氫冷發(fā)電機氫氣系統(tǒng)經(jīng)濟運行的探討

陳喜江 朱啟春

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

關(guān)鍵詞：氫冷發(fā)電機? 氫氣純度? 經(jīng)濟運行? 風(fēng)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(fā)電機組運行過程中，通過維持氫氣純度，提高發(fā)電機運行的安全性及經(jīng)濟性。氫氣純度不合格會增加發(fā)電機的風(fēng)摩損耗，降低發(fā)電機的發(fā)電效率，增加發(fā)電機的運行成本，并且增加發(fā)電機的安全隱患。發(fā)電機內(nèi)氫氣純度按容積計應(yīng)在96%以上，最好運行在98%以上以提高效率[1-2]。發(fā)電機轉(zhuǎn)子的兩端依靠密封油系統(tǒng)進行密封，可以防止外界空氣侵入和發(fā)電機內(nèi)的氫氣外泄。在機組運行中發(fā)現(xiàn)氫氣純度低，為了提高發(fā)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(fā)電機氫氣系統(tǒng)的經(jīng)濟運行是每個電廠追求的目標。

1? 氫冷發(fā)電機氫氣純度經(jīng)濟運行優(yōu)化模型

1.1經(jīng)濟性模型

氫冷發(fā)電機組運行過程中，影響氫氣系統(tǒng)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(fā)電機氫氣純度[3]。

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

發(fā)電機在運行中產(chǎn)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(fā)電機氫氣系統(tǒng)的純度影響的是發(fā)電機機械損耗中的風(fēng)摩損耗。

在發(fā)電機氫氣純度w時，對應(yīng)發(fā)電機的風(fēng)摩損耗生產(chǎn)的損失為：

在ω變化時，發(fā)電機的總經(jīng)濟損耗為

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

1.2補氫模型

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

1.3發(fā)電機風(fēng)摩損耗

根據(jù)J.Bear等的研究[4]，發(fā)電機相對表面粗糙度可達到0.02以上，一般發(fā)電機雷諾數(shù)很少小于Re=105，此時，摩擦系數(shù)不取決于雷諾數(shù)，發(fā)電機的風(fēng)摩損耗與發(fā)電機內(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)電機內(nèi)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(fā)電機風(fēng)摩損耗為P0，則在氫氣純度ω時，發(fā)電機風(fēng)摩損耗：

2? 應(yīng)用實例

國能常州發(fā)電有限公司#1、#2機組發(fā)電機為上海汽輪發(fā)電機有限公司生產(chǎn)的 QFSN-600-2 三相同步汽輪發(fā)電機。發(fā)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(fā)電機內(nèi)額定氣體體積為90m3，其風(fēng)摩耗試驗值為497kW[6]。通過補排氫的方法來控制發(fā)電機內(nèi)氫氣純度。

2.1最經(jīng)濟氫氣純度

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

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

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

發(fā)電機改變氫氣純度后與總經(jīng)濟損耗的對應(yīng)關(guān)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(tǒng)的氫氣運行純度的調(diào)整，可以產(chǎn)生的年效益為：

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

2.3漏入空氣量對最低經(jīng)濟損耗值的影響

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

并計算出N對應(yīng)的最低經(jīng)濟損耗值，結(jié)果如圖2所示。

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

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

3? 結(jié)論與建議

（1）可以通過改變發(fā)電機氫氣系統(tǒng)運行的純度來追求發(fā)電機的經(jīng)濟運行。

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

參考文獻

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