ژنراتورهای‌ توربینی‌ در بیش‌ از ۱۰۰ سال‌ پیش‌ كه‌ برای‌ اولین‌ بار وارد عرصه‌ كاری‌شدند با هوا خنك‌ می‌شدند. با این‌ حال‌ همچنان‌ كه‌ خروجی‌ واحد ژنراتور افزایش‌ پیدا كردنیاز به‌ خنك‌كنندگی‌ موثر افزایش‌ یافت‌.
این‌ نیاز منجر به‌ تكمیل‌ ژنراتورهایی‌ شد كه‌ باهیدروژن‌ و آب‌، خنك‌ می‌شدند. هدایت‌ حرارتی‌ هیدروژن‌، هفت‌ برابر هوا بوده‌ و با همان‌فشار مطلق‌، چگالی‌ آن‌ یك‌ دهم‌ هواست‌.
پیش‌ از انتخاب‌ نوع‌ سیستم‌خنك‌كنندگی‌ مورد استفاده‌ برای‌ ژنراتور، دوموضوع‌ عمده‌ وجود دارد كه‌ عبارتند از:اندازه‌ مگاولت‌ آمپر ژنراتور و یك‌ سایت‌ هوابا كیفیت‌ خوب‌.
با وجود این‌ كه‌خنك‌كنندگی‌ با هوا نوعا برای‌ واحدهای‌كوچكتر استفاده‌ می‌شود هم‌ اكنون‌ اصلاح‌فن‌آوریهای‌ جدید به‌ هوا این‌ امكان‌ رامی‌دهد تا برای‌ ژنراتورهایی‌ كه‌ حداكثر۳۰مگاولت‌ آمپر ظرفیت‌ دارند مورد استفاده‌قرار گیرد. سیستمهای‌ هوا،هیدروژن‌، خنك‌كنندگی‌ هیدروژنی‌ داخلی‌ وسیستم‌ خنك‌كنندگی‌ هیدروژن‌ و آب‌ را كه‌توسط شركتهای‌ زیمنس‌ و وستینگهاوس‌برای‌ اندازه‌های‌ مختلف‌ ژنراتورها انجام‌شده‌ است‌ مقایسه‌ می‌كند.
ژنراتورهای‌ الكتریكی‌، حجم‌ زیادی‌ ازهوا را مصرف‌ می‌كنند. در جایی‌ كه‌ كیفیت‌هوا مساله‌ ساز نیست‌ ژنراتورها با سیستم‌خنك‌كنندگی‌ هوای‌ باز كه‌ بازده‌ بالایی‌ از نظرفیلتراسیون‌ و آب‌ بندی‌ محوری‌ تحت‌ فشاردارند بهترین‌ انتخاب‌ و همچنین‌ دارای‌حداقل‌ هزینه‌ است‌.
سایتهای‌ نیروگاه‌ قدرت‌ كه‌ دارای‌ ذرات‌ریز و سولفور قابل‌ ملاحظه‌ هستند بایدژنراتورهایی‌ را كه‌ خنك‌كنندگی‌ آنها با آب‌ وهوای‌ محبوس‌ انجام‌ می‌شود مورد بررسی‌قرار دهند. این‌ ژنراتورها چنانچه‌ دارای ‌سیستم‌ خنك‌ كنندگی‌ با آب‌ و آب‌ بندی‌محوری‌ تحت‌ فشار با فیلترهای‌ هوای‌جبرانی‌ باشند از نظر فیزیكی‌ بزرگتر هستند.ژنراتورهایی‌ كه‌ خنك‌كنندگی‌ آنها با آب‌ وهوای‌ محبوس‌ صورت‌ می‌گیرد ازژنراتورهایی‌ كه‌ خنك‌كنندگی‌ آنها با هوای‌ بازانجام‌ می‌شود گران‌تر بوده‌ و بازده‌ كمتری‌ نیزدارند.
با این‌ همه‌ در حالی‌ كه‌ ذرات‌ ریز، یك‌موضوع‌ قابل‌ بررسی‌ است‌ و وقتی‌ كه‌مساله‌ای‌ از نظر ذخیره‌سازی‌ هیدروژن‌ درنیروگاه‌ وجود ندارد عموما ژنراتورهایی‌ كه‌ باهیدروژن‌ خنك‌ می‌شوند انتخاب‌ مناسبی‌ به‌نظر می‌رسد. با وجود آن‌ كه‌ این‌ نوع‌ ازژنراتور گرانترین‌ نوع‌ است‌ ولی‌ بالاترین‌بازده‌ را دارد.
● سیستمهای‌ خنك‌ كنندگی‌
طراحی‌ واحدهایی‌ كه‌ با هیدروژن‌خنك‌ می‌شوند در مقایسه‌ با ژنراتورهایی‌ كه‌با هوا خنك‌ می‌شوند پیچیده‌تر است‌.سیستمهایی‌ كه‌ با هیدروژن‌ خنك‌ می‌شوندبه‌ محفظه‌ای‌ كه‌ در مقابل‌ فشار مقاوم‌ باشد ونیز به‌ آب‌ بندی‌ خاص‌ و یك‌ دستگاه‌ تهویه‌گازی‌ نیاز دارند. علاوه‌ بر آن‌ سیستمهایی‌ كه‌با هیدروژن‌ خنك‌ می‌شوند قبل‌ از آن‌ كه‌برای‌ تعمیر و نگهداری‌ از سرویس‌ خارج‌شوند باید با دی‌ اكسید كربن‌ پاكسازی‌ شوند.
همچنین‌ قبل‌ از آن‌ كه‌ مجددٹ از هیدروژن‌ پرشوند و به‌ سرویس‌ بازگردند لازم‌ است‌ بادی‌اكسید كربن‌ پاكسازی‌ شوند. با وجود آن‌كه‌ ژنراتورهایی‌ كه‌ با هوا خنك‌ می‌شوند ازنظر فیزیكی‌ بزرگتر از ژنراتورهایی‌ هستند كه‌با هیدروژن‌ خنك‌ می‌شوند، با اندازه‌ یكسان ‌دارای‌ هزینه‌ اولیه‌ كمتری‌ هستند. به‌ علاوه‌تعمیر آنها ساده‌تر و با هزینه‌ كمتر است‌.ژنراتورهای‌ بزرگی‌ كه‌ با هوا خنك‌ شده‌ ومتعلق‌ به‌ شركت‌ آلستوم‌ هستند عمومٹمجهز به‌ سیستم‌ خنك‌كنندگی‌ آب‌ - هوای ‌محبوس‌ (TEWAC) هستند.
در سیستم‌خنك‌كنندگی‌ آب‌ - هوا، ژنراتور به‌ وسیله‌هوا خنك‌ می‌شود. هوای‌ گرم‌ پس‌ از آن‌ كه‌در خنك‌كن‌های‌ آب‌ - هوا سرد شد مجددٹوارد سیكل‌ می‌شود. در این‌ واحدهاهادیهای‌ سیم‌پیچ‌ میدان‌ روتور تو خالی‌ بوده‌و به‌ صورت‌ محوری‌ خنك‌ می‌شوند.
برخلاف‌ بخش‌ فعال‌ ژنراتورهای‌ قدیمی‌ كه‌ باهوا خنك‌ می‌شوند، سیم‌پیچهای‌ میدان‌جدیدتر در هر ماشین‌ دارای‌ دو بخش‌خنك‌كن‌ است‌. در بخش‌ اول‌ جریان‌ هوا اززیر استوانه‌ انتهایی‌ می‌گذرد و قبل‌ از خروج‌به‌ داخل‌ هادی‌ تو خالی‌ جریان‌ پیدا می‌كند.جریان‌ هوای‌ خنك‌ كن‌ برای‌ بخش‌ دوم‌ ازطریق‌ یك‌ شیار فرعی‌ كه‌ در زیر سیم‌ پیچ‌تعبیه‌ شده‌ است‌ صورت‌ می‌گیرد.
هسته‌ استاتور كه‌ به‌ شكل‌ محوری‌ به‌اتاقهایی‌ تقسیم‌ شده‌ است‌ هوای‌ خنك‌ كننده‌برای‌ استاتور را فراهم‌ می‌آورد. این‌ كار باجریان‌ متناوب‌ هوا به‌ داخل‌ و به‌ بیرون‌اتاقكهای‌ تهویه‌ انجام‌ می‌شود.
تولیدكنندگان‌ با اضافه‌ كردن‌ اتاقكهای‌تهویه‌ بیشتر نسبت‌ به‌ ماشینهای‌ ژنراتور كوتاهتر قدیمی‌ توانسته‌اند میزان‌خنك‌كنندگی‌ ژنراتور را بهینه‌ كنند. طبق‌گزارش‌ آلستوم‌، بهینه‌ سازی‌ خنك‌كنندگی‌ واین‌ واقعیت‌ كه‌ هم‌ اكنون‌ خروجیهای‌بیشتری‌ برای‌ هوای‌ خنك‌ كن‌ روتور وجوددارد توزیع‌ دما در سیم‌پیچ‌ استاتور و هسته‌را یكنواخت‌ كرده‌ است‌.
● شكستن‌ مانع‌ ۳۰۰ كیلوولت‌ آمپری‌
انجام‌ اصلاحات‌، طی‌ چند سال‌ اخیر برروی‌ طراحی‌ ژنراتورهایی‌ كه‌ با هوا خنك‌می‌شوند سبب‌ شده‌ است‌ كه‌ واحدهایی‌تولید شود كه‌ تا چند سال‌ گذشته‌ فقط باژنراتورهایی‌ كه‌ با هیدروژن‌ خنك‌ می‌شوند امكان‌پذیر بود. درطول‌ چهار دهه‌ گذشته‌ظرفیت‌ ژنراتورهایی‌ كه‌ با هوا خنك‌می‌شوند از ۹۰ مگاولت‌ آمپر به‌ بیش‌ از ۳۰۰مگاولت‌ آمپر افزایش‌ یافته‌ است‌.
یكی‌ از تولیدكنندگان‌ (آلستوم‌) خروجی‌ژنراتورهایی‌ كه‌ با هوا خنك‌ می‌شوند را تا۳۳ درصد افزایش‌ داده‌ است‌.
این‌ كار باافزایش‌ قطر روتور و طول‌ فعال‌ آن‌ به‌ میزان‌۱۰ درصد اجرا شده‌ است‌. افزایش‌ خطی‌ژنراتور نیز حجم‌ Slot (یكی‌ از شیارهای‌نگهدارنده‌ رسانا در سطح‌ روتور یا استاتوریك‌ ماشین‌ گردنده‌ الكتریكی‌) را بزرگتر كرده‌و در نتیجه‌ سیم‌پیچهای‌ بیشتری‌ قابل‌ اضافه‌كردن‌ بود.
متاسفانه‌ وقتی‌ قطر روتور افزایش‌ داده‌می‌شود اتلاف‌ سیم‌پیچ‌ نیز افزایش‌ می‌یابد.بخش‌ قابل‌ توجهی‌ از اتلاف‌ سیم‌ پیچی‌ناشی‌ از اصطكاك‌ سطح‌ است‌.
ژنراتورها دیگری‌ كه‌ توسط آلستوم‌تكمیل‌ شده‌ یك‌ ماشین‌ ۵۰ هرتز ۵۰۰مگاولت‌ آمپری‌ است‌. این‌ ماشین‌ یك‌پیشرفت‌ عمده‌ در فن‌ آوری‌ ژنراتورهایی‌ كه‌با هوا خنك‌ می‌شوند بوده‌ و خنك‌كنندگی‌آن‌ به‌ شكل‌ معكوس‌ امکان پذیر شد.
درخنك‌كنندگی‌ معكوس‌، فنها در بالا دست‌كولر قرار می‌گیرند و به‌ این‌ ترتیب‌ بخش‌فعال‌ ژنراتور به‌ طور مستقیم‌ و بدون ‌هیچ‌گونه‌ پیش‌ گرمایشی‌ از هوایی‌ كه‌ ازكولرها می‌آید بهره‌مند می‌شود. هوایی‌ كه‌ به‌طور مستقیم‌ از فنها تامین‌ شده‌ است‌همچنان‌ كه‌ از درون‌ فن‌ عبور می‌كند،پیش‌گرم‌ می‌شود.
هوا در پایین‌ دست‌ كولرها در ابتدا ازیك‌ ناحیه‌ مخلوط عبور می‌كند كه‌ توزیع ‌همگنی‌ از هوای‌ سرد را به‌ ورودی‌ ژنراتورمی‌رساند. حتی‌ اگر یك‌ كولر، خارج‌ ازسرویس‌ باشد این‌ نوع‌ از خنك‌كنندگی‌ به‌ژنراتور این‌ امكان‌ را می‌دهد كه‌ با۷۵ درصداز خروجی‌ اسمی‌ خود كار كند.
محفظه‌ ژنراتور ۵۰۰ مگاولت‌ آمپرآلستوم‌ كه‌ با هوا خنك‌ می‌شود كاملاجوشكاری‌ شده‌ و دارای‌ یاتاقانهایی‌ است‌ كه‌بر روی‌ محفظه‌ای‌ نصب‌ شده‌ و از یك‌سیستم‌ خنك‌كننده‌ بسته‌ استفاده‌ می‌كند.ابتكار طراحی‌ عمده‌ دیگر آن‌ است‌ كه‌ژنراتور با راه‌ آهن‌ قابل‌ حمل‌ونقل‌ است‌.
● بررسی‌ اصلاحات‌
در حالی‌ كه‌ بیش‌ از ۲۰ سال‌ از كار اغلب‌نیروگاههای‌ قدرت‌ ایالات‌متحده‌ می‌گذرد متخصصان‌ نیروگاههای‌ تولید برق‌ در جست‌و جوی‌ راههایی‌ بوده‌اند تا قابلیت‌ اعتماد ودر دسترس‌ بودن‌ ژنراتورهای‌ قدیمی‌ رابهبود بخشند. غیر از جایگزینی‌ ژنراتورها،برخی‌ از ژنراتورهای‌ قدیمی‌تر را معمولا می‌توان‌ با سیم‌ پیچی‌ مجدد استاتورها ونوكردن‌ exciter (ژنراتور كمكی‌ كوچكی‌ كه‌جریان‌ میدانی‌ لازم‌ را برای‌ ژنراتوری‌ باجریان‌ متناوب‌ فراهم‌ می‌كند) اصلاح‌ كرد.
دبلیوجی‌ مور مدیر مهندسی‌ كویل‌برق‌ ملی‌ در كلمبوس‌ اوهایو می‌گوید كه‌ درهنگام‌ اصلاح‌ و بازسازی‌ ژنراتورهای‌الكتریكی‌، یكی‌ از اولین‌ مراحل‌، آن‌ است‌ كه‌شرایط فورجینگ‌ روتور ارزیابی‌ شود.
در غیر از مواردی‌ كه‌ مسائل‌ جدی‌ بروز كندجایگزین‌ كردن‌ روتور، لازم‌ نیست‌. هرگونه‌تركی‌ كه‌ در سوراخها پیدا شود عموما ازفركانس‌ پایین‌ و ناشی‌ از تنشهای‌ چرخشی‌در اثنای‌ شروع‌ بكار و توقف‌ واحد است‌.
با این‌ همه‌ چنین‌ تركهایی‌ را نباید نادیده‌گرفت‌ چرا كه‌ می‌توانند منجر به‌ گسیختگی‌كاتاستروفیك‌ روتور شوند. به‌ گفته‌ >مور<قبل‌ از بازگرداندن‌ یك‌ روتور قدیمی‌تر به‌سرویس‌ باید سوراخها به‌ طور كامل‌ بازرسی‌شوند تا شرایط كیفی‌ آنها برای‌ كاركرددرازمدت‌ تایید شود.
علاوه‌ بر بازرسی‌ چشمی‌ سوراخ‌،آزمایشهای‌ مغناطیسی‌ و ماورای‌ بنفش‌UT)) نیز باید اجرا شود. هرگونه‌ مسأله‌سطحی‌ را می‌توان‌ با سنگ‌ زدن‌ سوراخ‌،اصلاح‌ كرد. با این‌ حال‌، تركهای‌ عمیق‌تر بایدبا سوراخ‌ كردن‌ برداشته‌ شوند.
محلهای‌ دندانه‌ دار روتور می‌تواند درشعاعهای‌ ماهیچه‌ای‌ بالای‌ دندانه‌، ایجادترك‌ كند. این‌ سوراخها را می‌توان‌ با بازرسی‌چشمی‌، آزمایش‌ با جریان‌ گردابی‌ (آزمایش‌غیر تخریبی‌ كه‌ در آن‌ تغییر امپدانس‌ یك‌كویل‌ آزمایش‌ كه‌ به‌ نزدیك‌ نمونه‌ هادی‌آورده‌ شده‌ است‌ جریانهای‌ گردابی‌ ایجادشده‌ به‌ وسیله‌ كویل‌ را از خود نشان‌ می‌دهدو در نتیجه‌ برخی‌ از خواص‌ یا معایب‌ نمونه‌را آشكار می‌كند)، نافذ رنگی‌ (مایعی‌ دارای‌رنگ‌ كه‌ برای‌ تشخیص‌ تركها یا سایر معایب‌سطحی‌ مواد غیر مغناطیسی‌ بكار می‌رود) ویا با آزمایش‌ ذرات‌ مغناطیسی‌ مرطوب‌،آشكار كرد.
با این‌ همه‌ >مور< می‌گوید: >هیچ‌گزارشی‌ از وقفه‌ اجباری‌ ناشی‌ از تركهای‌دندانه‌دار، ثبت‌ نشده‌ است‌. تركهای‌ كوچك‌را می‌توان‌ با بزرگ‌ كردن‌ شعاع‌ ماهیچه‌،برداشت‌ به‌ طور ی‌ كه‌ در عین‌ حال‌ تركهای‌بزرگتر نیاز به‌ برداشتن‌ بالای‌ دندانه‌ها وسپس‌ بازسازی‌ یك‌ حلقه‌ حایل‌ طولانی‌تردارند<.
هنگامی‌ كه‌ رطوبت‌، وجود داشته‌ باشد حلقه‌های‌ حایل‌ غیر مغناطیسی‌ از جنس‌۵Cr ۱۸Mn نسبت‌ به‌ تنش‌ ترك‌ خوردگی‌تاثیر پذیرند و در اثنای‌ هر گونه‌ اصلاح‌ژنراتور باید تعویض‌ شوند. معمولا این‌ نوع‌حلقه‌ها با حلقه‌هایی‌ از جنس‌۱۸ Cr ۱۸Mn تعویض‌ می‌شوند. طبق‌گزارش‌ G.E. فولاد ضد زنگ‌ غیر مغناطیسی‌۱۸-۱۸ نسبت‌ به‌ تنش‌ ترك‌ خوردگی‌ مقاوم‌است‌.
ترك‌ خوردگی‌ شیار فنری‌ شبه‌ بست‌(نوعی‌ فنر كه‌ به‌ عنوان‌ بست‌ استفاده‌می‌شود) به‌ وسیله‌ نیروهای‌ متناوب‌ حلقه‌حایل‌ مخروطی‌ در حال‌ كشش‌ بالای‌دندانه‌ها ایجاد می‌شود (شكل‌ ۲). با این‌وجود >مور< می‌گوید: این‌ تركها به‌ سادگی‌ بایك‌ آزمایش‌ نفوذ پذیری‌ فلورسنت‌ مغناطیسی‌ مرطوب‌، آشكار می‌شوند. مشابه‌ترك‌ خوردگی‌ دندانه‌ روتور، تركهای‌ درون‌شیار فنر شبه‌ بست‌ را می‌توان‌ با بزرگ‌ كردن‌شعاع‌، اصلاح‌ كرد.
● سیم‌ پیچها و عایق‌ بندی‌
سیم‌ پیچهای‌ مسی‌ روتور، عمرنامحدودی‌ دارند ولی‌ وقتی‌ كه‌ یك‌ روتورتحت‌ تاثیر گرمای‌ بیش‌ از حد قرار گیرد،مس‌، نرم‌ می‌شود. اگر مس‌ بیش‌ از حد نرم‌شده‌ باشد، آزمایش‌، سختی‌ آن‌ را تعیین‌خواهد كرد. >مور< می‌گوید: بازرسی‌ چشمی‌باید هرگونه‌ اعوجاج‌ اضافی‌ را مشخص‌ كند.
ترك‌ خوردگی‌ درپیچهای‌ مسی‌ روتور درروتورهایی‌ كه‌ روی‌ حلقه‌های‌ حایل‌ آن‌محور كوتاهی‌ نصب‌ شده‌ باشد عادی‌ است‌.
این‌ ترك‌ خوردگیها را می‌توان‌ با یك‌ آزمایش‌نافذ رنگی‌ بررسی‌ كرد. سیم‌ پیچهای‌ مسی‌باز پخت‌ شده‌ با مقاومت‌ كم‌ كه‌ در واحدهای ‌قدیمی‌ نصب‌ شده‌اند باید با نوعی‌ مس‌ بامقاومت‌ بیشتر جابه‌جا شوند. طبق‌ گفته‌>مور< این‌ ماده‌ (مس‌ با مقاومت‌ بیشتر)نسبت‌ به‌ تغییر شكل‌، مقاوم‌ است‌. متاسفانه‌یك‌ سیم‌ پیچ‌ باز پیچیده‌ شده‌ جدید مسی‌ ازمسهای‌ قدیمی‌ كه‌ مجددا استفاده‌ شده‌ باشدگرانتر است‌.
اصلاحاتی‌ كه‌ در عایق‌ بندی‌ و صفحات‌لغزش‌ از جنس‌ ماده‌ای‌ با ضریب‌ اصطكاك‌ كم‌ انجام‌ شده‌ است‌ اعوجاج‌ سیم‌پیچهای‌روتور را به‌ حداقل‌ رسانده‌ و كاركردژنراتورها را اصلاح‌ كرده‌ است‌ برخلاف‌سیم‌پیچهای‌ روتوری‌ كه‌ به‌ صورت‌ اقتصادی‌مجددا پیچیده‌ شده‌ باشند عموما با سیم‌پیچهای‌ استاتور جایگزین‌ می‌شوند. باپیشرفتهایی‌ كه‌ هم‌ اكنون‌ در سیستمهای‌عایق‌ بندی‌ انجام‌ شده‌، عایق‌بندی‌ كمتری‌مورد نیاز است‌.
كاربرد ژنراتورهای‌ الكتریكی‌ دراثردرجه‌ حرارت‌ حداكثر مجاز رساناهای‌ مسی‌در سیم‌ پیچهای‌ استاتور و نیز دراثر انتقال‌حرارت‌ در درون‌ عایق‌بندی‌، محدود شده‌است‌. با این‌ وجود كاركرد ژنراتور در درجه‌ حرارتهای‌ بالاتر برای‌ مس‌های‌ هادی‌ درهنگامی‌ امكان‌پذیر است‌ كه‌ كلاس‌ حرارتی‌بالاتری‌ برای‌ ماده‌ عایق‌ بندی‌، استفاده‌ شده‌باشد.
واضح‌ است‌ كه‌ با كاركرد ژنراتور دردرجه‌ حرارتهای‌ بالاتر، خروجی‌ ژنراتور افزایش‌ پیدا می‌كند. هم‌ اكنون‌ برای‌ كاركردژنراتور در درجه‌ حرارتهای‌ بالاتر، موادجدیدی‌ وجود دارد. به‌ دلیل‌ این‌ كه‌عایق‌بندی‌ جدید، مقاومت‌ حرارتی‌ كمتری‌دارد انتقال‌ حرارت‌ میله‌های‌ استاتور، بهبودپیدا كرده‌ و خروجی‌ ژنراتور افزایش‌ می‌یابد.
با وجود آن‌ كه‌ برای‌ ژنراتورهای‌ بزرگترهنوز هم‌ روش‌ خنك‌ كنندگی‌ به‌ وسیله‌هیدروژن‌ مورد استفاده‌ قرار می‌گیرداصلاحات‌ اخیر در سیستمهای‌ خنك‌كنندگی‌با هوا و همچنین‌ عایق‌ بندی‌ به‌ روش‌ خنك‌كنندگی‌ با هوا اجازه‌ داده‌ است‌ تا باسیستمهای‌ خنك‌كنندگی‌ به‌ وسیله‌ هیدروژن‌برای‌ ژنراتورهایی‌ كه‌ حداكثر ظرفیت‌ آنها۵۰۰ مگاولت‌آمپر است‌ رقابت‌ كنند.
طبق‌نظر سازندگان‌، استفاده‌ از ژنراتورهایی‌ كه‌ باهوا خنك‌ می‌شوند و ظرفیتشان‌ بیش‌ از۵۰مگاولت‌ آمپر باشد موضوعی‌ است‌ كه‌فقط زمان‌، آن‌ را حل‌ خواهد کرد.
منبع:
برگردان‌: فریدون‌ تازه‌زاده‌
بانک اطلاعات مهندسی برق