淺談火電機(jī)組發(fā)電機(jī)性能試驗(yàn)方法

摘 要：描述了發(fā)電機(jī)效率、溫升、漏氫量的測(cè)試原理及方法流程，并以某火力發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組為例計(jì)算出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，可為其他火電機(jī)組的發(fā)電機(jī)性能試驗(yàn)提供參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)效率；量熱法；溫升；漏氫量

中圖分類號(hào)：TK38? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）16-0028-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.008

0? ? 引言

為考核發(fā)電機(jī)組是否滿足設(shè)計(jì)要求，筆者對(duì)多臺(tái)火電機(jī)組開展過(guò)發(fā)電機(jī)性能試驗(yàn)，本文將介紹常規(guī)試驗(yàn)原理，羅列具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及最終試驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)講解試驗(yàn)方法，為其他電廠開展同類試驗(yàn)提供思路和技術(shù)參考[1]。

以某火力發(fā)電廠為例，其裝設(shè)2×310 MW亞臨界燃煤機(jī)組，發(fā)電機(jī)額定容量364.7 MVA，額定功率310 MW，定子電壓24 kV，定子電流8 773.5 A，功率因數(shù)0.85（遲相），額定勵(lì)磁電壓500 V，額定勵(lì)磁電流2 440 A，頻率50 Hz，設(shè)計(jì)效率98.84%。發(fā)電機(jī)為水氫氫型冷卻方式，定子繞組采用水內(nèi)冷方式，定子鐵芯、轉(zhuǎn)子表面采用氫冷方式。

1? ? 發(fā)電機(jī)效率試驗(yàn)

1.1? ? 量熱法原理

對(duì)300 MW等級(jí)水氫氫型汽輪發(fā)電機(jī)的效率考核試驗(yàn)，一般采用量熱法[2]。在發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的各類損耗，最終會(huì)以熱量的形式傳遞給周圍的冷卻介質(zhì)，使冷卻介質(zhì)的溫度上升，因此可以通過(guò)測(cè)量這些熱量來(lái)推算發(fā)電機(jī)的損耗，從而計(jì)算出發(fā)電機(jī)的效率。

為了對(duì)發(fā)電機(jī)總損耗進(jìn)行分類，試驗(yàn)時(shí)給發(fā)電機(jī)規(guī)定一個(gè)將發(fā)電機(jī)全部包在里面的基準(zhǔn)表面，該表面內(nèi)所有的熱損耗都通過(guò)這個(gè)表面散發(fā)。通過(guò)劃分歸類，發(fā)電機(jī)總損耗為基準(zhǔn)表面內(nèi)部損耗Pi與基準(zhǔn)表面外部損耗Pe。

基準(zhǔn)表面內(nèi)部損耗包括兩部分：主要部分是可用量熱法測(cè)量的能量損耗P1，即由冷卻介質(zhì)帶出基準(zhǔn)表面；其他部分是非冷卻介質(zhì)傳遞，而以對(duì)流、輻射等形式通過(guò)基準(zhǔn)表面散發(fā)的能量損耗P2。

基準(zhǔn)表面外部損耗是在基準(zhǔn)表面之外，但參與發(fā)電機(jī)運(yùn)行的設(shè)備能量損耗，包括兩部分：輔助設(shè)備能量損耗P3與軸承和油密封摩擦損耗P4。

1.2? ? 量熱法數(shù)據(jù)處理

發(fā)電機(jī)效率按下式計(jì)算：

η=1- ×100%? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：η為發(fā)電機(jī)效率；∑P為發(fā)電機(jī)總損耗；Pg為發(fā)電機(jī)輸出有功功率。

∑P=Pi+Pe=P1+P2+P3+P4? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

1.2.1? ? 冷卻介質(zhì)帶走的能量損耗

根據(jù)該電廠實(shí)際情況，由冷卻介質(zhì)帶走的能量損耗分為由定子繞組內(nèi)冷卻水帶走和發(fā)電機(jī)氫冷器冷卻水帶走兩個(gè)部分。水氫氫型發(fā)電機(jī)水系統(tǒng)如圖1所示。

當(dāng)發(fā)電機(jī)處于熱平衡狀態(tài)[3]時(shí)，由冷卻水帶走的損耗P1計(jì)算式：

P1=Cp×Q×ρ×Δt? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：Cp為壓力為p時(shí)冷卻介質(zhì)（水）的比熱，溫度取進(jìn)、出口水溫間的積分平均溫度；Q為冷卻介質(zhì)（水）的體積流量；ρ為在流量測(cè)量溫度下冷卻介質(zhì)（水）的密度；Δt為冷卻介質(zhì)（水）的溫升。

1.2.2? ? 基準(zhǔn)表面散發(fā)的能量損耗

通過(guò)基準(zhǔn)表面散發(fā)的能量損耗P2分為通過(guò)發(fā)電機(jī)機(jī)殼表面散發(fā)的損耗（只考慮對(duì)流散熱）和基礎(chǔ)散熱損耗、轉(zhuǎn)子軸向傳導(dǎo)損耗（忽略不計(jì)），計(jì)算式如下：

P2=h×A×Δt×10-3? ? ? ? ? ? ? ?（4）

h=11+3v? ? ? （5）

式中：h為發(fā)電機(jī)表面散熱系數(shù)；A為發(fā)電機(jī)機(jī)殼散熱表面積；Δt為發(fā)電機(jī)表面與環(huán)境溫度差值；v為環(huán)境空氣流速。

1.2.3? ? 輔助設(shè)備能量損耗與軸承和油密封摩擦損耗

輔助設(shè)備能量損耗P3主要是勵(lì)磁系統(tǒng)損耗，包括勵(lì)磁變壓器損耗、可控硅整流橋損耗、石墨電刷（取2 V壓降）損耗，計(jì)算式如下：

P3=Pex-Uex×Iex×10-3+2×Iex×10-3? ? （6）

式中：Pex為實(shí)測(cè)勵(lì)磁變壓器輸入的有功功率；Uex為實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓；Iex為實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流。

軸承和油密封摩擦損耗P4一般無(wú)法測(cè)量，通常采用廠家提供的資料。

1.2.4? ? 數(shù)據(jù)修正

受調(diào)度及實(shí)際運(yùn)行等因素影響，試驗(yàn)工況下發(fā)電機(jī)很難按額定參數(shù)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)試驗(yàn)工況下功率因數(shù)高于額定值時(shí)，實(shí)際運(yùn)行的發(fā)電機(jī)定子電流較額定電流稍小，會(huì)導(dǎo)致定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、定子鐵耗降低，最終影響試驗(yàn)結(jié)果。如出現(xiàn)此類情況，需進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。

根據(jù)該電廠水氫氫型發(fā)電機(jī)的實(shí)際情況，定子銅耗產(chǎn)生的熱量被內(nèi)冷卻水帶走，所以應(yīng)對(duì)定子繞組內(nèi)冷卻水帶走的損耗進(jìn)行修正，修正值公式如下：

ΔPCu=1- ×PCu? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

式中：ΔPCu為發(fā)電機(jī)定子繞組銅耗修正值；I為實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)定子電流；IN為發(fā)電機(jī)額定定子電流；PCu為發(fā)電機(jī)定子繞組銅耗設(shè)計(jì)值。

轉(zhuǎn)子銅耗產(chǎn)生的熱量被發(fā)電機(jī)氫冷器冷卻水帶走，該部分修正值的計(jì)算公式如下：

ΔPfCu=1- ×PfCu? ? ? ? ? ?（8）

式中：ΔPfCu為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組損耗修正值；Iex為實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流；IexN為發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流；PfCu為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子銅耗設(shè)計(jì)值。

定子鐵耗產(chǎn)生的熱量被發(fā)電機(jī)氫冷器冷卻水帶走，該部分修正值的計(jì)算公式如下：

ΔPFe=1- ×PFeN? ? ? ? ? ? ? ? （9）

式中：ΔPFe為發(fā)電機(jī)定子鐵芯損耗修正值；U為實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)定子電壓；UN為發(fā)電機(jī)額定定子電壓；PFeN為發(fā)電機(jī)定子鐵芯損耗設(shè)計(jì)值。

1.3? ? 試驗(yàn)方法及測(cè)點(diǎn)

發(fā)電機(jī)在額定工況下運(yùn)行，當(dāng)各部分溫度達(dá)到穩(wěn)定后，用測(cè)定冷卻介質(zhì)流量與溫升的方法確定由冷卻介質(zhì)帶走的熱量損耗，計(jì)入不傳遞給冷卻介質(zhì)而由機(jī)殼表面散發(fā)的損耗及基準(zhǔn)表面外部損耗。試驗(yàn)結(jié)果選用穩(wěn)定運(yùn)行的2 h數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，把各項(xiàng)損耗相加，得到發(fā)電機(jī)總損耗[4]。

電氣測(cè)量部分，發(fā)電機(jī)有功功率、無(wú)功功率、定子電壓、定子電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁變有功功率、勵(lì)磁電流使用現(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)量；溫度、流量測(cè)量部分如表1所示。

1.4? ? 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

按公式（1）及表2數(shù)據(jù)得到1號(hào)發(fā)電機(jī)效率值為99.01%，大于設(shè)計(jì)值98.84%。

2? ? 發(fā)電機(jī)溫升試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的各種損耗會(huì)使發(fā)電機(jī)各部分的溫度提高，若單位時(shí)間內(nèi)發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)帶走的熱量小于產(chǎn)生的熱量，電機(jī)各部分的溫度就會(huì)逐漸升高，當(dāng)溫度超過(guò)絕緣材料或結(jié)構(gòu)件的容許溫度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致絕緣材料老化或結(jié)構(gòu)件損壞，縮短發(fā)電機(jī)使用年限。

2.1? ? 試驗(yàn)原理及方法

發(fā)電機(jī)溫升試驗(yàn)一般采用直接負(fù)載法[5]。試驗(yàn)時(shí)1號(hào)發(fā)電機(jī)在額定工況下穩(wěn)定運(yùn)行（可與發(fā)電機(jī)效率試驗(yàn)同時(shí)開展），每隔30 min記錄一次數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)電機(jī)各部分溫度變化在最后1 h內(nèi)不超過(guò)2 ℃時(shí)，視作發(fā)電機(jī)發(fā)熱達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。取穩(wěn)定階段中幾個(gè)時(shí)間間隔溫度的平均值作為溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

定子繞組進(jìn)出水溫、定子繞組溫度、定子鐵芯溫度、軸瓦溫度、軸承進(jìn)出油溫度均采用埋置的三線制鉑電阻測(cè)溫元件測(cè)量；轉(zhuǎn)子繞組溫度θ0通過(guò)電阻法測(cè)量，計(jì)算公式如下：

θ0= ×（235+θ1）+θ1? ? ? ? ? ?（10）

式中：R2為溫升試驗(yàn)時(shí)的繞組電阻；R1為實(shí)際冷態(tài)時(shí)的繞組電阻；θ1為對(duì)應(yīng)實(shí)際冷態(tài)測(cè)定R1時(shí)的繞組溫度。

根據(jù)交接試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)，1號(hào)發(fā)電機(jī)28 ℃時(shí)轉(zhuǎn)子繞組直流電阻0.143 0 Ω；溫升試驗(yàn)時(shí)的繞組電阻通過(guò)轉(zhuǎn)子繞組的電流和電壓加權(quán)平均值計(jì)算得出。

2.2? ? 試驗(yàn)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值

1號(hào)發(fā)電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組絕緣均為F級(jí)，制造廠說(shuō)明按B級(jí)考核，試驗(yàn)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值如表3所示。

在額定負(fù)荷工況下，1號(hào)發(fā)電機(jī)各項(xiàng)溫度值未超過(guò)國(guó)標(biāo)的溫度限值，溫升性能合格。

3? ? 發(fā)電機(jī)漏氫量試驗(yàn)

1號(hào)發(fā)電機(jī)氫冷系統(tǒng)額定氫壓0.3 MPa，氫氣額定純度98%，漏氫量小于8 Nm3/d。

3.1? ? 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)前發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫至額定氫氣壓力、純度后與外部氫氣系統(tǒng)隔離；試驗(yàn)中不得進(jìn)行氫氣取樣、排污和補(bǔ)氫操作；氫氣純度小于95%或氫氣壓力小于260 kPa時(shí)，中止試驗(yàn)；試驗(yàn)期間發(fā)電機(jī)其他參數(shù)（如負(fù)荷、功率因數(shù)等）的數(shù)值不作限定，但試驗(yàn)開始后輸出功率、氫氣冷卻器的冷卻水流量等盡量保持不變，以維持機(jī)內(nèi)氫氣溫度變化最小。

3.2? ? 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)及數(shù)據(jù)處理

發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣壓力采用現(xiàn)場(chǎng)壓力變送器測(cè)量，氫氣溫度采用現(xiàn)場(chǎng)電阻溫度計(jì)測(cè)量，氫氣純度采用現(xiàn)場(chǎng)氫氣純度表測(cè)量，大氣壓力采用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力表測(cè)量。

發(fā)電機(jī)的漏氫量按下式計(jì)算：

ΔVH=V×? ?（11）

式中：ΔVH為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下發(fā)電機(jī)24 h的漏氫量；V為發(fā)電機(jī)內(nèi)充氫容積；P1為試驗(yàn)開始時(shí)的機(jī)內(nèi)氫氣表壓；B1為試驗(yàn)開始時(shí)的大氣絕對(duì)壓力；θ1為試驗(yàn)開始時(shí)的機(jī)內(nèi)平均氫氣溫度；P2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的機(jī)內(nèi)氫氣表壓；B2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的大氣絕對(duì)壓力；θ2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的機(jī)內(nèi)平均氫氣溫度；θ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大氣絕對(duì)溫度；P0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大氣絕對(duì)壓力；Δt為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。

3.3? ? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)測(cè)試和計(jì)算，1號(hào)發(fā)電機(jī)漏氫量為5.88 Nm3/d，小于保證值8 Nm3/d，測(cè)試數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果如表4所示。

4? ? 結(jié)束語(yǔ)

本文中試驗(yàn)數(shù)據(jù)以DCS數(shù)據(jù)為主，隨著技術(shù)進(jìn)步，數(shù)據(jù)采集精度提高，火力發(fā)電廠專業(yè)人員均可采用DCS數(shù)據(jù)粗略評(píng)估發(fā)電機(jī)日常運(yùn)行情況。當(dāng)然，通過(guò)嚴(yán)格的發(fā)電機(jī)性能試驗(yàn)?zāi)軠?zhǔn)確掌握發(fā)電機(jī)的真實(shí)性能，為機(jī)組驗(yàn)收或改造計(jì)劃提供技術(shù)支持，為改造效果評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)參考。

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收稿日期：2023-04-19

作者簡(jiǎn)介：周慶廣（1987—），男，山東人，工程師，研究方向：電廠電氣二次。