ژنراتورهای‌ توربینی‌ در بیش‌ از ۱۰۰ سال‌ پیش‌ که‌ برای‌ اولین‌ بار وارد عرصه‌ کاری‌شدند با هوا خنک‌ می‌شدند. با این‌ حال‌ همچنان‌ که‌ خروجی‌ واحد ژنراتور افزایش‌ پیدا کردنیاز به‌ خنک‌کنندگی‌ موثر افزایش‌ یافت‌. این‌ نیاز منجر به‌ تکمیل‌ ژنراتورهایی‌ شد که‌ باهیدروژن‌ و آب‌، خنک‌ می‌شدند. هدایت‌ حرارتی‌ هیدروژن‌، هفت‌ برابر هوا بوده‌ و با همان‌فشار مطلق‌، چگالی‌ آن‌ یک‌ دهم‌ هواست‌.

پیش‌ از انتخاب‌ نوع‌ سیستم‌خنک‌کنندگی‌ مورد استفاده‌ برای‌ ژنراتور، دوموضوع‌ عمده‌ وجود دارد که‌ عبارتند از:اندازه‌ مگاولت‌ آمپر ژنراتور و یک‌ سایت‌ هوابا کیفیت‌ خوب‌. با وجود این‌ که‌خنک‌کنندگی‌ با هوا نوعا برای‌ واحدهای‌کوچکتر استفاده‌ می‌شود هم‌ اکنون‌ اصلاح‌فن‌آوریهای‌ جدید به‌ هوا این‌ امکان‌ رامی‌دهد تا برای‌ ژنراتورهایی‌ که‌ حداکثر۳۰مگاولت‌ آمپر ظرفیت‌ دارند مورد استفاده‌قرار گیرد. سیستمهای‌ هوا،هیدروژن‌، خنک‌کنندگی‌ هیدروژنی‌ داخلی‌ وسیستم‌ خنک‌کنندگی‌ هیدروژن‌ و آب‌ را که‌توسط شرکتهای‌ زیمنس‌ و وستینگهاوس‌برای‌ اندازه‌های‌ مختلف‌ ژنراتورها انجام‌شده‌ است‌ مقایسه‌ می‌کند. ژنراتورهای‌ الکتریکی‌، حجم‌ زیادی‌ ازهوا را مصرف‌ می‌کنند. در جایی‌ که‌ کیفیت‌هوا مساله‌ ساز نیست‌ ژنراتورها با سیستم‌خنک‌کنندگی‌ هوای‌ باز که‌ بازده‌ بالایی‌ از نظرفیلتراسیون‌ و آب‌ بندی‌ محوری‌ تحت‌ فشاردارند بهترین‌ انتخاب‌ و همچنین‌ دارای‌حداقل‌ هزینه‌ است‌. سایتهای‌ نیروگاه‌ قدرت‌ که‌ دارای‌ ذرات‌ریز و سولفور قابل‌ ملاحظه‌ هستند بایدژنراتورهایی‌ را که‌ خنک‌کنندگی‌ آنها با آب‌ وهوای‌ محبوس‌ انجام‌ می‌شود مورد بررسی‌قرار دهند. این‌ ژنراتورها چنانچه‌ دارای ‌سیستم‌ خنک‌ کنندگی‌ با آب‌ و آب‌ بندی‌محوری‌ تحت‌ فشار با فیلترهای‌ هوای‌جبرانی‌ باشند از نظر فیزیکی‌ بزرگتر هستند.ژنراتورهایی‌ که‌ خنک‌کنندگی‌ آنها با آب‌ وهوای‌ محبوس‌ صورت‌ می‌گیرد ازژنراتورهایی‌ که‌ خنک‌کنندگی‌ آنها با هوای‌ بازانجام‌ می‌شود گران‌تر بوده‌ و بازده‌ کمتری‌ نیزدارند. با این‌ همه‌ در حالی‌ که‌ ذرات‌ ریز، یک‌موضوع‌ قابل‌ بررسی‌ است‌ و وقتی‌ که‌مساله‌ای‌ از نظر ذخیره‌سازی‌ هیدروژن‌ درنیروگاه‌ وجود ندارد عموما ژنراتورهایی‌ که‌ باهیدروژن‌ خنک‌ می‌شوند انتخاب‌ مناسبی‌ به‌نظر می‌رسد. با وجود آن‌ که‌ این‌ نوع‌ ازژنراتور گرانترین‌ نوع‌ است‌ ولی‌ بالاترین‌بازده‌ را دارد.

• سیستمهای‌ خنک‌ کنندگی‌

طراحی‌ واحدهایی‌ که‌ با هیدروژن‌خنک‌ می‌شوند در مقایسه‌ با ژنراتورهایی‌ که‌با هوا خنک‌ می‌شوند پیچیده‌تر است‌.سیستمهایی‌ که‌ با هیدروژن‌ خنک‌ می‌شوندبه‌ محفظه‌ای‌ که‌ در مقابل‌ فشار مقاوم‌ باشد ونیز به‌ آب‌ بندی‌ خاص‌ و یک‌ دستگاه‌ تهویه‌گازی‌ نیاز دارند. علاوه‌ بر آن‌ سیستمهایی‌ که‌با هیدروژن‌ خنک‌ می‌شوند قبل‌ از آن‌ که‌برای‌ تعمیر و نگهداری‌ از سرویس‌ خارج‌شوند باید با دی‌ اکسید کربن‌ پاکسازی‌ شوند. همچنین‌ قبل‌ از آن‌ که‌ مجددٹ از هیدروژن‌ پرشوند و به‌ سرویس‌ بازگردند لازم‌ است‌ بادی‌اکسید کربن‌ پاکسازی‌ شوند. با وجود آن‌که‌ ژنراتورهایی‌ که‌ با هوا خنک‌ می‌شوند ازنظر فیزیکی‌ بزرگتر از ژنراتورهایی‌ هستند که‌با هیدروژن‌ خنک‌ می‌شوند، با اندازه‌ یکسان ‌دارای‌ هزینه‌ اولیه‌ کمتری‌ هستند. به‌ علاوه‌تعمیر آنها ساده‌تر و با هزینه‌ کمتر است‌.ژنراتورهای‌ بزرگی‌ که‌ با هوا خنک‌ شده‌ ومتعلق‌ به‌ شرکت‌ آلستوم‌ هستند عمومٹمجهز به‌ سیستم‌ خنک‌کنندگی‌ آب‌ - هوای ‌محبوس‌ (TEWAC) هستند. در سیستم‌خنک‌کنندگی‌ آب‌ - هوا، ژنراتور به‌ وسیله‌هوا خنک‌ می‌شود. هوای‌ گرم‌ پس‌ از آن‌ که‌در خنک‌کن‌های‌ آب‌ - هوا سرد شد مجددٹوارد سیکل‌ می‌شود. در این‌ واحدهاهادیهای‌ سیم‌پیچ‌ میدان‌ روتور تو خالی‌ بوده‌و به‌ صورت‌ محوری‌ خنک‌ می‌شوند. برخلاف‌ بخش‌ فعال‌ ژنراتورهای‌ قدیمی‌ که‌ باهوا خنک‌ می‌شوند، سیم‌پیچهای‌ میدان‌جدیدتر در هر ماشین‌ دارای‌ دو بخش‌خنک‌کن‌ است‌. در بخش‌ اول‌ جریان‌ هوا اززیر استوانه‌ انتهایی‌ می‌گذرد و قبل‌ از خروج‌به‌ داخل‌ هادی‌ تو خالی‌ جریان‌ پیدا می‌کند.جریان‌ هوای‌ خنک‌ کن‌ برای‌ بخش‌ دوم‌ ازطریق‌ یک‌ شیار فرعی‌ که‌ در زیر سیم‌ پیچ‌تعبیه‌ شده‌ است‌ صورت‌ می‌گیرد.

هسته‌ استاتور که‌ به‌ شکل‌ محوری‌ به‌اتاقهایی‌ تقسیم‌ شده‌ است‌ هوای‌ خنک‌ کننده‌برای‌ استاتور را فراهم‌ می‌آورد. این‌ کار باجریان‌ متناوب‌ هوا به‌ داخل‌ و به‌ بیرون‌اتاقکهای‌ تهویه‌ انجام‌ می‌شود.

تولیدکنندگان‌ با اضافه‌ کردن‌ اتاقکهای‌تهویه‌ بیشتر نسبت‌ به‌ ماشینهای‌ ژنراتور کوتاهتر قدیمی‌ توانسته‌اند میزان‌خنک‌کنندگی‌ ژنراتور را بهینه‌ کنند. طبق‌گزارش‌ آلستوم‌، بهینه‌ سازی‌ خنک‌کنندگی‌ واین‌ واقعیت‌ که‌ هم‌ اکنون‌ خروجیهای‌بیشتری‌ برای‌ هوای‌ خنک‌ کن‌ روتور وجوددارد توزیع‌ دما در سیم‌پیچ‌ استاتور و هسته‌را یکنواخت‌ کرده‌ است‌.

• شکستن‌ مانع‌ ۳۰۰ کیلوولت‌ آمپری‌

انجام‌ اصلاحات‌، طی‌ چند سال‌ اخیر برروی‌ طراحی‌ ژنراتورهایی‌ که‌ با هوا خنک‌می‌شوند سبب‌ شده‌ است‌ که‌ واحدهایی‌تولید شود که‌ تا چند سال‌ گذشته‌ فقط باژنراتورهایی‌ که‌ با هیدروژن‌ خنک‌ می‌شوند امکان‌پذیر بود. درطول‌ چهار دهه‌ گذشته‌ظرفیت‌ ژنراتورهایی‌ که‌ با هوا خنک‌می‌شوند از ۹۰ مگاولت‌ آمپر به‌ بیش‌ از ۳۰۰مگاولت‌ آمپر افزایش‌ یافته‌ است‌. یکی‌ از تولیدکنندگان‌ (آلستوم‌) خروجی‌ژنراتورهایی‌ که‌ با هوا خنک‌ می‌شوند را تا۳۳ درصد افزایش‌ داده‌ است‌. این‌ کار باافزایش‌ قطر روتور و طول‌ فعال‌ آن‌ به‌ میزان‌۱۰ درصد اجرا شده‌ است‌. افزایش‌ خطی‌ژنراتور نیز حجم‌ Slot (یکی‌ از شیارهای‌نگهدارنده‌ رسانا در سطح‌ روتور یا استاتوریک‌ ماشین‌ گردنده‌ الکتریکی‌) را بزرگتر کرده‌و در نتیجه‌ سیم‌پیچهای‌ بیشتری‌ قابل‌ اضافه‌کردن‌ بود. متاسفانه‌ وقتی‌ قطر روتور افزایش‌ داده‌می‌شود اتلاف‌ سیم‌پیچ‌ نیز افزایش‌ می‌یابد.بخش‌ قابل‌ توجهی‌ از اتلاف‌ سیم‌ پیچی‌ناشی‌ از اصطکاک‌ سطح‌ است‌. ژنراتورها دیگری‌ که‌ توسط آلستوم‌تکمیل‌ شده‌ یک‌ ماشین‌ ۵۰هرتز ۵۰۰مگاولت‌ آمپری‌ است‌. این‌ ماشین‌ یک‌پیشرفت‌ عمده‌ در فن‌ آوری‌ ژنراتورهایی‌ که‌با هوا خنک‌ می‌شوند بوده‌ و خنک‌کنندگی‌آن‌ به‌ شکل‌ معکوس‌ امکان پذیر شد.

درخنک‌کنندگی‌ معکوس‌، فنها در بالا دست‌کولر قرار می‌گیرند و به‌ این‌ ترتیب‌ بخش‌فعال‌ ژنراتور به‌ طور مستقیم‌ و بدون ‌هیچ‌گونه‌ پیش‌ گرمایشی‌ از هوایی‌ که‌ ازکولرها می‌آید بهره‌مند می‌شود. هوایی‌ که‌ به‌طور مستقیم‌ از فنها تامین‌ شده‌ است‌همچنان‌ که‌ از درون‌ فن‌ عبور می‌کند،پیش‌گرم‌ می‌شود. هوا در پایین‌ دست‌ کولرها در ابتدا ازیک‌ ناحیه‌ مخلوط عبور می‌کند که‌ توزیع ‌همگنی‌ از هوای‌ سرد را به‌ ورودی‌ ژنراتورمی‌رساند. حتی‌ اگر یک‌ کولر، خارج‌ ازسرویس‌ باشد این‌ نوع‌ از خنک‌کنندگی‌ به‌ژنراتور این‌ امکان‌ را می‌دهد که‌ با۷۵ درصداز خروجی‌ اسمی‌ خود کار کند. محفظه‌ ژنراتور ۵۰۰ مگاولت‌ آمپرآلستوم‌ که‌ با هوا خنک‌ می‌شود کاملاجوشکاری‌ شده‌ و دارای‌ یاتاقانهایی‌ است‌ که‌بر روی‌ محفظه‌ای‌ نصب‌ شده‌ و از یک‌سیستم‌ خنک‌کننده‌ بسته‌ استفاده‌ می‌کند.ابتکار طراحی‌ عمده‌ دیگر آن‌ است‌ که‌ژنراتور با راه‌ آهن‌ قابل‌ حمل‌ونقل‌ است‌.

• بررسی‌ اصلاحات‌

در حالی‌ که‌ بیش‌ از ۲۰ سال‌ از کار 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 ونوکردن‌ exciter (ژنراتور کمکی‌ کوچکی‌ که‌جریان‌ میدانی‌ لازم‌ را برای‌ ژنراتوری‌ باجریان‌ متناوب‌ فراهم‌ می‌کند) اصلاح‌ کرد. دبلیوجی‌ مور مدیر مهندسی‌ کویل‌برق‌ ملی‌ در کلمبوس‌ اوهایو می‌گوید که‌ درهنگام‌ اصلاح‌ و بازسازی‌ ژنراتورهای‌الکتریکی‌، یکی‌ از اولین‌ مراحل‌، آن‌ است‌ که‌شرایط فورجینگ‌ روتور ارزیابی‌ شود. در غیر از مواردی‌ که‌ مسائل‌ جدی‌ بروز کندجایگزین‌ کردن‌ روتور، لازم‌ نیست‌. هرگونه‌ترکی‌ که‌ در سوراخها پیدا شود عموما ازفرکانس‌ پایین‌ و ناشی‌ از تنشهای‌ چرخشی‌در اثنای‌ شروع‌ بکار و توقف‌ واحد است‌. با این‌ همه‌ چنین‌ ترکهایی‌ را نباید نادیده‌گرفت‌ چرا که‌ می‌توانند منجر به‌ گسیختگی‌کاتاستروفیک‌ روتور شوند. به‌ گفته‌ >مور<قبل‌ از بازگرداندن‌ یک‌ روتور قدیمی‌تر به‌سرویس‌ باید سوراخها به‌ طور کامل‌ بازرسی‌شوند تا شرایط کیفی‌ آنها برای‌ کارکرددرازمدت‌ 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 کرد. با این‌ حال‌، ترکهای‌ عمیق‌تر بایدبا سوراخ‌ کردن‌ برداشته‌ شوند. محلهای‌ دندانه‌ دار روتور می‌تواند درشعاعهای‌ ماهیچه‌ای‌ بالای‌ دندانه‌، ایجادترک‌ کند. این‌ سوراخها را می‌توان‌ با بازرسی‌چشمی‌، آزمایش‌ با جریان‌ گردابی‌ (آزمایش‌غیر تخریبی‌ که‌ در آن‌ تغییر امپدانس‌ یک‌کویل‌ آزمایش‌ که‌ به‌ نزدیک‌ نمونه‌ هادی‌آورده‌ شده‌ است‌ جریانهای‌ گردابی‌ ایجادشده‌ به‌ وسیله‌ کویل‌ را از خود نشان‌ می‌دهدو در نتیجه‌ برخی‌ از خواص‌ یا معایب‌ نمونه‌را آشکار می‌کند)، نافذ رنگی‌ (مایعی‌ دارای‌رنگ‌ که‌ برای‌ تشخیص‌ ترکها یا سایر معایب‌سطحی‌ مواد غیر مغناطیسی‌ بکار می‌رود) ویا با آزمایش‌ ذرات‌ مغناطیسی‌ مرطوب‌،آشکار کرد. با این‌ همه‌ >مور< می‌گوید: >هیچ‌گزارشی‌ از وقفه‌ اجباری‌ ناشی‌ از ترکهای‌دندانه‌دار، ثبت‌ نشده‌ است‌. ترکهای‌ کوچک‌را می‌توان‌ با بزرگ‌ کردن‌ شعاع‌ ماهیچه‌،برداشت‌ به‌ طور ی‌ که‌ در عین‌ حال‌ ترکهای‌بزرگتر نیاز به‌ برداشتن‌ بالای‌ دندانه‌ها وسپس‌ بازسازی‌ یک‌ حلقه‌ حایل‌ طولانی‌تردارند<. هنگامی‌ که‌ رطوبت‌، وجود داشته‌ باشد حلقه‌های‌ حایل‌ غیر مغناطیسی‌ از جنس‌۵Cr ۱۸Mn نسبت‌ به‌ تنش‌ ترک‌ 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 ترک‌ خوردگی‌ مقاوم‌است‌. ترک‌ خوردگی‌ شیار فنری‌ شبه‌ بست‌(نوعی‌ فنر که‌ به‌ عنوان‌ بست‌ استفاده‌می‌شود) به‌ وسیله‌ نیروهای‌ متناوب‌ حلقه‌حایل‌ مخروطی‌ در حال‌ کشش‌ بالای‌دندانه‌ها ایجاد می‌شود (شکل‌ ۲). با این‌وجود >مور< می‌گوید: این‌ ترکها به‌ سادگی‌ بایک‌ آزمایش‌ نفوذ پذیری‌ فلورسنت‌ مغناطیسی‌ مرطوب‌، آشکار می‌شوند. مشابه‌ترک‌ خوردگی‌ دندانه‌ روتور، ترکهای‌ درون‌شیار فنر شبه‌ بست‌ را می‌توان‌ با بزرگ‌ کردن‌شعاع‌، اصلاح‌ کرد.

• سیم‌ پیچها و عایق‌ بندی‌

سیم‌ پیچهای‌ مسی‌ روتور، عمرنامحدودی‌ دارند ولی‌ وقتی‌ که‌ یک‌ روتورتحت‌ تاثیر گرمای‌ بیش‌ از حد قرار گیرد،مس‌، نرم‌ می‌شود. اگر مس‌ بیش‌ از حد نرم‌شده‌ باشد، آزمایش‌، سختی‌ آن‌ را تعیین‌خواهد کرد. >مور< می‌گوید: بازرسی‌ چشمی‌باید هرگونه‌ اعوجاج‌ اضافی‌ را مشخص‌ کند. ترک‌ خوردگی‌ درپیچهای‌ مسی‌ روتور درروتورهایی‌ که‌ روی‌ حلقه‌های‌ حایل‌ آن‌محور کوتاهی‌ نصب‌ شده‌ باشد عادی‌ است‌. این‌ ترک‌ خوردگیها را می‌توان‌ با یک‌ آزمایش‌نافذ رنگی‌ بررسی‌ کرد. سیم‌ پیچهای‌ مسی‌باز پخت‌ شده‌ با مقاومت‌ کم‌ که‌ 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 شکل‌، مقاوم‌ است‌. متاسفانه‌یک‌ سیم‌ پیچ‌ باز پیچیده‌ شده‌ جدید مسی‌ ازمسهای‌ قدیمی‌ که‌ مجددا استفاده‌ شده‌ باشدگرانتر است‌. اصلاحاتی‌ که‌ در عایق‌ بندی‌ و صفحات‌لغزش‌ از جنس‌ ماده‌ای‌ با ضریب‌ اصطکاک‌ کم‌ انجام‌ شده‌ است‌ اعوجاج‌ سیم‌پیچهای‌روتور را به‌ حداقل‌ رسانده‌ و کارکردژنراتورها را اصلاح‌ کرده‌ است‌ برخلاف‌سیم‌پیچهای‌ روتوری‌ که‌ به‌ صورت‌ اقتصادی‌مجددا پیچیده‌ شده‌ باشند عموما با سیم‌پیچهای‌ استاتور جایگزین‌ می‌شوند. باپیشرفتهایی‌ که‌ هم‌ اکنون‌ در سیستمهای‌عایق‌ بندی‌ انجام‌ شده‌، عایق‌بندی‌ کمتری‌مورد نیاز است‌. کاربرد ژنراتورهای‌ الکتریکی‌ دراثردرجه‌ حرارت‌ حداکثر مجاز رساناهای‌ مسی‌در سیم‌ پیچهای‌ استاتور و نیز دراثر انتقال‌حرارت‌ در درون‌ عایق‌بندی‌، محدود شده‌است‌. با این‌ وجود کارکرد ژنراتور در درجه‌ حرارتهای‌ بالاتر برای‌ مس‌های‌ هادی‌ درهنگامی‌ امکان‌پذیر است‌ که‌ کلاس‌ حرارتی‌بالاتری‌ برای‌ ماده‌ عایق‌ بندی‌، استفاده‌ شده‌باشد. واضح‌ است‌ که‌ با کارکرد ژنراتور دردرجه‌ حرارتهای‌ بالاتر، خروجی‌ ژنراتور افزایش‌ پیدا می‌کند. هم‌ اکنون‌ برای‌ کارکردژنراتور در درجه‌ حرارتهای‌ بالاتر، موادجدیدی‌ وجود دارد. به‌ دلیل‌ این‌ که‌عایق‌بندی‌ جدید، مقاومت‌ حرارتی‌ کمتری‌دارد انتقال‌ حرارت‌ میله‌های‌ استاتور، بهبودپیدا کرده‌ و خروجی‌ ژنراتور افزایش‌ می‌یابد. با وجود آن‌ که‌ برای‌ ژنراتورهای‌ بزرگترهنوز هم‌ روش‌ خنک‌ کنندگی‌ به‌ وسیله‌هیدروژن‌ مورد استفاده‌ قرار می‌گیرداصلاحات‌ اخیر در سیستمهای‌ خنک‌کنندگی‌با هوا و همچنین‌ عایق‌ بندی‌ به‌ روش‌ خنک‌کنندگی‌ با هوا اجازه‌ داده‌ است‌ تا باسیستمهای‌ خنک‌کنندگی‌ به‌ وسیله‌ هیدروژن‌برای‌ ژنراتورهایی‌ که‌ حداکثر ظرفیت‌ آنها۵۰۰ مگاولت‌آمپر است‌ رقابت‌ کنند. طبق‌نظر سازندگان‌، استفاده‌ از ژنراتورهایی‌ که‌ باهوا خنک‌ می‌شوند و ظرفیتشان‌ بیش‌ از۵۰مگاولت‌ آمپر باشد موضوعی‌ است‌ که‌فقط زمان‌، آن‌ را حل‌ خواهد کرد.