Generator Stator Hava Sızdırmazlık Testi

Hidrojen Soğutmalı Jeneratörlerde Kaçak Testinin Yeri

Büyük turbo jeneratörlerde hava sızdırmazlık testi sıradan bir “basınç düştü mü düşmedi mi?” kontrolü değildir. Özellikle hidrojen soğutmalı makinelerde bu test, jeneratörün gazı güvenli şekilde tutup tutmadığını görmenin pratik yoludur. Gaz türbini, buhar türbini ve kombine çevrim santrallerinde kullanılan yüksek güçlü jeneratörlerde stator ve rotor bölgesinde ciddi ısı oluşur. Bu ısının kararlı biçimde uzaklaştırılması gerekir; aksi halde izolasyon yaşlanır, sargı sıcaklıkları yükselir, yük alma kabiliyeti düşer.

Hidrojenin tercih edilmesi boşuna değil. Isı iletkenliği havadan belirgin biçimde yüksektir. Yaklaşık değerlerle konuşursak, hidrojenin ısı iletkenliği 0,168 W/(m·K) civarındadır; havada bu değer yaklaşık 0,026 W/(m·K) düzeyindedir. Yani hidrojen, aynı hacimdeki havaya göre ısıyı çok daha rahat taşır. Üstelik yoğunluğu çok düşüktür. 0 °C ve 1 atm civarında hidrojen yoğunluğu yaklaşık 0,09 kg/m³, hava yoğunluğu ise yaklaşık 1,29 kg/m³ alınır. Rotor dönerken gaz içinde sürtünme ve rüzgâr kayıpları oluşur; düşük yoğunluk burada avantaj sağlar.

Sahadaki karşılığı şudur: hidrojen hem iyi soğutur hem de dönen parçanın gaz direncini azaltır. Büyük makinelerde bu fark verim, sıcaklık ve yüklenebilirlik tarafında hissedilir.

Ama hidrojenin bir de sert tarafı var. Hava ile belirli oranlarda karıştığında yanıcı ve patlayıcı karışım oluşturabilir. Havada yaklaşık %4 ile %75 aralığında hidrojen bulunması riskli kabul edilir. Bu yüzden hidrojen dolumu yapılmadan önce gövde, bağlantılar, contalar, cooler bölgesi, seal oil sistemi ve gaz devresi mümkün olduğunca güvenilir şekilde test edilir. Olay sadece gaz faturası değildir. Güvenliktir.

Test neden çoğu zaman hava ile yapılır?

Devreye alma veya bakım sonrası ilk kontrol genellikle hidrojenle yapılmaz. Sistem önce hava ya da prosedüre göre uygun bir inert gazla basınçlandırılır. Amaç, gövdenin ve gaz devresinin basıncı tutup tutmadığını görmektir. Test kabul edilebilir çıkarsa purge adımları uygulanır; hava uzaklaştırılır, gerekli ara gaz kullanılır ve sistem hidrojen işletmesine hazırlanır.

Bu sıra üreticiye göre değişebilir. GE, Siemens, Alstom veya Mitsubishi gibi üreticilerin dokümanlarında hacim, test basıncı, bekleme süresi, kabul sınırı ve purge adımları farklı tanımlanabilir. Yine de pratik akıl değişmez: hidrojen basmadan önce sistemin gaz tutma davranışı görülür.

Hidrojen doluyken kaçak yüksekse birkaç şey aynı anda kötüleşir. Gaz tüketimi artar. Hidrojen saflığı düşebilir. Seal oil sistemi daha fazla zorlanır. Bazı bölgelerde hidrojen birikme riski oluşur. Nem ve hava girişi varsa soğutma performansı da bozulur. Sonra jeneratör “neden sıcak çalışıyor?” sorusu başlar. Cevap bazen elektrik tarafında değil, gaz tarafındadır.

Ölçümün Arkasındaki Gaz Mantığı

Sızdırmazlık testlerinde basınç farkı ilk bakışta en açık veri gibi görünür. Başlangıçta 300 kPa, bitişte 290 kPa gördüyseniz “10 kPa düşmüş” dersiniz. Fakat bu cümle tek başına eksiktir. Çünkü gazın basıncı sıcaklıkla birlikte değişir.

Gaz soğursa basınç düşer. Gaz ısınırsa basınç artar. Sistemde kaçak olmasa bile sıcaklık değişimi manometrede hareket yaratır. Bu yüzden stator kaçak hesabında basıncı çıplak haliyle değil, sıcaklıkla birlikte okumak gerekir.

Hesabın temelinde şu oran vardır:

Burada stator basıncı tek başına kullanılmaz; atmosfer basıncıyla birlikte değerlendirilir. Çünkü sahada okunan stator basıncı çoğu zaman gösterge basıncıdır. Yani atmosfer basıncının üzerindeki değerdir. Mutlak basınca yaklaşmak için atmosfer basıncı eklenir:

Deniz seviyesine yakın bir santralde atmosfer basıncı için “100 kPa yaz geç” yaklaşımı bazen çok sorun çıkarmaz. Ama yüksek rakımlı bir sahada veya hassas kabul testinde bu alışkanlık hesabı bozar. Barometrik basınç gerçekten 88-90 kPa civarındaysa, 100 kPa girmek masum bir yuvarlama değildir.

Sıcaklık tarafında da aynı dikkat gerekir. Stator gövdesi bakım sonrası hâlâ soğuyorsa, sıcaklık dengesi oturmadan yapılan test kaçaktan çok termal geçişi ölçer. Kağıt üzerinde formül doğru çalışır; veri kötüyse sonuç yine kötüdür.

Basınç artarken de kaçak çıkabilir mi?

Evet, bazı örneklerde bitiş basıncı başlangıca göre daha yüksek görünür ama sıcaklık etkisi daha yüksek olduğu için hesap yine gaz kaybı gösterebilir. Tam tersi de mümkündür. Basınç biraz düşer ama sıcaklık da düşmüştür; bu durumda gerçek kaçak çıplak basınç farkından daha düşük olabilir.

Bu yüzden test formuna yalnızca basınç yazıp karar vermek aceleciliktir. Basınç, atmosfer basıncı, sıcaklık ve zaman birlikte okunmalı. Testin mantığı burada.

Hesapta Kullanılan Veriler

Stator gaz hacmi, test edilen kapalı hacmi temsil eder. Hesaplayıcıda yardım bilgisi olarak rotor varken genellikle 110 m³, rotor yokken 120 m³ kullanılabileceği belirtiliyor. Bu iyi bir pratik hatırlatma; fakat kesin değer değildir. Aynı güç sınıfındaki iki jeneratörde bile gövde hacmi, cooler düzeni ve iç geometri farklı olabilir. Üretici test föyündeki hacim neyse onu kullanmak gerekir.

Zaman aralığı da doğrudan sonucu etkiler. Kısa testler ölçüm hatasını büyütür. Örneğin 10 dakikalık testte 1 kPa okuma farkı büyük bir günlük kaçak değerine dönüşebilir. Birkaç saatlik daha kararlı test genelde daha güvenilir görünür. Tabii burada da sistem sıcaklığının oturmuş olması gerekir.

Başlangıç ve bitiş için üçer değer alınır: stator gösterge basıncı, atmosfer basıncı ve stator sıcaklığı. Bunların aynı anda veya birbirine çok yakın zamanda okunması gerekir. Sahada bazen önce basınçlar yazılır, sonra sıcaklıklar dolaşılıp alınır. Makine sıcaklığı değişiyorsa bu küçük gecikme bile test notuna yansır.

Basınç birimi konusunda dikkatli olmak şart. Stator basıncı alanına mutlak basınç yazılırsa atmosfer basıncı ikinci kez eklenmiş olur. Bu hata sonucu şişirir. Hesaplayıcının beklediği stator basıncı gösterge basıncıdır; atmosfer basıncı ayrıca girilir.

Sıcaklık için de temsil kabiliyeti önemlidir. Büyük gövdelerde tek nokta sıcaklık bazen yeterli olmayabilir. Test prosedürü birden fazla sıcaklık noktası istiyorsa ortalama veya tanımlı temsil sıcaklığı kullanılmalıdır. Burada “20 °C yazalım” kolaylığı her zaman doğru değildir.

Formül ve 110 m³ Senaryosu

Hesaplayıcıdaki ana formül şu yapıdadır:

Bu formülde \(Q\), gaz kaçak oranını verir. \(V_1\) stator gaz hacmidir. \(P_1\) ve \(P_2\), test başlangıcı ve bitişindeki stator gösterge basınçlarıdır. \(B_1\) ve \(B_2\), aynı anlardaki atmosfer basınçlarıdır. \(T_1\) ve \(T_2\), başlangıç ve bitiş sıcaklıklarıdır. \(h\) test süresidir.

110 m³ hacimli, rotor takılı kabul edilen bir jeneratörde 1 saatlik test yaptığımızı düşünelim. Başlangıçta stator basıncı 300 kPa, atmosfer basıncı 100 kPa, stator sıcaklığı 20 °C olsun. Bitişte stator basıncı 290 kPa, atmosfer basıncı yine 100 kPa ve sıcaklık yine 20 °C ise ilk kontrol şudur:

Sıcaklık aynı kaldığı için bu örnek nispeten kolaydır. Basınç düşüşü doğrudan gaz kaybı yönünde yorumlanır. Fakat gerçek sahada çoğu test bu kadar temiz değildir. Başlangıç 23 °C, bitiş 27 °C olabilir. Ya da test boyunca gövde yavaş yavaş soğur. İşte hesap makinesi bu yüzden sıcaklığı formüle dahil eder.

Verilen test senaryosunda stator hacmi 110 m³, süre 7,5 saat, başlangıç değerleri P₁ = 502,61 kPa, B₁ = 100,38 kPa, T₁ = 23,75 °C; bitiş değerleri P₂ = 507,6 kPa, B₂ = 100,3 kPa, T₂ = 26,72 °C olarak girilmiş. Dikkat ederseniz bitiş stator basıncı daha yüksek. Buna rağmen sıcaklık da yükseldiği için gaz miktarı yorumu yalnızca basınç artışına bakılarak yapılamaz. Bu iyi bir test örneği; insanı ezberden uzak tutar.

Sonucun Saha Yorumu

Gaz kaçak oranı m³/gün gibi bir değere çevrildiğinde farklı sürelerde yapılan testleri karşılaştırmak kolaylaşır. 2 saatlik testle 8 saatlik testi çıplak basınç farkıyla yan yana koymak doğru olmaz. Günlük kaçak eşdeğeri bu yüzden kullanışlıdır.

Yine de sonucun tek başına karar vermesi beklenmemeli. Kabul sınırı üretici prosedüründe, santral işletme talimatında veya bakım test planında tanımlanır. Bir jeneratörde kabul edilebilir görülen kaçak değeri başka bir makinede fazla sayılabilir. Gövde hacmi, hidrojen işletme basıncı, seal oil düzeni, soğutucu konfigürasyonu ve makinenin yaşı sonucu etkiler.

Hidrojenli işletmede yüksek kaçak varsa önce gaz tüketimi artar. Operatör bunu make-up hidrojen ihtiyacından fark eder. Fakat asıl mesele güvenlik ve saflıktır. Hidrojen saflığı düştüğünde soğutma performansı bozulur. Nem varsa izolasyon açısından istenmeyen bir ortam oluşur. Seal oil tarafında problem varsa hidrojen yağ sistemine karışabilir veya ters yönde hava/gaz geçişleri görülebilir.

Kaçak noktaları çoğu zaman tek bir yerde aranmaz. Terminal kutuları, cooler bağlantıları, flanş yüzeyleri, manhole kapakları, seal oil bölgeleri, gaz kurutucu bağlantıları ve ölçüm enstrüman hatları kontrol edilir. Tecrübeyle sabit: bazen büyük kaçak sandığınız şey küçük bir enstrüman fittinginden çıkar. Bazen de tüm küçük kaçaklar birleşir, sistem davranışını bozar.

Testte en çok kaçırılan ayrıntılar

• Barometrik basınç hafife alınır. Özellikle yüksek rakımlı santrallerde bu alışkanlık sonucu saptırır.
• Sıcaklık oturmadan test başlatılır. Gövde hâlâ ısınıyor veya soğuyorsa hesap doğrudan sapar.
• Stator hacmi varsayım olarak girilir. 110 m³ ile 120 m³ arasındaki fark yaklaşık %9’dur; sonuç da aynı ölçüde değişir.
• Gösterge basıncı yerine mutlak basınç yazılır. Bu hata sessizdir, ama sonucu bozar.
• Başlangıç ve bitiş değerleri farklı disiplinle okunur. Bir testin güvenilirliği formülden önce ölçüm düzeninden gelir.

Kısa Sonuç

Generator stator sızdırmazlık testi, özellikle hidrojen soğutmalı büyük jeneratörlerde hidrojen dolumundan önce güvenli bir kontrol adımıdır. Testin amacı yalnızca basınç düşüşünü görmek değil; hacim, süre, atmosfer basıncı ve sıcaklık etkisini birlikte okuyarak gaz kaçak oranını hesaplamaktır.

Hidrojen iyi bir soğutucudur, rotor çevresindeki kayıpları azaltır ve büyük makinelerde ciddi avantaj sağlar. Ama kaçak kontrolü zayıfsa bu avantaj hızla güvenlik ve işletme problemine dönüşür. Bu nedenle test sonucu, ölçüm kalitesi ve üretici kabul sınırlarıyla birlikte değerlendirilmelidir. Formül yardımcıdır; kararı sağlam veri verir.