陳喜江 朱啟春

摘要：提高氫冷發(fā)電機(jī)的氫氣純度可以極高發(fā)電機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，但是同時(shí)為了維持較高的氫氣純度需要產(chǎn)生一定的費(fèi)用，文中通過(guò)建立氫冷發(fā)電機(jī)氫氣純度經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化模型，可以找到在一定工況下氫氣系統(tǒng)的運(yùn)行的最經(jīng)濟(jì)氫氣純度。本文以國(guó)產(chǎn)600MW氫冷發(fā)電機(jī)為例，運(yùn)用氫冷發(fā)電機(jī)氫氣純度經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化模型對(duì)氫氣系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行了計(jì)算和分析，通過(guò)Excel中規(guī)劃求解的方法找到了最經(jīng)濟(jì)氫氣純度，并分析了發(fā)電機(jī)損耗與漏入空氣量的關(guān)系，驗(yàn)證了發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的可行性，取得了滿(mǎn)意的效果。

關(guān)鍵詞：氫冷發(fā)電機(jī)? 氫氣純度? 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行? 風(fēng)摩損耗

中圖分類(lèi)號(hào)：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(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)維持氫氣純度，提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性。氫氣純度不合格會(huì)增加發(fā)電機(jī)的風(fēng)摩損耗，降低發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，增加發(fā)電機(jī)的運(yùn)行成本，并且增加發(fā)電機(jī)的安全隱患。發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度按容積計(jì)應(yīng)在96%以上，最好運(yùn)行在98%以上以提高效率[1-2]。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩端依靠密封油系統(tǒng)進(jìn)行密封，可以防止外界空氣侵入和發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣外泄。在機(jī)組運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)氫氣純度低，為了提高發(fā)電機(jī)氫氣純度不得不頻繁置換氫氣，造成能源的浪費(fèi)，并大大增加了制氫站、運(yùn)行人員的工作量。發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是每個(gè)電廠(chǎng)追求的目標(biāo)。

1? 氫冷發(fā)電機(jī)氫氣純度經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化模型

1.1經(jīng)濟(jì)性模型

氫冷發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，影響氫氣系統(tǒng)純度的因素有很多，不同機(jī)組氫氣純度下降的速率也不同。一般采用補(bǔ)排氫或者氫氣提純的方法維持發(fā)電機(jī)氫氣純度[3]。

在發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)壓力，溫度不變的情況下，為了維持機(jī)組維持氫氣純度w，產(chǎn)生的費(fèi)用為：

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生損耗的部件可分為五大類(lèi)，即機(jī)械損耗、勵(lì)磁損耗、定子銅損、鐵損、電氣附加損耗。發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)的純度影響的是發(fā)電機(jī)機(jī)械損耗中的風(fēng)摩損耗。

在發(fā)電機(jī)氫氣純度w時(shí)，對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)摩損耗生產(chǎn)的損失為：

在ω變化時(shí)，發(fā)電機(jī)的總經(jīng)濟(jì)損耗為

因此，可以通過(guò)找出氫氣純度wi使得發(fā)電機(jī)的總經(jīng)濟(jì)損耗最低，則該純度為當(dāng)前工況下氫冷發(fā)電機(jī)氫氣的最經(jīng)濟(jì)純度，此時(shí)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最高。

1.2補(bǔ)氫模型

氫冷發(fā)電機(jī)運(yùn)行單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入的空氣量為v1，通過(guò)連續(xù)補(bǔ)排的方式為了維持氫氣純度w，單位時(shí)間內(nèi)所需要補(bǔ)充氫氣的量為v2

1.3發(fā)電機(jī)風(fēng)摩損耗

根據(jù)J.Bear等的研究[4]，發(fā)電機(jī)相對(duì)表面粗糙度可達(dá)到0.02以上，一般發(fā)電機(jī)雷諾數(shù)很少小于Re=105，此時(shí)，摩擦系數(shù)不取決于雷諾數(shù)，發(fā)電機(jī)的風(fēng)摩損耗與發(fā)電機(jī)內(nèi)氣體密度成正比關(guān)系。

大氣壓下空氣的密度是氫氣的14.35倍，發(fā)電機(jī)內(nèi)混合氣體的密度相對(duì)于氫氣的比重可按下式確定：

假如在氫氣純度在ω0時(shí)，發(fā)電機(jī)風(fēng)摩損耗為P0，則在氫氣純度ω時(shí)，發(fā)電機(jī)風(fēng)摩損耗：

2? 應(yīng)用實(shí)例

國(guó)能常州發(fā)電有限公司#1、#2機(jī)組發(fā)電機(jī)為上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司生產(chǎn)的 QFSN-600-2 三相同步汽輪發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)內(nèi)額定氣體體積為90m3，其風(fēng)摩耗試驗(yàn)值為497kW[6]。通過(guò)補(bǔ)排氫的方法來(lái)控制發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度。

2.1最經(jīng)濟(jì)氫氣純度

如表1所示，該廠(chǎng)#1、#2發(fā)電機(jī)某一時(shí)間段內(nèi)氫氣系統(tǒng)的空氣漏入情況。

我們按照上網(wǎng)電價(jià)0.4元/（kW.h），氫氣價(jià)格10元/m3，計(jì)算發(fā)電機(jī)當(dāng)前時(shí)段的總經(jīng)濟(jì)損耗列入表2。

列出總經(jīng)濟(jì)損耗與氫氣純度的關(guān)系式后，通過(guò)excel中規(guī)劃求解的方法[7]得到了發(fā)電機(jī)當(dāng)前工況下最佳的氫氣純度以及對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如表3所示。

發(fā)電機(jī)改變氫氣純度后與總經(jīng)濟(jì)損耗的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

2.2效益分析

按照年運(yùn)行300d計(jì)算，兩臺(tái)機(jī)組通過(guò)氫氣系統(tǒng)的氫氣運(yùn)行純度的調(diào)整，可以產(chǎn)生的年效益為：

（4844.2-3817.8+4374.3-3416.3） ′300=59.5萬(wàn)元。

2.3漏入空氣量對(duì)最低經(jīng)濟(jì)損耗值的影響

不難得出在氫氣純度0～100%之間，發(fā)電機(jī)總經(jīng)濟(jì)損耗存在唯一最小值。對(duì)其函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，令其導(dǎo)數(shù)為零，求得最經(jīng)濟(jì)氫氣純度ωi與發(fā)電機(jī)漏入空氣體積N（m3/d）之間的關(guān)系為：

并計(jì)算出N對(duì)應(yīng)的最低經(jīng)濟(jì)損耗值，結(jié)果如圖2所示。

可以看出發(fā)電機(jī)單位時(shí)間漏入的空氣量越多，發(fā)電機(jī)可以得到的最低經(jīng)濟(jì)損耗值越高，所以為了發(fā)電機(jī)的更經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須設(shè)法降低發(fā)電機(jī)單位時(shí)間漏入的空氣量[8-9]。

假如一臺(tái)同型號(hào)工況發(fā)電機(jī)漏入空氣體積從3m3/d治理成1m3/d。假設(shè)其治理前后均在最經(jīng)濟(jì)的氫氣純度下運(yùn)行，按照年運(yùn)行300d計(jì)算，可以產(chǎn)生的年效益為：（5312.5-4389.1）′300=27.7萬(wàn)元。

3? 結(jié)論與建議

（1）可以通過(guò)改變發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)運(yùn)行的純度來(lái)追求發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

（2）相同機(jī)組影響發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)損耗的重要指標(biāo)是發(fā)電機(jī)的漏入空氣量，因此需要設(shè)法降低發(fā)電機(jī)的漏空氣量。

參考文獻(xiàn)

[1]袁丁.氫冷燃?xì)獍l(fā)電機(jī)漏氫預(yù)防及監(jiān)測(cè)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2019.

[2]徐歌.基于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)電機(jī)氫氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2018.

[3]王輝.發(fā)電機(jī)氫氣純度超標(biāo)的分析和防范措施[J].產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究，2020（14）：152-153.

[4]J.Bear，李琛.旋轉(zhuǎn)電機(jī)通風(fēng)損耗的計(jì)算與測(cè)量[J].國(guó)外大電機(jī)，1994（1）：7-11

[5]肖士勇.分?jǐn)?shù)極路比同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障建模及暫態(tài)電磁問(wèn)題研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2019.

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

[7]顧運(yùn)筠. Excel規(guī)劃求解的兩類(lèi)應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2005，22（1）：137-139.

[8]舒永先.火電廠(chǎng)冷卻塔落水噪聲特性及降噪方法研究與應(yīng)用[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2020.

[9]郭超.動(dòng)車(chē)組制動(dòng)用永磁渦流緩速器的研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2020.

3897500338286