大型水氫氫冷卻汽輪發(fā)電機效率試驗

韓 毅

（國能陳家港發(fā)電有限公司，江蘇陳家港 224631）

引言

大型汽輪發(fā)電機的效率一般在出廠時已經(jīng)確定,為了現(xiàn)場驗證汽輪發(fā)電機是否滿足設(shè)計要求，需對其進行效率試驗[1]。我國于1985 年頒布了現(xiàn)場用“量熱法”測定發(fā)電機效率的標準[2]，本研究以某電廠發(fā)電機效率試驗結(jié)果為例，對發(fā)電機各部分損耗測量、效率計算、運行參數(shù)修正等給予了說明，對現(xiàn)場大型同步發(fā)電機效率試驗具有指導(dǎo)意義。

1 量熱法基本原理

量熱法一般用于大型旋轉(zhuǎn)電機效率試驗中，其基本原理是電機內(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，可以測量電機所產(chǎn)生的熱量來計算電機損耗。發(fā)電機效率可由下式計算：

式中：

η 為發(fā)電機效率，%；

P 為發(fā)電機輸出功率，kW；

∑ps為發(fā)電機總損耗，kW。

為了對總損耗進行分類，給電機規(guī)定一個基準表面，各項損耗可分為兩大類：

（1） 基準表面內(nèi)部的損耗Pi。

基準表面內(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，并可用量熱法測量的損耗，這是基準表面內(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)、對流、輻射、滲漏等型式通過基準表面散發(fā)的損耗，它占總損耗的一小部分，可用量熱法進行測量，也可以用計算方法求得。

（2） 基準表面外部的損耗Pe(軸承摩擦損耗、輔助設(shè)備損耗）。

1.1 基準面內(nèi)的損耗

（1） 電機各部溫度達到熱穩(wěn)定后，以熱的形式由冷卻介質(zhì)帶走，可以用量熱法測量的損耗，是發(fā)電機損耗的主要部分，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)，其中主要為機殼表面的對流熱損耗，其余均非常小，可以忽略不計的。機殼表面的對流熱損耗計算公式為：

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)電機外表面溫度與環(huán)境溫度之差值，K。

1.2 基準面外的損耗

（1） 軸承摩擦損耗，發(fā)電機前后軸承損耗均計入總損耗中。本部分能量損耗由發(fā)電機潤滑油和密封油帶走?？捎霉?2)計算或采用廠家試驗值。

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

式中：

Pex為勵磁變高壓側(cè)有功功率；

Uex為發(fā)電機勵磁電壓；

Iex為勵磁電流。

電刷損耗可用下列公式計算：

式中：

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

2 試驗結(jié)果及計算

2.1 發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)

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

表1 發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)

2.2 試驗結(jié)果

對某電廠發(fā)電機進行效率試驗，機組升至滿負荷并經(jīng)過3 h 的穩(wěn)定運行后，發(fā)電機冷卻介質(zhì)的溫度、流量以及電氣運行參數(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，此時發(fā)電機達到熱平衡狀態(tài)，開始測取計算發(fā)電機各個參量[3]。

主要有：

（1） 電量參數(shù)。

（2） 溫度參數(shù)。

（3） 流量參數(shù)。

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

表2 試驗時運行參數(shù)

表3 試驗結(jié)果與修正計算

2.3 效率修正

由于試驗時試驗參數(shù)和額定參數(shù)存在一定的偏差，當以這種非額定條件的方式考核發(fā)電機效率時，需要對效率試驗值進行參數(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)計值（95℃）和試驗值；

IN和I 分別為定子電流額定值和試驗值；

t 為定子繞組試驗溫度；

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

公式(4)同樣適用于對勵磁繞組的修正。

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)計值；

UN和U 分別為定子電壓額定值和試驗值。

對于采用水氫氫冷卻發(fā)電機，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，所以對定于內(nèi)冷水帶走損耗的修正，可通過定子繞組銅耗修正因子和試驗定子內(nèi)冷水帶走的損耗進行計算。

定子鐵心、端部結(jié)構(gòu)件和轉(zhuǎn)子繞組采用氫氣冷卻，定子鐵耗與勵磁損耗轉(zhuǎn)化成的熱量被氫冷器冷卻水帶出發(fā)電機，故對氫冷器冷卻水帶走損耗的修正，可通過定子鐵耗與勵磁損耗各自修正因子和試驗時氫冷器冷卻水帶走的損耗進行計算。

電刷電損耗、軸承摩擦損耗一般不做修正。

3 試驗結(jié)果分析

本次試驗中所采用的測試手段及測試儀器符合有關(guān)國標的要求，試驗運行工況基本穩(wěn)定，各部件溫度均已穩(wěn)定，在試驗過程中溫度變化均小于1 ℃，本次測量數(shù)據(jù)采取多個測量時間段的平均值，有效減小了讀數(shù)誤差帶來的影響，本次試驗測量數(shù)據(jù)是準確的，經(jīng)過對測量參數(shù)修正而得到的發(fā)電機在額定工況下的效率是可信的，該機組的發(fā)電機效率試驗值為98.988%。達到了制造廠設(shè)計保證值大于98.97%的要求。