ژنراتورهاي توربيني در بيش از 100 سال پيش كه براي اولين بار وارد عرصه كاري‌شدند با هوا خنك مي‌شدند. با اين حال همچنان كه خروجي واحد ژنراتور افزايش پيدا كردنياز به خنك‌كنندگي موثر افزايش يافت. اين نياز منجر به تكميل ژنراتورهايي شد كه باهيدروژن و آب، خنك مي‌شدند. هدايت حرارتي هيدروژن، هفت برابر هوا بوده و با همان‌فشار مطلق، چگالي آن يك دهم هواست.
پيش از انتخاب نوع سيستم‌خنك‌كنندگي مورد استفاده براي ژنراتور، دوموضوع عمده وجود دارد كه عبارتند از:اندازه مگاولت آمپر ژنراتور و يك سايت هوابا كيفيت خوب. با وجود اين كه‌خنك‌كنندگي با هوا نوعا براي واحدهاي‌كوچكتر استفاده مي‌شود هم اكنون اصلاح‌فن‌آوريهاي جديد به هوا اين امكان رامي‌دهد تا براي ژنراتورهايي كه حداكثر30مگاولت آمپر ظرفيت دارند مورد استفاده‌قرار گيرد. شكل (1) سيستمهاي هوا،هيدروژن، خنك‌كنندگي هيدروژني داخلي وسيستم خنك‌كنندگي هيدروژن و آب را كه‌توسط شركتهاي زيمنس و وستينگهاوس‌براي اندازه‌هاي مختلف ژنراتورها انجام‌شده است مقايسه مي‌كند.
ژنراتورهاي الكتريكي، حجم زيادي ازهوا را مصرف مي‌كنند. در جايي كه كيفيت‌هوا مساله ساز نيست ژنراتورها با سيستم‌خنك‌كنندگي هواي باز كه بازده بالايي از نظرفيلتراسيون و آب بندي محوري تحت فشاردارند بهترين انتخاب و همچنين داراي‌حداقل هزينه است.
سايتهاي نيروگاه قدرت كه داراي ذرات‌ريز و سولفور قابل ملاحظه هستند بايدژنراتورهايي را كه خنك‌كنندگي آنها با آب وهواي محبوس انجام مي‌شود مورد بررسي‌قرار دهند. اين ژنراتورها چنانچه داراي سيستم خنك كنندگي با آب و آب بندي‌محوري تحت فشار با فيلترهاي هواي‌جبراني باشند از نظر فيزيكي بزرگتر هستند.ژنراتورهايي كه خنك‌كنندگي آنها با آب وهواي محبوس صورت مي‌گيرد ازژنراتورهايي كه خنك‌كنندگي آنها با هواي بازانجام مي‌شود گران‌تر بوده و بازده كمتري نيزدارند.
با اين همه در حالي كه ذرات ريز، يك‌موضوع قابل بررسي است و وقتي كه‌مساله‌اي از نظر ذخيره‌سازي هيدروژن درنيروگاه وجود ندارد عموما ژنراتورهايي كه باهيدروژن خنك مي‌شوند انتخاب مناسبي به‌نظر مي‌رسد. با وجود آن كه اين نوع ازژنراتور گرانترين نوع است ولي بالاترين‌بازده را دارد.
سيستمهاي خنك كنندگي
طراحي واحدهايي كه با هيدروژن‌خنك مي‌شوند در مقايسه با ژنراتورهايي كه‌با هوا خنك مي‌شوند پيچيده‌تر است.سيستمهايي كه با هيدروژن خنك مي‌شوندبه محفظه‌اي كه در مقابل فشار مقاوم باشد ونيز به آب بندي خاص و يك دستگاه تهويه‌گازي نياز دارند. علاوه بر آن سيستمهايي كه‌با هيدروژن خنك مي‌شوند قبل از آن كه‌براي تعمير و نگهداري از سرويس خارج‌شوند بايد با دي اكسيد كربن پاكسازي شوند. همچنين قبل از آن كه مجددٹ از هيدروژن پرشوند و به سرويس بازگردند لازم است بادي‌اكسيد كربن پاكسازي شوند. با وجود آن‌كه ژنراتورهايي كه با هوا خنك مي‌شوند ازنظر فيزيكي بزرگتر از ژنراتورهايي هستند كه‌با هيدروژن خنك مي‌شوند، با اندازه يكسان داراي هزينه اوليه كمتري هستند. به علاوه‌تعمير آنها ساده‌تر و با هزينه كمتر است.ژنراتورهاي بزرگي كه با هوا خنك شده ومتعلق به شركت آلستوم هستند عمومٹمجهز به سيستم خنك‌كنندگي آب – هواي محبوس (TEWAC) هستند. در سيستم‌خنك‌كنندگي آب – هوا، ژنراتور به وسيله‌هوا خنك مي‌شود. هواي گرم پس از آن كه‌در خنك‌كن‌هاي آب – هوا سرد شد مجددٹوارد سيكل مي‌شود. در اين واحدهاهاديهاي سيم‌پيچ ميدان روتور تو خالي بوده‌و به صورت محوري خنك مي‌شوند. برخلاف بخش فعال ژنراتورهاي قديمي كه باهوا خنك مي‌شوند، سيم‌پيچهاي ميدان‌جديدتر در هر ماشين داراي دو بخش‌خنك‌كن است. در بخش اول جريان هوا اززير استوانه انتهايي مي‌گذرد و قبل از خروج‌به داخل هادي تو خالي جريان پيدا مي‌كند.جريان هواي خنك كن براي بخش دوم ازطريق يك شيار فرعي كه در زير سيم پيچ‌تعبيه شده است صورت مي‌گيرد.
هسته استاتور كه به شكل محوري به‌اتاقهايي تقسيم شده است هواي خنك كننده‌براي استاتور را فراهم مي‌آورد. اين كار باجريان متناوب هوا به داخل و به بيرون‌اتاقكهاي تهويه انجام مي‌شود.
توليدكنندگان با اضافه كردن اتاقكهاي‌تهويه بيشتر نسبت به ماشينهاي ژنراتور كوتاهتر قديمي توانسته‌اند ميزان‌خنك‌كنندگي ژنراتور را بهينه كنند. طبق‌گزارش آلستوم، بهينه سازي خنك‌كنندگي واين واقعيت كه هم اكنون خروجيهاي‌بيشتري براي هواي خنك كن روتور وجوددارد توزيع دما در سيم‌پيچ استاتور و هسته‌را يكنواخت كرده است.
شكستن مانع 300 كيلوولت آمپري
انجام اصلاحات، طي چند سال اخير برروي طراحي ژنراتورهايي كه با هوا خنك‌مي‌شوند سبب شده است كه واحدهايي‌توليد شود كه تا چند سال گذشته فقط باژنراتورهايي كه با هيدروژن خنك مي‌شوند امكان‌پذير بود. درطول چهار دهه گذشته‌ظرفيت ژنراتورهايي كه با هوا خنك‌مي‌شوند از 90 مگاولت آمپر به بيش از 300مگاولت آمپر افزايش يافته است.
يكي از توليدكنندگان (آلستوم) خروجي‌ژنراتورهايي كه با هوا خنك مي‌شوند را تا33 درصد افزايش داده است. اين كار باافزايش قطر روتور و طول فعال آن به ميزان10 درصد اجرا شده است. افزايش خطي‌ژنراتور نيز حجم Slot (يكي از شيارهاي‌نگهدارنده رسانا در سطح روتور يا استاتوريك ماشين گردنده الكتريكي) را بزرگتر كرده‌و در نتيجه سيم‌پيچهاي بيشتري قابل اضافه‌كردن بود.
متاسفانه وقتي قطر روتور افزايش داده‌مي‌شود اتلاف سيم‌پيچ نيز افزايش مي‌يابد.بخش قابل توجهي از اتلاف سيم پيچي‌ناشي از اصطكاك سطح است.
ژنراتورها ديگري كه توسط آلستوم‌تكميل شده يك ماشين 50 هرتز 500مگاولت آمپري است. اين ماشين يك‌پيشرفت عمده در فن آوري ژنراتورهايي كه‌با هوا خنك مي‌شوند بوده و خنك‌كنندگي‌آن به شكل معكوس امكان‌پذير شد. درخنك‌كنندگي معكوس، فنها در بالا دست‌كولر قرار مي‌گيرند و به اين ترتيب بخش‌فعال ژنراتور به طور مستقيم و بدون هيچ‌گونه پيش گرمايشي از هوايي كه ازكولرها مي‌آيد بهره‌مند مي‌شود. هوايي كه به‌طور مستقيم از فنها تامين شده است‌همچنان كه از درون فن عبور مي‌كند،پيش‌گرم مي‌شود.
هوا در پايين دست كولرها در ابتدا ازيك ناحيه مخلوط عبور مي‌كند كه توزيع همگني از هواي سرد را به ورودي ژنراتورمي‌رساند. حتي اگر يك كولر، خارج ازسرويس باشد اين نوع از خنك‌كنندگي به‌ژنراتور اين امكان را مي‌دهد كه با75 درصداز خروجي اسمي خود كار كند.
محفظه ژنراتور 500 مگاولت آمپرآلستوم كه با هوا خنك مي‌شود كاملاجوشكاري شده و داراي ياتاقانهايي است كه‌بر روي محفظه‌اي نصب شده و از يك‌سيستم خنك‌كننده بسته استفاده مي‌كند.ابتكار طراحي عمده ديگر آن است كه‌ژنراتور با راه آهن قابل حمل‌ونقل است.
بررسي اصلاحات
در حالي كه بيش از 20 سال از كار اغلب‌نيروگاههاي قدرت ايالات‌متحده مي‌گذرد متخصصان نيروگاههاي توليد برق در جست‌و جوي راههايي بوده‌اند تا قابليت اعتماد ودر دسترس بودن ژنراتورهاي قديمي رابهبود بخشند. غير از جايگزيني ژنراتورها،برخي از ژنراتورهاي قديمي‌تر را معمولا مي‌توان با سيم پيچي مجدد استاتورها ونوكردن exciter (ژنراتور كمكي كوچكي كه‌جريان ميداني لازم را براي ژنراتوري باجريان متناوب فراهم مي‌كند) اصلاح كرد.
دبليوجي مور مدير مهندسي كويل‌برق ملي در كلمبوس اوهايو مي‌گويد كه درهنگام اصلاح و بازسازي ژنراتورهاي‌الكتريكي، يكي از اولين مراحل، آن است كه‌شرايط فورجينگ روتور ارزيابي شود.
در غير از مواردي كه مسائل جدي بروز كندجايگزين كردن روتور، لازم نيست. هرگونه‌تركي كه در سوراخها پيدا شود عموما ازفركانس پايين و ناشي از تنشهاي چرخشي‌در اثناي شروع بكار و توقف واحد است.
با اين همه چنين تركهايي را نبايد ناديده‌گرفت چرا كه مي‌توانند منجر به گسيختگي‌كاتاستروفيك روتور شوند. به گفته >مور<قبل از بازگرداندن يك روتور قديمي‌تر به‌سرويس بايد سوراخها به طور كامل بازرسي‌شوند تا شرايط كيفي آنها براي كاركرددرازمدت تاييد شود.
علاوه بر بازرسي چشمي سوراخ،آزمايشهاي مغناطيسي و ماوراي بنفشUT)) نيز بايد اجرا شود. هرگونه مسأله‌سطحي را مي‌توان با سنگ زدن سوراخ،اصلاح كرد. با اين حال، تركهاي عميق‌تر بايدبا سوراخ كردن برداشته شوند.
محلهاي دندانه دار روتور مي‌تواند درشعاعهاي ماهيچه‌اي بالاي دندانه، ايجادترك كند. اين سوراخها را مي‌توان با بازرسي‌چشمي، آزمايش با جريان گردابي (آزمايش‌غير تخريبي كه در آن تغيير امپدانس يك‌كويل آزمايش كه به نزديك نمونه هادي‌آورده شده است جريانهاي گردابي ايجادشده به وسيله كويل را از خود نشان مي‌دهدو در نتيجه برخي از خواص يا معايب نمونه‌را آشكار مي‌كند)، نافذ رنگي (مايعي داراي‌رنگ كه براي تشخيص تركها يا ساير معايب‌سطحي مواد غير مغناطيسي بكار مي‌رود) ويا با آزمايش ذرات مغناطيسي مرطوب،آشكار كرد. با اين همه >مور< مي‌گويد: >هيچ‌گزارشي از وقفه اجباري ناشي از تركهاي‌دندانه‌دار، ثبت نشده است. تركهاي كوچك‌را مي‌توان با بزرگ كردن شعاع ماهيچه،برداشت به طور ي كه در عين حال تركهاي‌بزرگتر نياز به برداشتن بالاي دندانه‌ها وسپس بازسازي يك حلقه حايل طولاني‌تردارند<.
هنگامي كه رطوبت، وجود داشته باشد حلقه‌هاي حايل غير مغناطيسي از جنس5Cr 18Mn نسبت به تنش ترك خوردگي‌تاثير پذيرند و در اثناي هر گونه اصلاح‌ژنراتور بايد تعويض شوند. معمولا اين نوع‌حلقه‌ها با حلقه‌هايي از جنس18 Cr 18Mn تعويض مي‌شوند. طبق‌گزارش G.E. فولاد ضد زنگ غير مغناطيسي18-18 نسبت به تنش ترك خوردگي مقاوم‌است.
ترك خوردگي شيار فنري شبه بست(نوعي فنر كه به عنوان بست استفاده‌مي‌شود) به وسيله نيروهاي متناوب حلقه‌حايل مخروطي در حال كشش بالاي‌دندانه‌ها ايجاد مي‌شود (شكل 2). با اين‌وجود >مور< مي‌گويد: اين تركها به سادگي بايك آزمايش نفوذ پذيري فلورسنت مغناطيسي مرطوب، آشكار مي‌شوند. مشابه‌ترك خوردگي دندانه روتور، تركهاي درون‌شيار فنر شبه بست را مي‌توان با بزرگ كردن‌شعاع، اصلاح كرد.
سيم پيچها و عايق بندي
سيم پيچهاي مسي روتور، عمرنامحدودي دارند ولي وقتي كه يك روتورتحت تاثير گرماي بيش از حد قرار گيرد،مس، نرم مي‌شود. اگر مس بيش از حد نرم‌شده باشد، آزمايش، سختي آن را تعيين‌خواهد كرد. >مور< مي‌گويد: بازرسي چشمي‌بايد هرگونه اعوجاج اضافي را مشخص كند.
ترك خوردگي درپيچهاي مسي روتور درروتورهايي كه روي حلقه‌هاي حايل آن‌محور كوتاهي نصب شده باشد عادي است.
اين ترك خوردگيها را مي‌توان با يك آزمايش‌نافذ رنگي بررسي كرد. سيم پيچهاي مسي‌باز پخت شده با مقاومت كم كه در واحدهاي قديمي نصب شده‌اند بايد با نوعي مس بامقاومت بيشتر جابه‌جا شوند. طبق گفته>مور< اين ماده (مس با مقاومت بيشتر)نسبت به تغيير شكل، مقاوم است. متاسفانه‌يك سيم پيچ باز پيچيده شده جديد مسي ازمسهاي قديمي كه مجددا استفاده شده باشدگرانتر است.
اصلاحاتي كه در عايق بندي و صفحات‌لغزش از جنس ماده‌اي با ضريب اصطكاك كم انجام شده است اعوجاج سيم‌پيچهاي‌روتور را به حداقل رسانده و كاركردژنراتورها را اصلاح كرده است برخلاف‌سيم‌پيچهاي روتوري كه به صورت اقتصادي‌مجددا پيچيده شده باشند عموما با سيم‌پيچهاي استاتور جايگزين مي‌شوند. باپيشرفتهايي كه هم اكنون در سيستمهاي‌عايق بندي انجام شده، عايق‌بندي كمتري‌مورد نياز است.
كاربرد ژنراتورهاي الكتريكي دراثردرجه حرارت حداكثر مجاز رساناهاي مسي‌در سيم پيچهاي استاتور و نيز دراثر انتقال‌حرارت در درون عايق‌بندي، محدود شده‌است. با اين وجود كاركرد ژنراتور در درجه حرارتهاي بالاتر براي مس‌هاي هادي درهنگامي امكان‌پذير است كه كلاس حرارتي‌بالاتري براي ماده عايق بندي، استفاده شده‌باشد. واضح است كه با كاركرد ژنراتور دردرجه حرارتهاي بالاتر، خروجي ژنراتور افزايش پيدا مي‌كند. هم اكنون براي كاركردژنراتور در درجه حرارتهاي بالاتر، موادجديدي وجود دارد. به دليل اين كه‌عايق‌بندي جديد، مقاومت حرارتي كمتري‌دارد انتقال حرارت ميله‌هاي استاتور، بهبودپيدا كرده و خروجي ژنراتور افزايش مي‌يابد.
با وجود آن كه براي ژنراتورهاي بزرگترهنوز هم روش خنك كنندگي به وسيله‌هيدروژن مورد استفاده قرار مي‌گيرداصلاحات اخير در سيستمهاي خنك‌كنندگي‌با هوا و همچنين عايق بندي به روش خنك‌كنندگي با هوا اجازه داده است تا باسيستمهاي خنك‌كنندگي به وسيله هيدروژن‌براي ژنراتورهايي كه حداكثر ظرفيت آنها500 مگاولت‌آمپر است رقابت كنند. طبق‌نظر سازندگان، استفاده از ژنراتورهايي كه باهوا خنك مي‌شوند و ظرفيتشان بيش از50مگاولت آمپر باشد موضوعي است كه‌فقط زمان، آن را حل خواهد كرد.
برگردان: فريدون تازه‌زاده
منبع:
Power Engineering/ July 2001
ماهنامه صنعت برق