氢冷发电机氢气系统经济运行的探讨

陈喜江 朱启春

摘要：提高氢冷发电机的氢气纯度可以极高发电机运行的经济性，但是同时为了维持较高的氢气纯度需要产生一定的费用，文中通过建立氢冷发电机氢气纯度经济运行的优化模型，可以找到在一定工况下氢气系统的运行的最经济氢气纯度。本文以国产600MW氢冷发电机为例，运用氢冷发电机氢气纯度经济运行的优化模型对氢气系统的经济运行进行了计算和分析，通过Excel中规划求解的方法找到了最经济氢气纯度，并分析了发电机损耗与漏入空气量的关系，验证了发电机氢气系统经济性运行的可行性，取得了满意的效果。

关键词：氢冷发电机  氢气纯度  经济运行  风摩损耗

中图分类号：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

氢冷发电机组运行过程中，通过维持氢气纯度，提高发电机运行的安全性及经济性。氢气纯度不合格会增加发电机的风摩损耗，降低发电机的发电效率，增加发电机的运行成本，并且增加发电机的安全隐患。发电机内氢气纯度按容积计应在96%以上，最好运行在98%以上以提高效率[1-2]。发电机转子的两端依靠密封油系统进行密封，可以防止外界空气侵入和发电机内的氢气外泄。在机组运行中发现氢气纯度低，为了提高发电机氢气纯度不得不频繁置换氢气，造成能源的浪费，并大大增加了制氢站、运行人员的工作量。发电机氢气系统的经济运行是每个电厂追求的目标。

1  氢冷发电机氢气纯度经济运行优化模型

1.1经济性模型

氢冷发电机组运行过程中，影响氢气系统纯度的因素有很多，不同机组氢气纯度下降的速率也不同。一般采用补排氢或者氢气提纯的方法维持发电机氢气纯度[3]。

在发电机氢气系统压力，温度不变的情况下，为了维持机组维持氢气纯度w，产生的费用为：

发电机在运行中产生损耗的部件可分为五大类，即机械损耗、励磁损耗、定子铜损、铁损、电气附加损耗。发电机氢气系统的纯度影响的是发电机机械损耗中的风摩损耗。

在发电机氢气纯度w时，对应发电机的风摩损耗生产的损失为：

在ω变化时，发电机的总经济损耗为

因此，可以通过找出氢气纯度wi使得发电机的总经济损耗最低，则该纯度为当前工况下氢冷发电机氢气的最经济纯度，此时发电机的运行经济性最高。

1.2补氢模型

氢冷发电机运行单位时间内进入的空气量为v1，通过连续补排的方式為了维持氢气纯度w，单位时间内所需要补充氢气的量为v2

1.3发电机风摩损耗

根据J.Bear等的研究[4]，发电机相对表面粗糙度可达到0.02以上，一般发电机雷诺数很少小于Re=105，此时，摩擦系数不取决于雷诺数，发电机的风摩损耗与发电机内气体密度成正比关系。

大气压下空气的密度是氢气的14.35倍，发电机内混合气体的密度相对于氢气的比重可按下式确定：

假如在氢气纯度在ω0时，发电机风摩损耗为P0，则在氢气纯度ω时，发电机风摩损耗：

2  应用实例

国能常州发电有限公司#1、#2机组发电机为上海汽轮发电机有限公司生产的 QFSN-600-2 三相同步汽轮发电机。发电机采用水氢氢冷却方式[5]。正常氢气压力为0.4MPa，氢气纯度为96%，发电机内额定气体体积为90m3，其风摩耗试验值为497kW[6]。通过补排氢的方法来控制发电机内氢气纯度。

2.1最经济氢气纯度

如表1所示，该厂#1、#2发电机某一时间段内氢气系统的空气漏入情况。

我們按照上网电价0.4元/（kW.h），氢气价格10元/m³，计算发电机当前时段的总经济损耗列入表2。

列出总经济损耗与氢气纯度的关系式后，通过excel中规划求解的方法[7]得到了发电机当前工况下最佳的氢气纯度以及对应的经济指标，如表3所示。

发电机改变氢气纯度后与总经济损耗的对应关系如图1所示。

2.2效益分析

按照年运行300d计算，两台机组通过氢气系统的氢气运行纯度的调整，可以产生的年效益为：

（4844.2-3817.8+4374.3-3416.3） ´300=59.5万元。

2.3漏入空气量对最低经济损耗值的影响

不难得出在氢气纯度0～100%之间，发电机总经济损耗存在唯一最小值。对其函数进行求导，令其导数为零，求得最经济氢气纯度ωi与发电机漏入空气体积N（m³/d）之间的关系为：

并计算出N对应的最低经济损耗值，结果如图2所示。

可以看出发电机单位时间漏入的空气量越多，发电机可以得到的最低经济损耗值越高，所以为了发电机的更经济运行，必须设法降低发电机单位时间漏入的空气量[8-9]。

假如一台同型号工况发电机漏入空气体积从3m³/d治理成1m³/d。假设其治理前后均在最经济的氢气纯度下运行，按照年运行300d计算，可以产生的年效益为：（5312.5-4389.1）´300=27.7万元。

3  结论与建议

（1）可以通过改变发电机氢气系统运行的纯度来追求发电机的经济运行。

（2）相同机组影响发电机经济损耗的重要指标是发电机的漏入空气量，因此需要设法降低发电机的漏空气量。

参考文献

[1]袁丁.氢冷燃气发电机漏氢预防及监测研究[D].成都：西南交通大学，2019.

[2]徐歌.基于物联网的发电机氢气质量监测系统[D].郑州：郑州大学，2018.

[3]王辉.发电机氢气纯度超标的分析和防范措施[J].产业创新研究，2020（14）：152-153.

[4]J.Bear，李琛.旋转电机通风损耗的计算与测量[J].国外大电机，1994（1）：7-11

[5]肖士勇.分数极路比同步发电机内部故障建模及暂态电磁问题研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2019.

[6]舒武庆.水氢氢600MW汽轮发电机性能试验[J].上海大中型电机，1999（3）：13-20.

[7]顾运筠. Excel规划求解的两类应用[J]. 计算机应用与软件，2005，22（1）：137-139.

[8]舒永先.火电厂冷却塔落水噪声特性及降噪方法研究与应用[D].长沙：长沙理工大学，2020.

[9]郭超.动车组制动用永磁涡流缓速器的研究[D].大连：大连交通大学，2020.

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