氫冷發電機氫氣系統經濟運行的探討

陳喜江 朱啟春

摘要：提高氫冷發電機的氫氣純度可以極高發電機運行的經濟性，但是同時為了維持較高的氫氣純度需要產生一定的費用，文中通過建立氫冷發電機氫氣純度經濟運行的優化模型，可以找到在一定工況下氫氣系統的運行的最經濟氫氣純度。本文以國產600MW氫冷發電機為例，運用氫冷發電機氫氣純度經濟運行的優化模型對氫氣系統的經濟運行進行了計算和分析，通過Excel中規劃求解的方法找到了最經濟氫氣純度，并分析了發電機損耗與漏入空氣量的關系，驗證了發電機氫氣系統經濟性運行的可行性，取得了滿意的效果。

關鍵詞：氫冷發電機? 氫氣純度? 經濟運行? 風摩損耗

中圖分類號：TM31

Abstract： Improving the hydrogen purity of hydrogen-cooled generators can make the operation of generators more economical， but at the same time， to maintain high hydrogen purity， some costs need to be incurred. In this paper， the optimal model of hydrogen purity economic operation of hydrogen-cooled generator can be established to find the most economical hydrogen purity of hydrogen system operation under certain conditions. Taking the domestic 600MW hydrogen cooled generator as an example， this paper calculates and analyzes the economic operation of hydrogen system by using the optimization model of hydrogen purity economic operation of hydrogen cooled generator， finds the most economical hydrogen purity through the programming method in Excel， analyzes the relationship between generator loss and air leakage， and verifies the feasibility of economic operation of generator hydrogen system， Satisfactory results have been obtained.

Key Words： Hydrogen cooled generator; Hydrogen purity; Economic operation; Wind friction loss

氫冷發電機組運行過程中，通過維持氫氣純度，提高發電機運行的安全性及經濟性。氫氣純度不合格會增加發電機的風摩損耗，降低發電機的發電效率，增加發電機的運行成本，并且增加發電機的安全隱患。發電機內氫氣純度按容積計應在96%以上，最好運行在98%以上以提高效率[1-2]。發電機轉子的兩端依靠密封油系統進行密封，可以防止外界空氣侵入和發電機內的氫氣外泄。在機組運行中發現氫氣純度低，為了提高發電機氫氣純度不得不頻繁置換氫氣，造成能源的浪費，并大大增加了制氫站、運行人員的工作量。發電機氫氣系統的經濟運行是每個電廠追求的目標。

1? 氫冷發電機氫氣純度經濟運行優化模型

1.1經濟性模型

氫冷發電機組運行過程中，影響氫氣系統純度的因素有很多，不同機組氫氣純度下降的速率也不同。一般采用補排氫或者氫氣提純的方法維持發電機氫氣純度[3]。

在發電機氫氣系統壓力，溫度不變的情況下，為了維持機組維持氫氣純度w，產生的費用為：

發電機在運行中產生損耗的部件可分為五大類，即機械損耗、勵磁損耗、定子銅損、鐵損、電氣附加損耗。發電機氫氣系統的純度影響的是發電機機械損耗中的風摩損耗。

在發電機氫氣純度w時，對應發電機的風摩損耗生產的損失為：

在ω變化時，發電機的總經濟損耗為

因此，可以通過找出氫氣純度wi使得發電機的總經濟損耗最低，則該純度為當前工況下氫冷發電機氫氣的最經濟純度，此時發電機的運行經濟性最高。

1.2補氫模型

氫冷發電機運行單位時間內進入的空氣量為v1，通過連續補排的方式為了維持氫氣純度w，單位時間內所需要補充氫氣的量為v2

1.3發電機風摩損耗

根據J.Bear等的研究[4]，發電機相對表面粗糙度可達到0.02以上，一般發電機雷諾數很少小于Re=105，此時，摩擦系數不取決于雷諾數，發電機的風摩損耗與發電機內氣體密度成正比關系。

大氣壓下空氣的密度是氫氣的14.35倍，發電機內混合氣體的密度相對于氫氣的比重可按下式確定：

假如在氫氣純度在ω0時，發電機風摩損耗為P0，則在氫氣純度ω時，發電機風摩損耗：

2? 應用實例

國能常州發電有限公司#1、#2機組發電機為上海汽輪發電機有限公司生產的 QFSN-600-2 三相同步汽輪發電機。發電機采用水氫氫冷卻方式[5]。正常氫氣壓力為0.4MPa，氫氣純度為96%，發電機內額定氣體體積為90m3，其風摩耗試驗值為497kW[6]。通過補排氫的方法來控制發電機內氫氣純度。

2.1最經濟氫氣純度

如表1所示，該廠#1、#2發電機某一時間段內氫氣系統的空氣漏入情況。

我們按照上網電價0.4元/（kW.h），氫氣價格10元/m3，計算發電機當前時段的總經濟損耗列入表2。

列出總經濟損耗與氫氣純度的關系式后，通過excel中規劃求解的方法[7]得到了發電機當前工況下最佳的氫氣純度以及對應的經濟指標，如表3所示。

發電機改變氫氣純度后與總經濟損耗的對應關系如圖1所示。

2.2效益分析

按照年運行300d計算，兩臺機組通過氫氣系統的氫氣運行純度的調整，可以產生的年效益為：

（4844.2-3817.8+4374.3-3416.3） ′300=59.5萬元。

2.3漏入空氣量對最低經濟損耗值的影響

不難得出在氫氣純度0～100%之間，發電機總經濟損耗存在唯一最小值。對其函數進行求導，令其導數為零，求得最經濟氫氣純度ωi與發電機漏入空氣體積N（m3/d）之間的關系為：

并計算出N對應的最低經濟損耗值，結果如圖2所示。

可以看出發電機單位時間漏入的空氣量越多，發電機可以得到的最低經濟損耗值越高，所以為了發電機的更經濟運行，必須設法降低發電機單位時間漏入的空氣量[8-9]。

假如一臺同型號工況發電機漏入空氣體積從3m3/d治理成1m3/d。假設其治理前后均在最經濟的氫氣純度下運行，按照年運行300d計算，可以產生的年效益為：（5312.5-4389.1）′300=27.7萬元。

3? 結論與建議

（1）可以通過改變發電機氫氣系統運行的純度來追求發電機的經濟運行。

（2）相同機組影響發電機經濟損耗的重要指標是發電機的漏入空氣量，因此需要設法降低發電機的漏空氣量。

參考文獻

[1]袁丁.氫冷燃氣發電機漏氫預防及監測研究[D].成都：西南交通大學，2019.

[2]徐歌.基于物聯網的發電機氫氣質量監測系統[D].鄭州：鄭州大學，2018.

[3]王輝.發電機氫氣純度超標的分析和防范措施[J].產業創新研究，2020（14）：152-153.

[4]J.Bear，李琛.旋轉電機通風損耗的計算與測量[J].國外大電機，1994（1）：7-11

[5]肖士勇.分數極路比同步發電機內部故障建模及暫態電磁問題研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2019.

[6]舒武慶.水氫氫600MW汽輪發電機性能試驗[J].上海大中型電機，1999（3）：13-20.

[7]顧運筠. Excel規劃求解的兩類應用[J]. 計算機應用與軟件，2005，22（1）：137-139.

[8]舒永先.火電廠冷卻塔落水噪聲特性及降噪方法研究與應用[D].長沙：長沙理工大學，2020.

[9]郭超.動車組制動用永磁渦流緩速器的研究[D].大連：大連交通大學，2020.

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