مولد توربيني مبرد بالهيدروجين

المولد التوربيني المبرد بالهيدروجين هو مولد توربيني يستخدم غاز الهيدروجين كمبرد . صُممت هذه المولدات لتوفير بيئة تبريد منخفضة السحب لتطبيقات التوربينات أحادية المحور والمركبة ، وذلك بالاشتراك مع التوربينات البخارية . ^{[ 1 ]} ونظرًا للتوصيل الحراري العالي للهيدروجين وخصائصه المميزة الأخرى، يُعد هذا النوع الأكثر شيوعًا في هذا المجال اليوم.

استنادًا إلى مولد التوربينات المبرد بالهواء، دخل الهيدروجين الغازي الخدمة لأول مرة كمبرد في مولد توربينات مبرد بالهيدروجين في أكتوبر 1937، في شركة دايتون للطاقة والضوء في دايتون، أوهايو . ^{[ 2 ]}

يعتمد استخدام الهيدروجين الغازي كمبرد على كثافته المنخفضة ، وحرارته النوعية العالية ، وأعلى موصلية حرارية (0.168  واط/(متر·كلفن)) بين جميع الغازات؛ فهو أفضل من الهواء في التبريد من 7 إلى 10 مرات. ^{[ 3 ]} ومن مزايا الهيدروجين الأخرى سهولة اكتشافه بواسطة أجهزة استشعار الهيدروجين . ويمكن أن يكون المولد المبرد بالهيدروجين أصغر حجمًا بكثير، وبالتالي أقل تكلفة، من المولد المبرد بالهواء. أما لتبريد الجزء الثابت، فيمكن استخدام الماء.

تم النظر في استخدام الهيليوم، الذي تبلغ موصليته الحرارية 0.142  واط/(متر·كلفن)، كمبرد أيضًا؛ ومع ذلك، فإن تكلفته العالية تعيق اعتماده على الرغم من كونه غير قابل للاشتعال. ^{[ 4 ]}

تُستخدم عمومًا ثلاث طرق للتبريد. بالنسبة للمولدات التي تصل قدرتها إلى 60  ميغاواط، يُمكن استخدام التبريد الهوائي  . أما بين 60 و450 ميغاواط، فيُستخدم التبريد بالهيدروجين. وبالنسبة للمولدات ذات القدرة الأعلى، التي تصل إلى 1800 ميغاواط، يُستخدم التبريد  بالهيدروجين والماء ؛ حيث يُبرّد الدوّار بالهيدروجين، بينما تُصنع ملفات الجزء الثابت من أنابيب نحاسية مجوفة تُبرّد بالماء المتدفق عبرها.

تُنتج المولدات جهدًا عاليًا ؛ ويعتمد اختيار الجهد على المفاضلة بين متطلبات العزل الكهربائي وقدرة تحمل التيار الكهربائي العالي. بالنسبة للمولدات التي تصل قدرتها إلى 40  ميجا فولت أمبير، يكون الجهد 6.3  كيلو فولت؛ أما المولدات الكبيرة التي تزيد قدرتها عن 1000  ميجا واط فتُنتج جهدًا يصل إلى 27  كيلو فولت؛ وتُستخدم جهود تتراوح بين 2.3 و30  كيلو فولت حسب حجم المولد. تُرسل الطاقة المُولدة إلى محول رفع الجهد قريب ، حيث تُحوّل إلى جهد خط نقل الطاقة الكهربائية (عادةً ما بين 115 و1200  كيلو فولت).

للتحكم في قوى الطرد المركزي عند سرعات الدوران العالية، لا يتجاوز قطر الدوار عادةً 1.25 متر؛ ويتم تحقيق الحجم الكبير المطلوب للملفات من خلال طولها، ولذلك يُركّب المولد أفقيًا. تعمل المولدات ثنائية الأقطاب عادةً بسرعة 3000  دورة في الدقيقة لأنظمة 50  هرتز و3600  دورة في الدقيقة لأنظمة 60  هرتز، أي نصف هذه السرعة للمولدات رباعية الأقطاب.

يحتوي المولد التوربيني أيضًا على مولد أصغر يُنتج طاقة تيار مستمر لإثارة ملف الدوار. كانت المولدات القديمة تستخدم الديناموهات وحلقات الانزلاق لحقن التيار المستمر في الدوار، لكن نقاط التلامس الميكانيكية المتحركة كانت عرضة للتآكل . أما المولدات الحديثة، فيوجد مولد الإثارة على نفس عمود التوربين والمولد الرئيسي؛ وتوجد الثنائيات اللازمة مباشرةً على الدوار. يمكن أن يصل تيار الإثارة في المولدات الأكبر حجمًا إلى 10 كيلو أمبير. وتتراوح كمية طاقة الإثارة بين 0.5 و3% من طاقة خرج المولد. 

يحتوي الدوّار عادةً على أغطية أو أقفاص مصنوعة من مواد غير مغناطيسية؛ ويتمثل دوره في توفير مسار ذي مقاومة منخفضة للتيارات الدوامية التي تحدث عندما تكون أحمال الأطوار الثلاثة للمولد غير متساوية. في مثل هذه الحالات، تتولد تيارات دوامية في الدوّار، وقد يؤدي التسخين الناتج عن تأثير جول في الحالات القصوى إلى تدمير المولد. ^{[ 5 ]}

يُضخ غاز الهيدروجين في دائرة مغلقة لإزالة الحرارة من الأجزاء الفعالة، ثم يُبرد بواسطة مبادلات حرارية من نوع غاز-ماء على هيكل الجزء الثابت . ويصل ضغط التشغيل إلى 6 بار . 

يُستخدم محلل كاشف التوصيل الحراري (TCD) المتصل بالإنترنت بثلاثة نطاقات قياس. النطاق الأول (80-100% هيدروجين ₎ يُستخدم لمراقبة نقاء الهيدروجين أثناء التشغيل العادي. أما النطاقان الثاني (0-100% هيدروجين ₎ والثالث (0-100% من غاز خامل مُختار، عادةً _ثاني أكسيد الكربون أو النيتروجين ₎ فيتيحان فتح التوربينات بأمان لأغراض الصيانة. ^{[ 6 ]}

يتميز الهيدروجين بلزوجة منخفضة للغاية ، وهي خاصية مفيدة لتقليل فقدان الطاقة الناتج عن الاحتكاك في الدوّار. قد تكون هذه الخسائر كبيرة نظرًا لسرعة دوران الدوّار العالية. يؤدي انخفاض نقاء الهيدروجين المستخدم كمبرد إلى زيادة فقدان الطاقة الناتج عن الاحتكاك الهوائي في التوربين بسبب الزيادة المصاحبة في اللزوجة والاحتكاك. يمكن أن يؤدي انخفاض نقاء الهيدروجين بنسبة قليلة فقط إلى زيادة فقدان الطاقة الناتج عن الاحتكاك الهوائي بمئات الكيلوواط في مولد كبير. ^{[ 7 ]} كما يزيد فقدان الطاقة الناتج عن الاحتكاك الهوائي من فقدان الحرارة في المولد، مما يزيد من مشكلة التعامل مع الحرارة المهدرة. ^{[ 8 ]}

يؤدي غياب الأكسجين في الغلاف الجوي إلى تقليل الضرر الذي يلحق بعزل الملفات من التفريغات الإكليلية بشكل كبير ؛ ويمكن أن تكون هذه التفريغات مشكلة لأن المولدات تعمل عادةً بجهد عالٍ ، وغالبًا ما يكون 20  كيلو فولت. ^{[ 9 ]}

• الجدول الزمني لتقنيات الهيدروجين
• محرك نفاث مبرد مسبقًا

• المولد التوربيني – تحدٍ هندسي مستمر