Làm mát máy phát điện bằng khí hydro có lợi gì?
Tất cả các máy phát điện xoay chiều đều là những máy phát điện đồng bộ với những phần tử chủ yếu là stator (phần tĩnh), rotor (phần quay) và thiết trí kích thích: những hệ thống máy điện hoặc thiết bị cung cấp dòng điện một chiều vào cuộn dây rotor để kích thích máy điện đồng bộ. Bản thân máy kích thích có thể trực tiếp gắn rotor của máy điện đồng bộ (những máy kích thích điện tử dòng điện một chiều hoặc xoay chiều, nhờ chúng tạo ra được các hệ thống kích thích độc lập, các máy kích thích không có chổi than). Những hệ thống tự kích thích với các bộ biến đổi kiểu ion hoặc bán dẫn có điều khiển nhận được nguồn cung cấp từ cuộn dây chính hoặc phụ của stator.
Khi dòng điện đi qua các dây dẫn và có sự hiện hữu của từ thông xoay chiều, trong lõi thép sẽ phát sinh những tổn thất làm nóng máy. Để làm mát máy cần có thiết trị quạt gió cưỡng bức bởi vì hiệu quả làm mát tự nhiên không đủ.
Các máy phát điện tuabin hơi căn cứ theo phương pháp làm mát được phân chia thành các máy làm mát bằng không khí, khí hydro và chất lỏng (nước, dầu) hoặc kết hợp.
Việc nâng cao công suất máy phát điện ban đầu được thực hiện bằng cách tăng kích thước. Điều đó đã tiếp tục cho đến khi các tải cơ học của các phần tử khác nhau trên rotor (đai, nêm chèn…) đạt các trị số giới hạn. Việc tiếp tục tăng công suất máy phát điện được thực hiện chủ yếu nhờ nâng cao mật độ dòng điện trong các cuộn dây và tăng cường làm mát. Tuy nhiên, cùng với sự gia tăng công suất thì các tổn thất về quạt gió và ma sát giữa rotor với không khí tăng mạnh, vì vậy cần phải chuyển sang làm mát trực tiếp các cuộn dây và lõi thép của máy phát điện.
Ưu việt của sự làm mát bằng khí hydro là nhờ tỷ trọng của hydro nhỏ hơn gần 10 lần so với không khí, độ dẫn nhiệt cao gấp 7 lần không khí. Việc sử dụng hydro làm mát cho phép tăng công suất máy phát điện thêm 35 - 40% so với làm mát bằng không khí (kích thước máy phát điện như nhau), tăng hiệu suất thêm 1% trở lên, tăng tuổi thọ của máy. Thí dụ đối với máy phát điện công suất 100 MW, 3.000 vòng/ phút khi làm mát bằng hydro tăng thêm hiệu suất 1,2%; với máy phát điện làm mát bằng không khí công suất 200 MW, tổn thất thông gió là 1.195 kW, còn khi làm mát bằng hydro chỉ còn dưới 140 kW.
Những thử nghiệm ứng dụng làm mát bằng hydro cho các máy phát điện đã được thực hiện lần đầu tại Mỹ vào năm 1923. Sau đó hệ thống làm mát bằng hydro đã được thử nghiệm trên hàng loạt các máy phát điện và máy bù đồng bộ công suất lớn và chỉ từ năm 1936 - 1938 ở Mỹ mới bắt đầu chế tạo những máy phát điện tuabin hơi công suất lớn hàng trăm MW với các hệ thống làm mát bằng hydro.
Trong các máy phát điện với hệ thống làm mát bằng hydro khoang bên trong được làm kín cách ly với môi trường bên ngoài nên hầu như không có oxy trong đó. Trong điều kiện đó máy phát điện không cần trang bị thiết trí chống cháy (vì hydro không duy trì sự cháy).
Các máy phát điện làm mát bằng hydro được thiết kế với áp suất hydro khác nhau: 3; 3,5; 4 kG/cm 2. Khi áp suất hydro trong thân máy giảm thì công suất của máy phát giảm đáng kể. Thí dụ máy phát điện công suất 320 MW được thiết kế với áp suất dư của hydro 3,5 kG/cm 2thì khi áp suất đó giảm xuống 3 kG/cm 2công suất của máy phát điện chỉ còn 87% công suất định mức; khi áp suất 2,5 kG/cm 2- 73%; khi áp suất 2,0 kG/cm 2- 60% và khi áp suất 1,5 kG/cm 2chỉ còn 47% công suất định mức.
Việc duy trì độ tinh khiết của hydro là rất quan trọng xuất phát từ các quan điểm an toàn phòng nổ cũng như hiệu suất của máy phát điện. Thí dụ đối với máy phát điện làm mát trực tiếp rotor bằng hydro, sự giảm độ tinh khiết của hydro từ 98 xuống 93% gây ra sự tăng tổn thất quạt khí khoảng 1,5 lần, dẫn đến giảm hiệu suất máy phát điện khoảng 1,5 lần.
Độ ẩm của hydro tăng cao ảnh hưởng xấu tới trạng thái cách điện và độ bền cơ của các đai rotor, tạo ra sự ăn mòn lõi thép…. vì vậy cần phải duy trì độ ẩm của hydro trong thân máy không vượt quá 12 - 13 g/m 3với các trị số vận hành về áp suất và nhiệt độ của khí hydro lạnh, tức làm ứng với 30 - 40% độ ẩm tương đối.
Vào những năm 60 của thế kỷ trước, ở Liên Xô các máy phát điện có công suất 50MW trở lên được trang bị hệ thống làm mát bằng hydro. Nhưng ở các nước khác, các hệ thống làm mát bằng hydro chỉ sử dụng cho các máy phát điện công suất từ 300 MW trở lên, còn dưới 300 MW được làm mát bằng không khí.
Những máy phát điện công suất đơn vị từ 300MW đến 1.200 MW (thậm chí tới 1.500MW) có hệ thống làm mát riêng cho stator (bằng nước cất đoi trong dây dẫn rỗng của stator) và làm mát bằng hydro cho rotor.
