды 4 или снимается конвективным путем за счет теплообмена металлических радиаторов (на рис. 2 не показаны) с окружающим воздухом. Включение в работу и отключение на оттаивание - автоматическое. Впервые в практике эксплуатации вспомогательного оборудования турбогенераторов разработана система постоянного эксплуатационного термоконтроля охлаждающего газа в турбогенераторе на базе электронной схемы с автономным питанием эксплуатационного измерения и хранения текущих значений температуры газа, поступающего из турбогенератора в ТЭОГ, на базе микропроцессорного самописца температуры с передачей для дальнейшей обработки на компьютере.
Рис. 2. Термоэлектрический осушитель водорода (ТЭОГ):
1 - трубопроводы подвода и отвода осушаемого газа; 2 - холодильная часть
термоэлектрических модулей; 3 - горячая часть термоэлектрических модулей; 4 - рубашка для хладагента, охлаждающего горячие концы термоэлектрических блоков; 5 - холодильная, герметичная камера осушителя; 6 - вывод конденсата из камеры (дренаж); А - вход горячего влажного газа; Б - выход сухого и охлажденного газа; В - вход холодного хладагента в рубашку охладителя горячих концов термоэлектрических модулей; Г - выход подогретого хладагента из рубашки охладителя горячих концов термоэлектрических модулей
Выводы:
Эффективная осушка водорода и его очистка позволяют получить ряд положительных эффектов. Прежде всего, это уменьшение вентиляционных потерь и потерь на трение вращающегося ротора генератора об осушенный водород (плотность газа уменьшилась) и связанное с этим возрастание к.п.д. генератора. Внедрение термоэлектрического осушителя газов в качестве установки глубокой осушки и очистки водорода позволяет увеличить чистоту водорода до 99,5%, снизить содержание водяных паров до 2,0 г/м3, унифицировать и стандартизировать оборудование для выпускаемых и действующих турбогенераторов. Одним из существенных результатов уменьшения влажности водорода является снижение точки росы в генераторах. Термоэлектрический способ глубокой осушки водорода позволяет довести точку росы до 2-5°С. Снижение температуры и влажности охлаждающего газа позволяет увеличить надежность эксплуатации генераторов и значительно расширить диапазон допустимых электрических и тепловых нагрузок.
Summary
In persisting article is presented thermoelectric way of the drainage gas, which can be successfully applying for removing water from hydrogen in turbo-alternator on electric station.
Литература
1. Борисенко А.И., Данько В.Г., Яковлев А.И. «Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах». «Энергия».- М.: 1989.- 560 с.
2. Элрих В.И. «Турбогенераторы «Электросилы».- Л.: 1987.- 167 с.
3. Российский патент: Ии 39282 и1 7В 01Б 53/26, Н01 Ь 23/38 от 29.07.2004.
Поступила 28.10.2005
