हाइड्रोजन-ठंडा टर्बो जनरेटर: Difference between revisions
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[[File:Turbinenhalle KSP.jpg|thumb| | [[File:Turbinenhalle KSP.jpg|thumb|बिजली संयंत्र टरबाइन जनरेटर सेट: भाप टरबाइन (नीला) उत्तेजना जनरेटर (सामने) के साथ [[विद्युत जनरेटर]] (पीला) चलाता है]] | ||
[[File:Turbogenerator01.jpg|thumb|जेनरेटर सेट (पीछे, लाल) के साथ 500 मेगावाट [[सीमेंस]] मल्टी स्टेज | [[File:Turbogenerator01.jpg|thumb|जेनरेटर सेट (पीछे, लाल) के साथ 500 मेगावाट [[सीमेंस]] मल्टी स्टेज भाप टर्बाइन]]हाइड्रोजन-ठंडा [[टर्बो जनरेटर]] [[शीतलक]] के रूप में [[गैसीय हाइड्रोजन]] के साथ टर्बो जनरेटर है। हाइड्रोजन-कूल्ड टर्बो जनरेटर को भाप टर्बाइन के संयोजन में एकल-शाफ्ट और संयुक्त-चक्र अनुप्रयोगों के लिए कम-ड्रैग (भौतिकी) वातावरण और शीतलन प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।<ref name=":0">{{cite book|chapter=Development of world's largest hydrogen-cooled turbine generator|first1=S.|title=IEEE Power Engineering Society Summer Meeting|last1=Nagano|first2=T.|last2=Kitajima|first3=K.|last3=Yoshida|first4=Y.|last4=Kazao|first5=Y.|last5=Kabata|first6=D.|last6=Murata|first7=K.|last7=Nagakura|date=1 July 2002|volume=2|pages=657–663 vol.2|via=IEEE Xplore|doi=10.1109/PESS.2002.1043376|isbn=978-0-7803-7518-5}}</ref> उच्च तापीय चालकता और हाइड्रोजन गैस के अन्य अनुकूल गुणों के कारण, यह आज अपने क्षेत्र में सबसे सामान्य प्रकार है। | ||
== इतिहास == | |||
एयर-कूल्ड टर्बो जनरेटर के आधार पर, गैसीय [[हाइड्रोजन]] पहली बार अक्टूबर 1937 में ओहियो के डेटन में डेटन पावर एंड लाइट कंपनी में हाइड्रोजन-कूल्ड टर्बो जनरेटर में शीतलक के रूप में सेवा में आया था।<ref>{{cite web|url=https://archive.org/stream/chronologicalhis00natirich/chronologicalhis00natirich_djvu.txt|title=Full text of "A chronological history of electrical development from 600 B.C."|website=archive.org}}</ref> | |||
== डिजाइन == | |||
शीतलक के रूप में गैसीय हाइड्रोजन का उपयोग इसके गुणों पर आधारित है, अर्थात् कम [[घनत्व]], उच्च विशिष्ट ताप क्षमता, और सभी गैसों की उच्चतम तापीय चालकता (0.168 W/(m·K) पर); यह हवा की तुलना में ठंडा करने में 7 से 10 गुना श्रेष्ठ है।<ref name=HydrogenCoolsWell>{{cite web|url=https://www.power-eng.com/emissions/hydrogen-cools-well-but-safety-is-crucial/|title=Hydrogen Cools Well, but Safety is Crucial|work=[[Power Engineering (magazine)|Power Engineering]]|accessdate=8 October 2017|quote=hydrogen’s low density, high specific heat and thermal conductivity make it a superior coolant for this application ... Hydrogen has one of the best heat transfer properties of any gas, with a specific heat of 3.4 Btu/lb-F at standard conditions. On a mass basis, hydrogen is 14 times more efficient than dry air for removing heat ... Hydrogen, as the lightest gas, has the lowest density of any stable gas. Wind resistance losses are kept to a minimum because the rotor’s wind resistance in a hydrogen-cooled generator is far less than in a similarly sized air-cooled generator }}</ref> हाइड्रोजन का एक और फायदा [[हाइड्रोजन सेंसर]] द्वारा इसकी आसान पहचान है। हाइड्रोजन-कूल्ड जनरेटर अधिक छोटा हो सकता है, और इसलिए एयर-कूल्ड जनरेटर की तुलना में कम मूल्यवान होता है। स्टेटर कूलिंग के लिए पानी का उपयोग किया जा सकता है। | |||
0.142 W/(m·K) की तापीय-चालकता वाले [[हीलियम]] को शीतलक भी माना जाता था; चूंकि, इसकी उच्च लागत इसकी गैर-ज्वलनशीलता के अतिरिक्त इसे अपनाने में बाधा डालती है।<ref>[http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/PM%20Rosemount%20Analytical%20Documents/Gas_ADS_Hydro_Cooled_Generators_103-200_200803.pdf]{{dead link|date=January 2018 |bot=InternetArchiveBot |fix-attempted=yes }}</ref> | |||
सामान्यतः, तीन शीतलन विधियों का उपयोग किया जाता है। 60 मेगावाट तक के जनरेटर के लिए, [[पानी ठंढा करना|एयर कूलिंग]] का उपयोग किया जा सकता है। 60 और 450 मेगावाट के बीच हाइड्रोजन कूलिंग कार्यरत है। उच्चतम बिजली जनरेटर के लिए, 1800 मेगावाट तक, हाइड्रोजन और जल शीतलन का उपयोग किया जाता है; रोटर हाइड्रोजन-कूल्ड होता है, जबकि स्टेटर [[समापन]] खोखले तांबे के ट्यूबों से बने होते हैं, जो पानी के माध्यम से घूमते हुए ठंडा होते हैं। | |||
जनरेटर [[उच्च वोल्टेज]] का उत्पादन करते हैं; वोल्टेज का चुनाव विद्युत इन्सुलेशन की मांगों और उच्च विद्युत प्रवाह को संभालने के बीच व्यापार पर निर्भर करता है। 40 एमवीए तक के जनरेटर के लिए, वोल्टेज 6.3 केवी है; 1000 मेगावाट से अधिक बिजली वाले बड़े जनरेटर 27 केवी तक वोल्टेज उत्पन्न करते हैं; जनरेटर के आकार के आधार पर 2.3 और 30 केवी के बीच वोल्टेज का उपयोग किया जाता है। उत्पन्न बिजली को पास के स्टेप-अप ट्रांसफार्मर मे भेजा जाता है, जहां इसे [[विद्युत शक्ति संचरण]] लाइन वोल्टेज (सामान्यतः 115 और 1200 केवी के बीच) में परिवर्तित किया जाता है। | |||
उच्च घूर्णी गति पर केन्द्रापसारक बलों को नियंत्रित करने के लिए, रोटर व्यास सामान्यतः 1.25 मीटर से अधिक नहीं होता है; कॉइल का आवश्यक बड़ा आकार उनकी लंबाई से प्राप्त होता है और इसलिए जनरेटर को क्षैतिज रूप से माउंट किया जाता है। दो-पोल मशीनें सामान्यतः 50 हर्ट्ज के लिए 3000 आरपीएम और 60 हर्ट्ज प्रणाली के लिए 3600 आरपीएम पर काम करती हैं, जिनमें से आधी चार-पोल मशीनों के लिए होती हैं। | |||
टर्बोजेनरेटर में रोटर कॉइल के लिए [[एकदिश धारा]] इलेक्ट्रिक जनरेटर या सेल्फ-एक्साइटमेंट का उत्पादन करने वाला छोटा जनरेटर भी होता है। पुराने जनरेटर रोटर में डीसी इंजेक्शन के लिए [[डाइनेमो]] और [[पर्ची अंगूठी|स्लिप रिंग]] का उपयोग करते थे, किन्तु गतिमान यांत्रिक संपर्क पहनने के अधीन थे। आधुनिक जनरेटर में टर्बाइन और मुख्य जनरेटर के समान शाफ्ट पर उत्तेजना जनरेटर होता है; आवश्यक [[डायोड]] सीधे रोटर पर स्थित होते हैं। बड़े जेनरेटर पर एक्साइटमेंट करंट 10 kA तक पहुंच सकता है। उत्तेजना शक्ति की मात्रा जनरेटर आउटपुट पावर के 0.5 और 3% के बीच होती है। | |||
रोटर में सामान्यतः गैर-चुंबकीय सामग्री से बने कैप या पिंजरे होते हैं; इसकी भूमिका एड़ी धाराओं के लिए कम प्रतिबाधा पथ प्रदान करना है जो तब होती है जब जनरेटर के तीन चरण असमान रूप से लोड होते हैं। एसी स्थितियों में, रोटर में [[भंवर धारा]]एं उत्पन्न होती हैं, और परिणामी जूल ताप अत्यधिक स्थितियों में जनरेटर को नष्ट कर सकता है।<ref>{{cite web|url=http://www.freepatentsonline.com/3898491.html|title=Damper winding for turbine generator rotors|website=www.freepatentsonline.com}}</ref> | |||
सक्रिय भागों से [[गर्मी]] को दूर करने के लिए हाइड्रोजन गैस को बंद लूप में परिचालित किया जाता है, फिर इसे [[स्टेटर]] फ्रेम पर गैस-टू-वाटर [[उष्मा का आदान प्रदान करने वाला|हीट एक्सचेंजर्स]] द्वारा ठंडा किया जाता है। काम का दबाव 6 [[बार (इकाई)]] तक है। | |||
ऑन-लाइन [[तापीय चालकता डिटेक्टर]] (टीसीडी) विश्लेषक का उपयोग तीन मापन श्रेणियों के साथ किया जाता है। सामान्य ऑपरेशन के समय [[हाइड्रोजन शुद्धता]] की निगरानी के लिए पहली श्रेणी (80-100% H2) है। दूसरी (0-100% H2) और तीसरी (0-100% CO2) मापने की रेंज रखरखाव के लिए टर्बाइनों को सुरक्षित रूप से खोलने की अनुमति देती है।<ref>{{cite web|url=http://news.thomasnet.com/fullstory/487684|title=Gas Analyzer constantly monitors hydrogen purity|website=news.thomasnet.com}}</ref> | |||
हाइड्रोजन में बहुत कम चिपचिपाहट होती है, जो रोटर में ड्रैग लॉस को कम करने के लिए एक अनुकूल गुण है। रोटर की उच्च घूर्णी गति के कारण ये हानि महत्वपूर्ण हो सकती हैं। हाइड्रोजन शीतलक की शुद्धता में कमी से टर्बाइन में [[श्यानता|विस्कोसिटी]] और ड्रैग में संबंधित वृद्धि के कारण [[विंडेज|वाइंडेज]] हानि बढ़ जाती है। बड़े जनरेटर में हाइड्रोजन शुद्धता में 98 से 95% की गिरावट से वाइंडेज हानि 32% तक बढ़ सकती है; यह 907 मेगावाट के जनरेटर के लिए 685 किलोवाट के बराबर है।<ref name="purity" /> वाइंडेज हानी भी जनरेटर में गर्मी की हानी को बढ़ाता है और अपशिष्ट गर्मी से निपटने की समस्या को बढ़ाता है।<ref>[http://protonenergy.com/backend/arc_contenido/archivo117.pdf]{{dead link|date=January 2018 |bot=InternetArchiveBot |fix-attempted=yes }}</ref> | |||
हाइड्रोजन में बहुत कम चिपचिपाहट होती है, रोटर में ड्रैग | |||
== ऑपरेशन == | == ऑपरेशन == | ||
वातावरण में [[ऑक्सीजन]] की अनुपस्थिति [[कोरोना डिस्चार्ज]] से वाइंडिंग इन्सुलेशन को होने | वातावरण में [[ऑक्सीजन]] की अनुपस्थिति [[कोरोना डिस्चार्ज]] से वाइंडिंग इन्सुलेशन को होने वाली हानि को अधिक कम कर देती है; ये समस्यात्मक हो सकते हैं क्योंकि जनरेटर सामान्यतः उच्च वोल्टेज पर काम करते हैं, अधिकांशतः 20 केवी।<ref>{{cite web|url=http://www.gepower.com/prod_serv/products/generators/en/hydrogen_cool.htm|title=Gas Turbines|website=GE Power Generation|access-date=2010-03-10|archive-url=https://web.archive.org/web/20100505085646/http://www.gepower.com/prod_serv/products/generators/en/hydrogen_cool.htm|archive-date=2010-05-05|url-status=dead}}</ref> | ||
=== सील तेल प्रणाली === | === सील तेल प्रणाली === | ||
बेयरिंग (मैकेनिकल) को लीक-टाइट होना चाहिए। | बेयरिंग (मैकेनिकल) को लीक-टाइट होना चाहिए। भली भांति बंद सील, सामान्यतः तरल सील, कार्यरत है; सामान्यतः अंदर हाइड्रोजन से अधिक दबाव वाले [[टर्बाइन तेल]] का उपयोग किया जाता है। धातु, उदा। [[पीतल]], रिंग को जनरेटर शाफ्ट पर [[वसंत (उपकरण)|स्प्रिंग्स (उपकरण)]] द्वारा दबाया जाता है, तेल को रिंग और शाफ्ट के बीच दबाव में विवश किया जाता है; तेल का भाग जनरेटर के हाइड्रोजन पक्ष में बहता है, दूसरा भाग हवा की तरफ। तेल हवा की छोटी मात्रा में प्रवेश करता है; जैसा कि तेल का पुन: परिसंचारण होता है, कुछ हवा को जनरेटर में ले जाया जाता है। यह क्रमिक वायु संदूषण निर्माण का कारण बनता है और हाइड्रोजन शुद्धता बनाए रखने की आवश्यकता होती है।<ref>{{cite web|url=http://www.control.com/thread/1267097548|title=Generator Hydrogen Cooling System|website=www.control.com}}</ref> | ||
इस उद्देश्य के लिए मैला ढोने वाली प्रणालियों का उपयोग किया जाता है; गैस (तेल से निकलने वाली हवा और हाइड्रोजन का मिश्रण) को सीलिंग तेल के लिए होल्डिंग टैंक में एकत्र किया जाता है, और वातावरण में छोड़ा जाता है; हाइड्रोजन के हानि की भरपाई या तो [[गैस सिलिन्डर]] से या साइट पर हाइड्रोजन जनरेटर से की जानी है। बीयरिंगों के अवक्रमण से उच्च तेल रिसाव होता है, जिससे जनरेटर में स्थानांतरित हवा की मात्रा बढ़ जाती है। प्रत्येक असर के लिए [[प्रवाह मीटर]] द्वारा तेल की खपत में वृद्धि का पता लगाया जा सकता है।<ref>{{cite web|url=http://www.control.com/thread/1267097548|title=Generator Hydrogen Cooling System|website=www.control.com}}</ref> | इस उद्देश्य के लिए मैला ढोने वाली प्रणालियों का उपयोग किया जाता है; गैस (तेल से निकलने वाली हवा और हाइड्रोजन का मिश्रण) को सीलिंग तेल के लिए होल्डिंग टैंक में एकत्र किया जाता है, और वातावरण में छोड़ा जाता है; हाइड्रोजन के हानि की भरपाई या तो [[गैस सिलिन्डर]] से या साइट पर हाइड्रोजन जनरेटर से की जानी है। बीयरिंगों के अवक्रमण से उच्च तेल रिसाव होता है, जिससे जनरेटर में स्थानांतरित हवा की मात्रा बढ़ जाती है। प्रत्येक असर के लिए [[प्रवाह मीटर]] द्वारा तेल की खपत में वृद्धि का पता लगाया जा सकता है।<ref>{{cite web|url=http://www.control.com/thread/1267097548|title=Generator Hydrogen Cooling System|website=www.control.com}}</ref> | ||
=== सुखाना === | === सुखाना === | ||
हाइड्रोजन में [[पानी]] की उपस्थिति से बचना होगा, क्योंकि यह हाइड्रोजन के शीतलन गुणों, जनरेटर के पुर्जों के क्षरण और उच्च वोल्टेज वाइंडिंग्स में [[इलेक्ट्रिक आर्क]] का कारण बनता है, और जनरेटर के जीवनकाल को कम करता है। | हाइड्रोजन में [[पानी]] की उपस्थिति से बचना होगा, क्योंकि यह हाइड्रोजन के शीतलन गुणों, जनरेटर के पुर्जों के क्षरण और उच्च वोल्टेज वाइंडिंग्स में [[इलेक्ट्रिक आर्क]] का कारण बनता है, और जनरेटर के जीवनकाल को कम करता है। जलशुष्कक-आधारित ड्रायर सामान्यतः गैस परिसंचरण लूप में सम्मिलित होता है, सामान्यतः ड्रायर के आउटलेट में नमी की जांच के साथ, कभी-कभी इसके इनलेट में भी। नमी की उपस्थिति भी जनरेटर डिब्बे में हवा के रिसाव का अप्रत्यक्ष प्रमाण है।<ref name=purity>{{cite web|title=Hydrogen Purity in Hydrogen-Cooled Generators|url=http://www.gesensing.com/downloads/hygrometers/downloads/910-170B1.pdf|archive-url=https://web.archive.org/web/20081116181811/http://www.gesensing.com/products/resources/application_notes/930_087A.pdf|url-status=dead|archive-date=2008-11-16|website=www.gesensing.com}}</ref> अन्य विकल्प हाइड्रोजन की सफाई का अनुकूलन कर रहा है, इसलिए ओस बिंदु को जनरेटर के विनिर्देशों के भीतर रखा जाता है। टरबाइन तेल में अशुद्धता के रूप में पानी को सामान्यतः जनरेटर के वातावरण में प्रस्तुत किया जाता है; दूसरा मार्ग वाटर कूलिंग प्रणाली में लीक के माध्यम से है।<ref>{{cite web|url=http://www.powergenworldwide.com/index/display/articledisplay/183731/articles/power-engineering/volume-107/issue-8/features/water-contamination-in-hydrogen-cooled-generators-lurks-as-serious-operational-threat.html|title=Water Contamination in Hydrogen-Cooled Generators Lurks as Serious Operational Threat|website=www.powergenworldwide.com}}</ref> | ||
=== शुद्ध करना === | === शुद्ध करना === | ||
[[ज्वलनशीलता सीमा]] (सामान्य तापमान पर हवा में हाइड्रोजन का 4-75%, उच्च तापमान पर व्यापक,<ref>{{cite web|url=https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/03/f12/fcm01r0.pdf|title=Module 1: Hydrogen Properties}}</ref>), 571 °C पर इसका स्वत: प्रज्वलन तापमान, इसकी बहुत कम न्यूनतम ज्वलन ऊर्जा, और हवा के साथ [[विस्फोट]] | [[ज्वलनशीलता सीमा]] (सामान्य तापमान पर हवा में हाइड्रोजन का 4-75%, उच्च तापमान पर व्यापक,<ref>{{cite web|url=https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/03/f12/fcm01r0.pdf|title=Module 1: Hydrogen Properties}}</ref>), 571 °C पर इसका स्वत: प्रज्वलन तापमान, इसकी बहुत कम न्यूनतम ज्वलन ऊर्जा, और हवा के साथ [[विस्फोट]] मिश्रण बनाने की इसकी प्रवृत्ति, जनरेटर के भीतर हाइड्रोजन सामग्री को ऊपर या नीचे की ज्वलनशीलता सीमा से ऊपर बनाए रखने के लिए किए जाने वाले प्रावधानों की आवश्यकता होती है। हर समय, और अन्य [[हाइड्रोजन सुरक्षा]] उपाय। जब जनरेटर हाइड्रोजन से भरा होता है, तो अधिक दबाव बनाए रखना पड़ता है क्योंकि जनरेटर में हवा का प्रवाह इसके सीमित स्थान में खतरनाक विस्फोट का कारण बन सकता है। | ||
जनरेटर के बाड़े को रखरखाव के लिए खोलने से पहले, और जनरेटर को हाइड्रोजन से भरने से पहले शुद्ध किया जाता है। शटडाउन के समय, हाइड्रोजन को | जनरेटर के बाड़े को रखरखाव के लिए खोलने से पहले, और जनरेटर को हाइड्रोजन से भरने से पहले शुद्ध किया जाता है। शटडाउन के समय, हाइड्रोजन को अक्रिय गैस द्वारा शुद्ध किया जाता है, और फिर अक्रिय गैस को हवा से बदल दिया जाता है; स्टार्टअप से पहले विपरीत क्रम का उपयोग किया जाता है। इस उद्देश्य के लिए [[कार्बन डाइऑक्साइड]] या [[नाइट्रोजन]] का उपयोग किया जा सकता है, क्योंकि वे हाइड्रोजन के साथ ज्वलनशील मिश्रण नहीं बनाते हैं और अल्पमूल्य होते हैं। शुद्धीकरण चक्र के अंत को इंगित करने के लिए गैस शुद्धता सेंसर का उपयोग किया जाता है, जो स्टार्टअप और शटडाउन समय को छोटा करता है और शुद्धिकरण गैस की खपत को कम करता है। | ||
कार्बन डाइऑक्साइड का पक्ष लिया जाता है क्योंकि बहुत अधिक घनत्व अंतर के कारण यह हाइड्रोजन को आसानी से विस्थापित कर देता है। कार्बन डाइऑक्साइड को पहले जेनरेटर के नीचे प्रवेश कराया जाता है, हाइड्रोजन को शीर्ष पर धकेल दिया जाता है। फिर हवा ऊपर की ओर प्रवेश करती है, नीचे कार्बन डाइऑक्साइड को बाहर धकेलती है। जेनरेटर बंद होने के साथ शुद्धिकरण सबसे अच्छा किया जाता है। यदि यह धीमी गति के अनलोड रोटेशन के समय किया जाता है, तो जनरेटर के पंखे गैसों को मिला देंगे, जिससे शुद्धता प्राप्त करने के लिए आवश्यक समय बहुत बढ़ जाएगा। | कार्बन डाइऑक्साइड का पक्ष लिया जाता है क्योंकि बहुत अधिक घनत्व अंतर के कारण यह हाइड्रोजन को आसानी से विस्थापित कर देता है। कार्बन डाइऑक्साइड को पहले जेनरेटर के नीचे प्रवेश कराया जाता है, हाइड्रोजन को शीर्ष पर धकेल दिया जाता है। फिर हवा ऊपर की ओर प्रवेश करती है, नीचे कार्बन डाइऑक्साइड को बाहर धकेलती है। जेनरेटर बंद होने के साथ शुद्धिकरण सबसे अच्छा किया जाता है। यदि यह धीमी गति के अनलोड रोटेशन के समय किया जाता है, तो जनरेटर के पंखे गैसों को मिला देंगे, जिससे शुद्धता प्राप्त करने के लिए आवश्यक समय बहुत बढ़ जाएगा। | ||
=== मेक-अप === | === मेक-अप === | ||
जल कोशिकाओं, कम्प्रेसर और भंडारण जहाजों के इलेक्ट्रोलिसिस की | जल कोशिकाओं, कम्प्रेसर और भंडारण जहाजों के इलेक्ट्रोलिसिस की सरणी वाले संयंत्र का उपयोग [[संकुचित हाइड्रोजन]] का उत्पादन अधिकांशतः साइट पर किया जाता है। यह संपीड़ित हाइड्रोजन के भंडारण की आवश्यकता को कम करता है और संबंधित सुरक्षा लाभों और कम लागत के साथ कम दबाव वाले टैंकों में भंडारण की अनुमति देता है। जनरेटर को फिर से भरने के लिए कुछ गैसीय हाइड्रोजन को रखना पड़ता है किन्तु इसे साइट पर भी उत्पन्न किया जा सकता है। | ||
जैसा कि प्रौद्योगिकी विकसित होती है, जनरेटर डिजाइनों में हाइड्रोजन उत्सर्जन के लिए अतिसंवेदनशील सामग्री का उपयोग नहीं किया जाता है। ऐसा नहीं करने से हाइड्रोजन उत्सर्जन से उपकरण की विफलता हो सकती है।<ref>{{cite web|url=http://h2incidents.org/incident.asp?inc=102&cat=2&val=10|title=Lessons Learned - Hydrogen Tools|website=h2incidents.org}}</ref> | जैसा कि प्रौद्योगिकी विकसित होती है, जनरेटर डिजाइनों में हाइड्रोजन उत्सर्जन के लिए अतिसंवेदनशील सामग्री का उपयोग नहीं किया जाता है। ऐसा नहीं करने से हाइड्रोजन उत्सर्जन से उपकरण की विफलता हो सकती है।<ref>{{cite web|url=http://h2incidents.org/incident.asp?inc=102&cat=2&val=10|title=Lessons Learned - Hydrogen Tools|website=h2incidents.org}}</ref> | ||
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*[https://web.archive.org/web/20100821180100/http://www.labplan.ufsc.br/congressos/PowerTech07/papers/664.pdf The turbogenerator – A continuous engineering challenge] | *[https://web.archive.org/web/20100821180100/http://www.labplan.ufsc.br/congressos/PowerTech07/papers/664.pdf The turbogenerator – A continuous engineering challenge] | ||
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हाइड्रोजन-ठंडा टर्बो जनरेटर शीतलक के रूप में गैसीय हाइड्रोजन के साथ टर्बो जनरेटर है। हाइड्रोजन-कूल्ड टर्बो जनरेटर को भाप टर्बाइन के संयोजन में एकल-शाफ्ट और संयुक्त-चक्र अनुप्रयोगों के लिए कम-ड्रैग (भौतिकी) वातावरण और शीतलन प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।[1] उच्च तापीय चालकता और हाइड्रोजन गैस के अन्य अनुकूल गुणों के कारण, यह आज अपने क्षेत्र में सबसे सामान्य प्रकार है।
इतिहास
एयर-कूल्ड टर्बो जनरेटर के आधार पर, गैसीय हाइड्रोजन पहली बार अक्टूबर 1937 में ओहियो के डेटन में डेटन पावर एंड लाइट कंपनी में हाइड्रोजन-कूल्ड टर्बो जनरेटर में शीतलक के रूप में सेवा में आया था।[2]
डिजाइन
शीतलक के रूप में गैसीय हाइड्रोजन का उपयोग इसके गुणों पर आधारित है, अर्थात् कम घनत्व, उच्च विशिष्ट ताप क्षमता, और सभी गैसों की उच्चतम तापीय चालकता (0.168 W/(m·K) पर); यह हवा की तुलना में ठंडा करने में 7 से 10 गुना श्रेष्ठ है।[3] हाइड्रोजन का एक और फायदा हाइड्रोजन सेंसर द्वारा इसकी आसान पहचान है। हाइड्रोजन-कूल्ड जनरेटर अधिक छोटा हो सकता है, और इसलिए एयर-कूल्ड जनरेटर की तुलना में कम मूल्यवान होता है। स्टेटर कूलिंग के लिए पानी का उपयोग किया जा सकता है।
0.142 W/(m·K) की तापीय-चालकता वाले हीलियम को शीतलक भी माना जाता था; चूंकि, इसकी उच्च लागत इसकी गैर-ज्वलनशीलता के अतिरिक्त इसे अपनाने में बाधा डालती है।[4]
सामान्यतः, तीन शीतलन विधियों का उपयोग किया जाता है। 60 मेगावाट तक के जनरेटर के लिए, एयर कूलिंग का उपयोग किया जा सकता है। 60 और 450 मेगावाट के बीच हाइड्रोजन कूलिंग कार्यरत है। उच्चतम बिजली जनरेटर के लिए, 1800 मेगावाट तक, हाइड्रोजन और जल शीतलन का उपयोग किया जाता है; रोटर हाइड्रोजन-कूल्ड होता है, जबकि स्टेटर समापन खोखले तांबे के ट्यूबों से बने होते हैं, जो पानी के माध्यम से घूमते हुए ठंडा होते हैं।
जनरेटर उच्च वोल्टेज का उत्पादन करते हैं; वोल्टेज का चुनाव विद्युत इन्सुलेशन की मांगों और उच्च विद्युत प्रवाह को संभालने के बीच व्यापार पर निर्भर करता है। 40 एमवीए तक के जनरेटर के लिए, वोल्टेज 6.3 केवी है; 1000 मेगावाट से अधिक बिजली वाले बड़े जनरेटर 27 केवी तक वोल्टेज उत्पन्न करते हैं; जनरेटर के आकार के आधार पर 2.3 और 30 केवी के बीच वोल्टेज का उपयोग किया जाता है। उत्पन्न बिजली को पास के स्टेप-अप ट्रांसफार्मर मे भेजा जाता है, जहां इसे विद्युत शक्ति संचरण लाइन वोल्टेज (सामान्यतः 115 और 1200 केवी के बीच) में परिवर्तित किया जाता है।
उच्च घूर्णी गति पर केन्द्रापसारक बलों को नियंत्रित करने के लिए, रोटर व्यास सामान्यतः 1.25 मीटर से अधिक नहीं होता है; कॉइल का आवश्यक बड़ा आकार उनकी लंबाई से प्राप्त होता है और इसलिए जनरेटर को क्षैतिज रूप से माउंट किया जाता है। दो-पोल मशीनें सामान्यतः 50 हर्ट्ज के लिए 3000 आरपीएम और 60 हर्ट्ज प्रणाली के लिए 3600 आरपीएम पर काम करती हैं, जिनमें से आधी चार-पोल मशीनों के लिए होती हैं।
टर्बोजेनरेटर में रोटर कॉइल के लिए एकदिश धारा इलेक्ट्रिक जनरेटर या सेल्फ-एक्साइटमेंट का उत्पादन करने वाला छोटा जनरेटर भी होता है। पुराने जनरेटर रोटर में डीसी इंजेक्शन के लिए डाइनेमो और स्लिप रिंग का उपयोग करते थे, किन्तु गतिमान यांत्रिक संपर्क पहनने के अधीन थे। आधुनिक जनरेटर में टर्बाइन और मुख्य जनरेटर के समान शाफ्ट पर उत्तेजना जनरेटर होता है; आवश्यक डायोड सीधे रोटर पर स्थित होते हैं। बड़े जेनरेटर पर एक्साइटमेंट करंट 10 kA तक पहुंच सकता है। उत्तेजना शक्ति की मात्रा जनरेटर आउटपुट पावर के 0.5 और 3% के बीच होती है।
रोटर में सामान्यतः गैर-चुंबकीय सामग्री से बने कैप या पिंजरे होते हैं; इसकी भूमिका एड़ी धाराओं के लिए कम प्रतिबाधा पथ प्रदान करना है जो तब होती है जब जनरेटर के तीन चरण असमान रूप से लोड होते हैं। एसी स्थितियों में, रोटर में भंवर धाराएं उत्पन्न होती हैं, और परिणामी जूल ताप अत्यधिक स्थितियों में जनरेटर को नष्ट कर सकता है।[5]
सक्रिय भागों से गर्मी को दूर करने के लिए हाइड्रोजन गैस को बंद लूप में परिचालित किया जाता है, फिर इसे स्टेटर फ्रेम पर गैस-टू-वाटर हीट एक्सचेंजर्स द्वारा ठंडा किया जाता है। काम का दबाव 6 बार (इकाई) तक है।
ऑन-लाइन तापीय चालकता डिटेक्टर (टीसीडी) विश्लेषक का उपयोग तीन मापन श्रेणियों के साथ किया जाता है। सामान्य ऑपरेशन के समय हाइड्रोजन शुद्धता की निगरानी के लिए पहली श्रेणी (80-100% H2) है। दूसरी (0-100% H2) और तीसरी (0-100% CO2) मापने की रेंज रखरखाव के लिए टर्बाइनों को सुरक्षित रूप से खोलने की अनुमति देती है।[6]
हाइड्रोजन में बहुत कम चिपचिपाहट होती है, जो रोटर में ड्रैग लॉस को कम करने के लिए एक अनुकूल गुण है। रोटर की उच्च घूर्णी गति के कारण ये हानि महत्वपूर्ण हो सकती हैं। हाइड्रोजन शीतलक की शुद्धता में कमी से टर्बाइन में विस्कोसिटी और ड्रैग में संबंधित वृद्धि के कारण वाइंडेज हानि बढ़ जाती है। बड़े जनरेटर में हाइड्रोजन शुद्धता में 98 से 95% की गिरावट से वाइंडेज हानि 32% तक बढ़ सकती है; यह 907 मेगावाट के जनरेटर के लिए 685 किलोवाट के बराबर है।[7] वाइंडेज हानी भी जनरेटर में गर्मी की हानी को बढ़ाता है और अपशिष्ट गर्मी से निपटने की समस्या को बढ़ाता है।[8]
ऑपरेशन
वातावरण में ऑक्सीजन की अनुपस्थिति कोरोना डिस्चार्ज से वाइंडिंग इन्सुलेशन को होने वाली हानि को अधिक कम कर देती है; ये समस्यात्मक हो सकते हैं क्योंकि जनरेटर सामान्यतः उच्च वोल्टेज पर काम करते हैं, अधिकांशतः 20 केवी।[9]
सील तेल प्रणाली
बेयरिंग (मैकेनिकल) को लीक-टाइट होना चाहिए। भली भांति बंद सील, सामान्यतः तरल सील, कार्यरत है; सामान्यतः अंदर हाइड्रोजन से अधिक दबाव वाले टर्बाइन तेल का उपयोग किया जाता है। धातु, उदा। पीतल, रिंग को जनरेटर शाफ्ट पर स्प्रिंग्स (उपकरण) द्वारा दबाया जाता है, तेल को रिंग और शाफ्ट के बीच दबाव में विवश किया जाता है; तेल का भाग जनरेटर के हाइड्रोजन पक्ष में बहता है, दूसरा भाग हवा की तरफ। तेल हवा की छोटी मात्रा में प्रवेश करता है; जैसा कि तेल का पुन: परिसंचारण होता है, कुछ हवा को जनरेटर में ले जाया जाता है। यह क्रमिक वायु संदूषण निर्माण का कारण बनता है और हाइड्रोजन शुद्धता बनाए रखने की आवश्यकता होती है।[10]
इस उद्देश्य के लिए मैला ढोने वाली प्रणालियों का उपयोग किया जाता है; गैस (तेल से निकलने वाली हवा और हाइड्रोजन का मिश्रण) को सीलिंग तेल के लिए होल्डिंग टैंक में एकत्र किया जाता है, और वातावरण में छोड़ा जाता है; हाइड्रोजन के हानि की भरपाई या तो गैस सिलिन्डर से या साइट पर हाइड्रोजन जनरेटर से की जानी है। बीयरिंगों के अवक्रमण से उच्च तेल रिसाव होता है, जिससे जनरेटर में स्थानांतरित हवा की मात्रा बढ़ जाती है। प्रत्येक असर के लिए प्रवाह मीटर द्वारा तेल की खपत में वृद्धि का पता लगाया जा सकता है।[11]
सुखाना
हाइड्रोजन में पानी की उपस्थिति से बचना होगा, क्योंकि यह हाइड्रोजन के शीतलन गुणों, जनरेटर के पुर्जों के क्षरण और उच्च वोल्टेज वाइंडिंग्स में इलेक्ट्रिक आर्क का कारण बनता है, और जनरेटर के जीवनकाल को कम करता है। जलशुष्कक-आधारित ड्रायर सामान्यतः गैस परिसंचरण लूप में सम्मिलित होता है, सामान्यतः ड्रायर के आउटलेट में नमी की जांच के साथ, कभी-कभी इसके इनलेट में भी। नमी की उपस्थिति भी जनरेटर डिब्बे में हवा के रिसाव का अप्रत्यक्ष प्रमाण है।[7] अन्य विकल्प हाइड्रोजन की सफाई का अनुकूलन कर रहा है, इसलिए ओस बिंदु को जनरेटर के विनिर्देशों के भीतर रखा जाता है। टरबाइन तेल में अशुद्धता के रूप में पानी को सामान्यतः जनरेटर के वातावरण में प्रस्तुत किया जाता है; दूसरा मार्ग वाटर कूलिंग प्रणाली में लीक के माध्यम से है।[12]
शुद्ध करना
ज्वलनशीलता सीमा (सामान्य तापमान पर हवा में हाइड्रोजन का 4-75%, उच्च तापमान पर व्यापक,[13]), 571 °C पर इसका स्वत: प्रज्वलन तापमान, इसकी बहुत कम न्यूनतम ज्वलन ऊर्जा, और हवा के साथ विस्फोट मिश्रण बनाने की इसकी प्रवृत्ति, जनरेटर के भीतर हाइड्रोजन सामग्री को ऊपर या नीचे की ज्वलनशीलता सीमा से ऊपर बनाए रखने के लिए किए जाने वाले प्रावधानों की आवश्यकता होती है। हर समय, और अन्य हाइड्रोजन सुरक्षा उपाय। जब जनरेटर हाइड्रोजन से भरा होता है, तो अधिक दबाव बनाए रखना पड़ता है क्योंकि जनरेटर में हवा का प्रवाह इसके सीमित स्थान में खतरनाक विस्फोट का कारण बन सकता है।
जनरेटर के बाड़े को रखरखाव के लिए खोलने से पहले, और जनरेटर को हाइड्रोजन से भरने से पहले शुद्ध किया जाता है। शटडाउन के समय, हाइड्रोजन को अक्रिय गैस द्वारा शुद्ध किया जाता है, और फिर अक्रिय गैस को हवा से बदल दिया जाता है; स्टार्टअप से पहले विपरीत क्रम का उपयोग किया जाता है। इस उद्देश्य के लिए कार्बन डाइऑक्साइड या नाइट्रोजन का उपयोग किया जा सकता है, क्योंकि वे हाइड्रोजन के साथ ज्वलनशील मिश्रण नहीं बनाते हैं और अल्पमूल्य होते हैं। शुद्धीकरण चक्र के अंत को इंगित करने के लिए गैस शुद्धता सेंसर का उपयोग किया जाता है, जो स्टार्टअप और शटडाउन समय को छोटा करता है और शुद्धिकरण गैस की खपत को कम करता है।
कार्बन डाइऑक्साइड का पक्ष लिया जाता है क्योंकि बहुत अधिक घनत्व अंतर के कारण यह हाइड्रोजन को आसानी से विस्थापित कर देता है। कार्बन डाइऑक्साइड को पहले जेनरेटर के नीचे प्रवेश कराया जाता है, हाइड्रोजन को शीर्ष पर धकेल दिया जाता है। फिर हवा ऊपर की ओर प्रवेश करती है, नीचे कार्बन डाइऑक्साइड को बाहर धकेलती है। जेनरेटर बंद होने के साथ शुद्धिकरण सबसे अच्छा किया जाता है। यदि यह धीमी गति के अनलोड रोटेशन के समय किया जाता है, तो जनरेटर के पंखे गैसों को मिला देंगे, जिससे शुद्धता प्राप्त करने के लिए आवश्यक समय बहुत बढ़ जाएगा।
मेक-अप
जल कोशिकाओं, कम्प्रेसर और भंडारण जहाजों के इलेक्ट्रोलिसिस की सरणी वाले संयंत्र का उपयोग संकुचित हाइड्रोजन का उत्पादन अधिकांशतः साइट पर किया जाता है। यह संपीड़ित हाइड्रोजन के भंडारण की आवश्यकता को कम करता है और संबंधित सुरक्षा लाभों और कम लागत के साथ कम दबाव वाले टैंकों में भंडारण की अनुमति देता है। जनरेटर को फिर से भरने के लिए कुछ गैसीय हाइड्रोजन को रखना पड़ता है किन्तु इसे साइट पर भी उत्पन्न किया जा सकता है।
जैसा कि प्रौद्योगिकी विकसित होती है, जनरेटर डिजाइनों में हाइड्रोजन उत्सर्जन के लिए अतिसंवेदनशील सामग्री का उपयोग नहीं किया जाता है। ऐसा नहीं करने से हाइड्रोजन उत्सर्जन से उपकरण की विफलता हो सकती है।[14]
यह भी देखें
संदर्भ
- ↑ Nagano, S.; Kitajima, T.; Yoshida, K.; Kazao, Y.; Kabata, Y.; Murata, D.; Nagakura, K. (1 July 2002). "Development of world's largest hydrogen-cooled turbine generator". IEEE Power Engineering Society Summer Meeting. Vol. 2. pp. 657–663 vol.2. doi:10.1109/PESS.2002.1043376. ISBN 978-0-7803-7518-5 – via IEEE Xplore.
- ↑ "Full text of "A chronological history of electrical development from 600 B.C."". archive.org.
- ↑ "Hydrogen Cools Well, but Safety is Crucial". Power Engineering. Retrieved 8 October 2017.
hydrogen's low density, high specific heat and thermal conductivity make it a superior coolant for this application ... Hydrogen has one of the best heat transfer properties of any gas, with a specific heat of 3.4 Btu/lb-F at standard conditions. On a mass basis, hydrogen is 14 times more efficient than dry air for removing heat ... Hydrogen, as the lightest gas, has the lowest density of any stable gas. Wind resistance losses are kept to a minimum because the rotor's wind resistance in a hydrogen-cooled generator is far less than in a similarly sized air-cooled generator
- ↑ [1][permanent dead link]
- ↑ "Damper winding for turbine generator rotors". www.freepatentsonline.com.
- ↑ "Gas Analyzer constantly monitors hydrogen purity". news.thomasnet.com.
- ↑ 7.0 7.1 "Hydrogen Purity in Hydrogen-Cooled Generators" (PDF). www.gesensing.com. Archived from the original (PDF) on 2008-11-16.
- ↑ [2][permanent dead link]
- ↑ "Gas Turbines". GE Power Generation. Archived from the original on 2010-05-05. Retrieved 2010-03-10.
- ↑ "Generator Hydrogen Cooling System". www.control.com.
- ↑ "Generator Hydrogen Cooling System". www.control.com.
- ↑ "Water Contamination in Hydrogen-Cooled Generators Lurks as Serious Operational Threat". www.powergenworldwide.com.
- ↑ "Module 1: Hydrogen Properties" (PDF).
- ↑ "Lessons Learned - Hydrogen Tools". h2incidents.org.
