大型水氫氫冷卻汽輪發(fā)電機(jī)效率試驗(yàn)

韓 毅

（國(guó)能陳家港發(fā)電有限公司，江蘇陳家港 224631）

引言

大型汽輪發(fā)電機(jī)的效率一般在出廠時(shí)已經(jīng)確定,為了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證汽輪發(fā)電機(jī)是否滿足設(shè)計(jì)要求，需對(duì)其進(jìn)行效率試驗(yàn)[1]。我國(guó)于1985 年頒布了現(xiàn)場(chǎng)用“量熱法”測(cè)定發(fā)電機(jī)效率的標(biāo)準(zhǔn)[2]，本研究以某電廠發(fā)電機(jī)效率試驗(yàn)結(jié)果為例，對(duì)發(fā)電機(jī)各部分損耗測(cè)量、效率計(jì)算、運(yùn)行參數(shù)修正等給予了說(shuō)明，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)大型同步發(fā)電機(jī)效率試驗(yàn)具有指導(dǎo)意義。

1 量熱法基本原理

量熱法一般用于大型旋轉(zhuǎn)電機(jī)效率試驗(yàn)中，其基本原理是電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的各類損耗最終都將變成熱量傳給冷卻介質(zhì)，使冷卻介質(zhì)溫度上升，可以測(cè)量電機(jī)所產(chǎn)生的熱量來(lái)計(jì)算電機(jī)損耗。發(fā)電機(jī)效率可由下式計(jì)算：

式中：

η 為發(fā)電機(jī)效率，%；

P 為發(fā)電機(jī)輸出功率，kW；

∑ps為發(fā)電機(jī)總損耗，kW。

為了對(duì)總損耗進(jìn)行分類，給電機(jī)規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)表面，各項(xiàng)損耗可分為兩大類：

（1） 基準(zhǔn)表面內(nèi)部的損耗Pi。

基準(zhǔn)表面內(nèi)部的損耗Pi又分為兩部分（Pi1、Pi2），一部分（Pi1）以熱量型式被冷卻系統(tǒng)帶走，并可用量熱法測(cè)量的損耗，這是基準(zhǔn)表面內(nèi)損耗的主要部分，一部分（Pi2）不傳遞冷卻介質(zhì)，而以傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射、滲漏等型式通過(guò)基準(zhǔn)表面散發(fā)的損耗，它占總損耗的一小部分，可用量熱法進(jìn)行測(cè)量，也可以用計(jì)算方法求得。

（2） 基準(zhǔn)表面外部的損耗Pe(軸承摩擦損耗、輔助設(shè)備損耗）。

1.1 基準(zhǔn)面內(nèi)的損耗

（1） 電機(jī)各部溫度達(dá)到熱穩(wěn)定后，以熱的形式由冷卻介質(zhì)帶走，可以用量熱法測(cè)量的損耗，是發(fā)電機(jī)損耗的主要部分，包括定子繞組內(nèi)冷水和氫氣冷卻器冷卻水帶走的損耗。計(jì)算公式為：

式中：cp為冷卻介質(zhì)的比熱，KJ／(Kg·K)；Q 為冷卻介質(zhì)流量，m3/s；ρ 為冷卻介質(zhì)密度，kg／m3；?t 為冷卻介質(zhì)的溫升，K 。

（2） 不傳遞給冷卻介質(zhì)，其中主要為機(jī)殼表面的對(duì)流熱損耗，其余均非常小，可以忽略不計(jì)的。機(jī)殼表面的對(duì)流熱損耗計(jì)算公式為：

式中：h 為表面散熱系數(shù)，h=11+3v，W／(m2·K )(v 為空氣流速)；A 為有效散熱表面積，m2；?t 為發(fā)電機(jī)外表面溫度與環(huán)境溫度之差值，K。

1.2 基準(zhǔn)面外的損耗

（1） 軸承摩擦損耗，發(fā)電機(jī)前后軸承損耗均計(jì)入總損耗中。本部分能量損耗由發(fā)電機(jī)潤(rùn)滑油和密封油帶走。可用公式(2)計(jì)算或采用廠家試驗(yàn)值。

（2） 其他外部損耗，包括勵(lì)磁變損耗、整流柜損耗和電刷損耗等，勵(lì)磁變損耗和整流柜兩部分損耗可通過(guò)在勵(lì)磁變高壓側(cè)測(cè)量電功率減去勵(lì)磁輸入功率求得：

式中：

Pex為勵(lì)磁變高壓側(cè)有功功率；

Uex為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓；

Iex為勵(lì)磁電流。

電刷損耗可用下列公式計(jì)算：

式中：

?Us為每極電刷上的壓降，對(duì)于碳- 石墨及電化石墨電刷取1 V，對(duì)于金屬石墨電刷取0.3 V。

2 試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算

2.1 發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

某電廠#2 機(jī)組為上海發(fā)電機(jī)廠生產(chǎn)的QFSN 型水氫氫冷發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)某電廠發(fā)電機(jī)進(jìn)行效率試驗(yàn)，機(jī)組升至滿負(fù)荷并經(jīng)過(guò)3 h 的穩(wěn)定運(yùn)行后，發(fā)電機(jī)冷卻介質(zhì)的溫度、流量以及電氣運(yùn)行參數(shù)趨于穩(wěn)定，各發(fā)熱部件在1 h內(nèi)的溫度變化小于2 K，此時(shí)發(fā)電機(jī)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，開始測(cè)取計(jì)算發(fā)電機(jī)各個(gè)參量[3]。

主要有：

（1） 電量參數(shù)。

（2） 溫度參數(shù)。

（3） 流量參數(shù)。

在此條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2、試驗(yàn)結(jié)果[4]見表3。

表2 試驗(yàn)時(shí)運(yùn)行參數(shù)

表3 試驗(yàn)結(jié)果與修正計(jì)算

2.3 效率修正

由于試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)參數(shù)和額定參數(shù)存在一定的偏差，當(dāng)以這種非額定條件的方式考核發(fā)電機(jī)效率時(shí)，需要對(duì)效率試驗(yàn)值進(jìn)行參數(shù)修正[5]。見表3。

定子繞組銅耗修正因子為：

式中：

ΔPcu為定子繞組銅耗修正因子；

PcuN和Pcu分別為定子銅耗設(shè)計(jì)值（95℃）和試驗(yàn)值；

IN和I 分別為定子電流額定值和試驗(yàn)值；

t 為定子繞組試驗(yàn)溫度；

k 為導(dǎo)體材料0℃時(shí)電阻溫度系數(shù)的倒數(shù)，對(duì)于銅繞組取235。

公式(4)同樣適用于對(duì)勵(lì)磁繞組的修正。

鐵心損耗通常包括磁滯損耗和渦流損耗，鐵心損耗修正因子為：

式中：

ΔPFe為鐵心損耗修正因子；

PFeN為鐵心損耗設(shè)計(jì)值；

UN和U 分別為定子電壓額定值和試驗(yàn)值。

對(duì)于采用水氫氫冷卻發(fā)電機(jī)，定子繞組采用水內(nèi)冷，定子銅耗轉(zhuǎn)化成的熱量被內(nèi)冷水帶出發(fā)電機(jī)，所以對(duì)定于內(nèi)冷水帶走損耗的修正，可通過(guò)定子繞組銅耗修正因子和試驗(yàn)定子內(nèi)冷水帶走的損耗進(jìn)行計(jì)算。

定子鐵心、端部結(jié)構(gòu)件和轉(zhuǎn)子繞組采用氫氣冷卻，定子鐵耗與勵(lì)磁損耗轉(zhuǎn)化成的熱量被氫冷器冷卻水帶出發(fā)電機(jī)，故對(duì)氫冷器冷卻水帶走損耗的修正，可通過(guò)定子鐵耗與勵(lì)磁損耗各自修正因子和試驗(yàn)時(shí)氫冷器冷卻水帶走的損耗進(jìn)行計(jì)算。

電刷電損耗、軸承摩擦損耗一般不做修正。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)中所采用的測(cè)試手段及測(cè)試儀器符合有關(guān)國(guó)標(biāo)的要求，試驗(yàn)運(yùn)行工況基本穩(wěn)定，各部件溫度均已穩(wěn)定，在試驗(yàn)過(guò)程中溫度變化均小于1 ℃，本次測(cè)量數(shù)據(jù)采取多個(gè)測(cè)量時(shí)間段的平均值，有效減小了讀數(shù)誤差帶來(lái)的影響，本次試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)量參數(shù)修正而得到的發(fā)電機(jī)在額定工況下的效率是可信的，該機(jī)組的發(fā)電機(jī)效率試驗(yàn)值為98.988%。達(dá)到了制造廠設(shè)計(jì)保證值大于98.97%的要求。