Test di Tenuta dell'Aria dello Statore del Generatore

Ruolo del Test di Tenuta nei Generatori Raffreddati a Idrogeno

Nei grandi turbogeneratori, il test di tenuta all'aria non è un semplice controllo "la pressione è calata o no?". In particolare nelle macchine raffreddate a idrogeno, questo test è il metodo pratico per verificare se il generatore trattiene il gas in modo sicuro. Nei generatori di alta potenza utilizzati in turbine a gas, turbine a vapore e centrali a ciclo combinato, si genera calore significativo nella zona di statore e rotore. Questo calore deve essere rimosso in modo stabile; altrimenti l'isolamento invecchia, le temperature degli avvolgimenti aumentano e la capacità di carico diminuisce.

La scelta dell'idrogeno non è casuale. La sua conducibilità termica è nettamente superiore a quella dell'aria. Per dare valori indicativi, la conducibilità termica dell'idrogeno è circa 0,168 W/(m·K); nell'aria è circa 0,026 W/(m·K). Quindi l'idrogeno trasporta il calore molto più facilmente a parità di volume. Inoltre, la sua densità è molto bassa. A 0 °C e 1 atm, la densità dell'idrogeno è circa 0,09 kg/m³, mentre quella dell'aria è circa 1,29 kg/m³. Quando il rotore ruota, si generano perdite per attrito e ventilazione nel gas; la bassa densità offre un vantaggio in questo senso.

In pratica, l'idrogeno raffredda bene e riduce la resistenza del gas sulla parte rotante. Nelle macchine grandi, questa differenza si avverte in termini di efficienza, temperatura e capacità di carico.

Ma l'idrogeno ha anche un lato critico. Se mescolato con l'aria in determinate proporzioni, può formare miscele infiammabili ed esplosive. Si considera rischiosa una concentrazione di idrogeno nell'aria compresa tra circa il 4% e il 75%. Per questo motivo, prima del riempimento con idrogeno, vengono testati in modo quanto più affidabile possibile il corpo, i collegamenti, le guarnizioni, la zona del refrigeratore, il sistema dell'olio di tenuta e il circuito del gas. Non si tratta solo di costi del gas. È una questione di sicurezza.

Perché il test viene spesso eseguito con aria?

Il primo controllo dopo la messa in servizio o la manutenzione di solito non viene effettuato con idrogeno. Il sistema viene pressurizzato prima con aria o, secondo procedura, con un gas inerte appropriato. L'obiettivo è verificare se il corpo e il circuito del gas mantengono la pressione. Se il test è accettabile, si applicano le fasi di spurgo; l'aria viene rimossa, si utilizza il gas intermedio necessario e il sistema viene preparato per il funzionamento a idrogeno.

Questa sequenza può variare a seconda del produttore. Nei documenti di produttori come GE, Siemens, Alstom o Mitsubishi, volume, pressione di prova, tempo di attesa, limite di accettazione e fasi di spurgo possono essere definiti diversamente. Tuttavia, la logica pratica rimane: prima di immettere idrogeno, si verifica il comportamento di tenuta del sistema.

Se la perdita è elevata con idrogeno presente, diverse cose peggiorano contemporaneamente. Il consumo di gas aumenta. La purezza dell'idrogeno può diminuire. Il sistema dell'olio di tenuta è più sollecitato. In alcune zone si crea il rischio di accumulo di idrogeno. Se c'è ingresso di umidità e aria, anche le prestazioni di raffreddamento si deteriorano. Poi iniziano le domande: "perché il generatore funziona caldo?" A volte la risposta non è dalla parte elettrica, ma da quella del gas.

La Logica del Gas Dietro la Misurazione

Nei test di tenuta, la differenza di pressione sembra a prima vista il dato più evidente. Se all'inizio si vedono 300 kPa e alla fine 290 kPa, si dice "è calata di 10 kPa". Ma questa affermazione da sola è incompleta. Perché la pressione del gas varia con la temperatura.

Se il gas si raffredda, la pressione diminuisce. Se il gas si riscalda, la pressione aumenta. Anche senza perdite, una variazione di temperatura crea movimento sul manometro. Per questo motivo, nel calcolo della perdita dello statore, la pressione non va letta da sola, ma insieme alla temperatura.

Alla base del calcolo c'è questo rapporto:

Qui la pressione dello statore non viene utilizzata da sola; viene valutata insieme alla pressione atmosferica. Perché la pressione dello statore letta in campo è spesso una pressione relativa. Cioè il valore al di sopra della pressione atmosferica. Per avvicinarsi alla pressione assoluta, si aggiunge la pressione atmosferica:

In una centrale vicino al livello del mare, l'approccio "prendi 100 kPa e vai" a volte non crea grossi problemi. Ma in un sito ad alta quota o in un test di accettazione sensibile, questa abitudine falsa il calcolo. Se la pressione barometrica è effettivamente intorno a 88-90 kPa, inserire 100 kPa non è un arrotondamento innocuo.

Lo stesso vale per la temperatura. Se il corpo dello statore si sta ancora raffreddando dopo la manutenzione, un test effettuato prima che l'equilibrio termico si sia stabilito misura più la transizione termica che la perdita. Sulla carta la formula funziona correttamente; se i dati sono scadenti, il risultato è comunque scadente.

Può esserci perdita anche quando la pressione aumenta?

Sì, in alcuni esempi la pressione finale appare più alta di quella iniziale, ma l'effetto della temperatura è ancora maggiore, quindi il calcolo mostra comunque una perdita di gas. È possibile anche il contrario. La pressione diminuisce leggermente, ma anche la temperatura è diminuita; in questo caso la perdita reale potrebbe essere inferiore alla differenza di pressione nuda.

Per questo motivo, prendere una decisione scrivendo solo la pressione sul modulo di test è frettoloso. Pressione, pressione atmosferica, temperatura e tempo devono essere letti insieme. Qui sta la logica del test.

Dati Utilizzati nel Calcolo

Il volume del gas dello statore rappresenta il volume chiuso testato. Nel calcolatore, come informazione di aiuto, si indica che con rotore presente si può utilizzare generalmente 110 m³, senza rotore 120 m³. Questo è un buon promemoria pratico, ma non è il valore esatto. Anche tra due generatori della stessa classe di potenza, il volume del corpo, la disposizione del refrigeratore e la geometria interna possono differire. È necessario utilizzare il volume indicato nel foglio di prova del produttore.

Anche l'intervallo di tempo influenza direttamente il risultato. Test brevi amplificano l'errore di misura. Ad esempio, in un test di 10 minuti, una differenza di lettura di 1 kPa può trasformarsi in un grande valore di perdita giornaliera. Un test più stabile di alcune ore di solito appare più affidabile. Naturalmente, anche in questo caso la temperatura del sistema deve essersi stabilizzata.

Per l'inizio e la fine vengono presi tre valori ciascuno: pressione relativa dello statore, pressione atmosferica e temperatura dello statore. Questi devono essere letti contemporaneamente o in tempi molto ravvicinati. In campo, a volte vengono prima annotate le pressioni, poi si gira per prendere le temperature. Se la temperatura della macchina sta cambiando, anche questo piccolo ritardo si riflette nel verbale di prova.

È necessario prestare attenzione all'unità di pressione. Se nel campo della pressione dello statore viene inserita la pressione assoluta, la pressione atmosferica viene aggiunta una seconda volta. Questo errore gonfia il risultato. La pressione dello statore prevista dal calcolatore è la pressione relativa; la pressione atmosferica viene inserita separatamente.

Anche per la temperatura è importante la rappresentatività. Nei corpi grandi, la temperatura di un singolo punto a volte potrebbe non essere sufficiente. Se la procedura di prova richiede più punti di temperatura, è necessario utilizzare una temperatura media o rappresentativa definita. La comodità di "mettiamo 20 °C" non è sempre corretta.

Formula e Scenario da 110 m³

La formula principale nel calcolatore ha questa struttura:

In questa formula, \(Q\) fornisce il tasso di perdita di gas. \(V_1\) è il volume del gas dello statore. \(P_1\) e \(P_2\) sono le pressioni relative dello statore all'inizio e alla fine del test. \(B_1\) e \(B_2\) sono le pressioni atmosferiche negli stessi istanti. \(T_1\) e \(T_2\) sono le temperature iniziale e finale. \(h\) è la durata del test.

Supponiamo di eseguire un test di 1 ora su un generatore con volume 110 m³, considerato con rotore installato. All'inizio, pressione statore 300 kPa, pressione atmosferica 100 kPa, temperatura statore 20 °C. Alla fine, pressione statore 290 kPa, pressione atmosferica ancora 100 kPa e temperatura ancora 20 °C. Il primo controllo è:

Poiché la temperatura è rimasta la stessa, questo esempio è relativamente semplice. La diminuzione di pressione viene interpretata direttamente come perdita di gas. Ma nella realtà, la maggior parte dei test non è così pulita. La temperatura iniziale potrebbe essere 23 °C e quella finale 27 °C. Oppure il corpo si raffredda lentamente durante il test. Ecco perché il calcolatore include la temperatura nella formula.

Nello scenario di test fornito, il volume dello statore è 110 m³, la durata 7,5 ore, i valori iniziali P₁ = 502,61 kPa, B₁ = 100,38 kPa, T₁ = 23,75 °C; i valori finali P₂ = 507,6 kPa, B₂ = 100,3 kPa, T₂ = 26,72 °C. Come si nota, la pressione finale dello statore è più alta. Tuttavia, poiché anche la temperatura è aumentata, l'interpretazione della quantità di gas non può basarsi solo sull'aumento di pressione. Questo è un buon esempio di test; tiene lontani dalla routine.

Interpretazione del Risultato in Campo

Quando il tasso di perdita di gas viene convertito in un valore come m³/giorno, diventa facile confrontare test eseguiti in tempi diversi. Non è corretto mettere a confronto un test di 2 ore con uno di 8 ore basandosi solo sulla differenza di pressione nuda. L'equivalente di perdita giornaliera è utile per questo.

Tuttavia, non ci si dovrebbe aspettare che il risultato prenda una decisione da solo. Il limite di accettazione è definito nella procedura del produttore, nelle istruzioni operative della centrale o nel piano di test di manutenzione. Un valore di perdita considerato accettabile per un generatore potrebbe essere considerato eccessivo per un'altra macchina. Il volume del corpo, la pressione di esercizio dell'idrogeno, il sistema dell'olio di tenuta, la configurazione del refrigeratore e l'età della macchina influenzano il risultato.

Se in esercizio con idrogeno c'è una perdita elevata, prima di tutto aumenta il consumo di gas. L'operatore lo nota dalla maggiore necessità di reintegro di idrogeno. Ma la questione principale è la sicurezza e la purezza. Quando la purezza dell'idrogeno diminuisce, le prestazioni di raffreddamento si deteriorano. Se c'è umidità, si crea un ambiente indesiderato per l'isolamento. Se ci sono problemi con l'olio di tenuta, l'idrogeno può mescolarsi al sistema dell'olio o si possono verificare passaggi di aria/gas in direzione opposta.

I punti di perdita spesso non vengono cercati in un unico posto. Vengono controllati i morsettiere, i collegamenti del refrigeratore, le superfici delle flange, i coperchi dei pozzetti, le zone dell'olio di tenuta, i collegamenti dell'essiccatore del gas e le linee degli strumenti di misura. L'esperienza lo conferma: a volte quella che si pensa essere una grande perdita proviene da un piccolo raccordo di strumento. Altre volte, tutte le piccole perdite si sommano e alterano il comportamento del sistema.

Dettagli più spesso trascurati nel test

• La pressione barometrica viene sottovalutata. Soprattutto nelle centrali ad alta quota, questa abitudine distorce il risultato.
• Il test viene avviato prima che la temperatura si sia stabilizzata. Se il corpo si sta ancora riscaldando o raffreddando, il calcolo devia direttamente.
• Il volume dello statore viene inserito come ipotesi. La differenza tra 110 m³ e 120 m³ è circa il 9%; il risultato cambia nella stessa misura.
• Viene inserita la pressione assoluta invece di quella relativa. Questo errore è silenzioso, ma falsa il risultato.
• I valori iniziali e finali vengono letti con diversa disciplina. L'affidabilità di un test deriva dalla qualità della misurazione prima ancora che dalla formula.

Breve Conclusione

Il test di tenuta dello statore del generatore, specialmente nei grandi generatori raffreddati a idrogeno, è un passo di controllo di sicurezza prima del riempimento con idrogeno. Lo scopo del test non è solo vedere la diminuzione di pressione, ma calcolare il tasso di perdita di gas leggendo insieme volume, durata, pressione atmosferica ed effetto della temperatura.

L'idrogeno è un buon refrigerante, riduce le perdite intorno al rotore e offre un vantaggio significativo nelle macchine grandi. Ma se il controllo delle perdite è debole, questo vantaggio si trasforma rapidamente in un problema di sicurezza e di esercizio. Pertanto, il risultato del test deve essere valutato insieme alla qualità della misurazione e ai limiti di accettazione del produttore. La formula è di aiuto; la decisione viene presa su dati solidi.