氢气的制取和发电机的冷却

氢气的制取和发电机的冷却 第一节发电机的冷却方式 1. 发电机冷却的重要性 发电机运转时要发生能量消耗，这是有一种能（机械能）转变为另一种能（电能）时所 不可避免的。这些损耗的能量，最后都变成了热量，致使发电机的转子、定子、定子绕组等 各部件的温度升高。 因为发电机的部件都是有铜质和铁质材料制成的，所以把这种能量消耗叫做铜损和铁损。 为了保证发电机能在绕组绝缘材料允许的温度下长期运行，必须及时地把铜损和铁损所产生 的热量导出，使发电机各主要部件的温升经常保持在允许的范围内。否则，发电机的温升就 会继续升高，使绕组绝缘老化，出力降低，甚至烧坏，影响发电机的正常运行。因此，必须 连续不断地将发电机产生的热量导出，这就需要强制冷却。 2. 发电机常用的冷却方式 发电机的冷却是通过冷却介质将热量传导出去来实现的。常用的冷却方式有： 2.1 空气冷却。 容量小的发电机（两万千瓦以下）多采用空气冷却，即使空气有发电机 内部通过，将热量带出。这种冷却方式效率差，随着发电机容量的增大已逐渐被淘汰。 2.2 水冷却。 把发电机转子和定子绕组线圈的铜线作成空心，运行中使高纯度的水通过 铜线内部，带出热量使发电机冷却。这种冷却方式比空气冷却效果好，但必须有一套水质处 理系统和良好的机械密封装置。目前，大型机组多采用这种冷却方式。 2.3 氢气冷却。 氢气对热的传导率是空气的六倍以上，加以它是最轻的一种气体，对发 电机转子的阻力最小，所以大型发电机多采用氢气冷却方式，即将氢气密封在发电机内部， 使其循环。循环的氢气再由另设的冷却器通水冷却。氢气冷却有可分为氢气与铜线直接接触 的内冷式（直接冷却）和氢气不直接与铜线接触的外冷式两种。 当前除了小容量（25MW 及以下）汽轮发电机仍采用空气冷却外，功率超过50MW 的汽轮发 电机都广泛采用了氢气冷却，氢气、水冷却介质混用的冷却方式。在冷却系统中，冷却介质 可以按照不同的方式组合，归纳起来一般有以下几种： 2.3.1 定、转子绕组和定子铁芯都采用氢表面冷却，即氢外冷； 2.3.2 定子绕组和定子铁芯采用氢表面冷却，转子绕组采用直接冷却（即氢内冷） ； 2.3.3 定、转子绕组采用氢内冷，定子铁芯采用氢外冷； 2.3.4 定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷，定子铁芯采用氢外冷，即水氢氢冷却方式； 2.3.5 定、转子绕组水内冷，定子铁芯空气冷却，即水水空冷却方式； 2.3.6 定、转子绕组水内冷，定子铁芯氢外冷，即水水氢冷却方式。 我厂 2×600MW 机组汽轮发电机采用水氢氢冷却方式，即发电机定子绕组采用水内冷，转 子绕组采用氢内冷，定子铁芯采用氢外冷。 第二节第二节冷却介质的性能比较冷却介质的性能比较 1. 冷却介质的种类和特性 氢冷发电机在正常运行时，使用氢气作为冷却介质，在发电机事故及停机检修时，则采 用空气作为冷却介质，CO 2、N2，则是气体置换过程中的中间介质。对于直接冷却的发电机， 除了使用氢气作为冷却介质外，也可以使用水和油。下面分析比较冷却介质的特性： 1.1 空气 空气优点是低廉，所需的附加设备简单，维修方便；缺点是机组的容量受到限制，而且 机组容易脏污。 1.2 氢气（H 2） 氢气冷却有如下优、缺点： 1.2.1 优点： 1.2.1.1 通风损耗低， 机械 （指发电机转子上的风扇） 效率高。这是因为在标准状态下， 氢气的密度是 0.08987kg/m3，空气的密度是 1.293kg/m3，CO 2 的密度是 1.977kg/m3，N 2 的密度 是 1.25kg/m3。由于空气的密度是氢气的14.3 倍，二氧化碳是氢气的21.8 倍，氮气是氢气的 13.8 倍，所以，使用氢气作为冷却介质时，可使发电机的通风损耗减到最小程度。 1.2.1.2 散热快、冷却效率高。 因为氢气的导热系数是空气的 1.51 倍，且氢气扩散性 好，能将热量迅速导出。因此能将发电机的温升降低 10-15℃。 1.2.1.3 危险性小。 由于氢气不能助燃，而发电机内充入的氢气中含氧又小于 2%，所 以一旦发电机绕组被击穿时，着火的危险性很小。 1.2.1.4 清洁。 经过严格处理的冷却用的氢气可以保证发电机内部清洁，通风散热效果 稳定，而且不会产生由于脏污引起的事故。 1.2.1.5 在氢气冷却的发电机，噪音较小，而且绝缘材料不易受氧化和电晕的损坏。 1.2.2 缺点： 1.2.2.1 氢气的渗透性很强，易于扩散泄露，所以发电机的外壳必须很好的密封。 1.2.2.2 氢气与空气混合物能形成爆炸性气体，一旦泄露，遇火即能引起爆炸。因此， 在用氢冷却的发电机四周严禁明火。 1.2.2.3 采用氢气冷却必须设置一套制氢的电解设备和控制系统，这就增加了基建投资 及维修费用。 氢气冷却虽有以上一些缺点，但只要严格执行有关的安全规章制度和采取有效的措施还 是可靠的，而其高效率冷却则是其它冷却介质无可比拟的，所以大多数发电机还是采用氢冷 方式。 1.3 二氧化碳（CO 2） CO 2 的密度是空气的 1.52 倍， 显然， 使用 CO 2 作冷却介质， 将会使通风损耗成正比地增加， 发电机的温度也会显著升高。 CO 2 的表面散热系数是空气的 1.132 倍，且有较高的强行对流作用，但 CO 2 的传热能力比 空气弱，仅是空气的0.638 倍。两项综合比较， 用空气冷却和用 CO 2 冷却，对发电机的温升影 响基本是一样的。 CO 2 与机壳内的水分化合后，其反应的生成物会在发电机各部分结垢，使通风恶化，并弄 脏机件，对绝缘有腐蚀作用。所以，不允许使用CO 2 作为冷却介质长时间运行。但是，我们可 以利用 CO 2 与氢气或空气混合时不会发生爆炸的特点，作为气体置换的中间介质。 1.4 氮气（N 2） 氮气的密度、热传导率及表面散热系数都接近空气，所以，作为冷却介质使用时，其允 许的最大负荷值与空气冷却时相同。另外，氮气具有比空气轻，比氢气重，并且不助燃的特 点，可用来代替二氧化碳作为中间介质使用，这时对其纯度的要求是： 氮的含量在 96%以上， 氧的含量应低于 4%。 氮气作为化工副产品，常含有腐蚀性杂质，对发电机的绝缘材料起腐蚀作用，所以，氮 气作为发电机的冷却介质不允许长期使用。 2. 氢气和水的特性比较 发电机在采用直接冷却方式时，普遍采用氢气和水作为冷却介质。它们与空气的性能比 较如下： 表 13-1空气、氢气及水性能比较 冷却 介质 空 气 氢 气 水 绝对压 力 MPa 0.1 3 -- 相对比 热 1 14.35 4.16 相对密 度 1 0.21 1000 吸热能力 体积流 量 1 1 0.05 相对 吸热量 1 3 208 散热能力 流速， m/s 30 40 2 相对散 热系数 1 5 84 从表中的吸热和散热能力看， 液体冷却介质比气体冷却介质好。 水具有较高的散热性能、 粘度小，能通过小而复杂的截面。水的化学性能稳定，不会燃烧，而且具有价廉的特点。但 它增加了水路系统，容易腐蚀铜线和漏水，使运行的可靠性降低。 氢气冷却具有通风功率和励磁功率低；装配方便，结构简单，负荷能力高，温度分布均 匀等优点，使运行可靠性大为提高。 第三节第三节电解制氢原理及其系统、设备电解制氢