发电机节能运行..

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1、氢冷发电机氢气品氢冷发电机氢气品质对运行的影响质对运行的影响华北电力科学研究院有限责任公司华北电力科学研究院有限责任公司白亚民白亚民为什么要使用氢气？为什么要使用氢气？氢气具有良好的导热性能和流动性，是目前大型氢气具有良好的导热性能和流动性，是目前大型发电机最主要的冷却介质。发电机最主要的冷却介质。600MW600MW及以上汽轮发电机基本上用水冷却定子绕及以上汽轮发电机基本上用水冷却定子绕组，用氢气冷却定子铁心和转子绕组，简称组，用氢气冷却定子铁心和转子绕组，简称“水水氢氢氢氢”。在发电机给定输出功率和绕组温度时，用氢气代在发电机给定输出功率和绕组温度时，用氢气代替空气可以节省大约替空气可以节

2、省大约2020的发电机结构材料。的发电机结构材料。氢气比空气密度低是另一个优点，在同样的压力氢气比空气密度低是另一个优点，在同样的压力和温度下，氢气的密度不到空气的十四分之一，和温度下，氢气的密度不到空气的十四分之一，因此可以明显减少通风摩擦损耗。因此可以明显减少通风摩擦损耗。氢气系统运行的基本要求氢气系统运行的基本要求发电机安全运行首先需要一个稳定的高压氢气源。发电机安全运行首先需要一个稳定的高压氢气源。传统的氢源是氢气瓶或管道连接至制氢站。采用后者的传统的氢源是氢气瓶或管道连接至制氢站。采用后者的电厂近些年越来越多，成本较低、安全性高，特别是置电厂近些年越来越多，成本较低、安全性高，特别是

3、置换氢气时，更易于实现提供高纯度、低露点、压力稳定换氢气时，更易于实现提供高纯度、低露点、压力稳定的氢气。的氢气。氢气属于易燃、易爆气体，必要的安全性措施要求极高。氢气属于易燃、易爆气体，必要的安全性措施要求极高。氢气与空气混合若占氢气与空气混合若占4 47474为爆炸范围，与氧气发为爆炸范围，与氧气发生反应，起爆能量非常小，因此任何情况下不允许与空生反应，起爆能量非常小，因此任何情况下不允许与空气混合，并应严密监测氢气百分比含量。气混合，并应严密监测氢气百分比含量。近几年氢气爆炸事故仍有发生。（大唐、国华、华能）近几年氢气爆炸事故仍有发生。（大唐、国华、华能）设计上保证了机壳足以承受氢气爆炸

4、力。按安全规范和设计上保证了机壳足以承受氢气爆炸力。按安全规范和反措使用氢气足以保证运行安全。反措使用氢气足以保证运行安全。氢气质量对发电机运行和性能的影响氢气质量对发电机运行和性能的影响氢气质量在以下三个方面与发电机运行氢气质量在以下三个方面与发电机运行和性能密切相关：和性能密切相关：纯度直接影响发电机的效率纯度直接影响发电机的效率氢湿度影响发电机内部绕组和金属结氢湿度影响发电机内部绕组和金属结构的寿命构的寿命压力的稳定性影响发电机最大输出功压力的稳定性影响发电机最大输出功率率重点介绍氢气纯度对发电机的影响重点介绍氢气纯度对发电机的影响氢气纯度要求的安全提示氢气纯度要求的安全提示600MW6

5、00MW汽轮发电机通常都配有氢气在线指示仪表，汽轮发电机通常都配有氢气在线指示仪表，有许多发电机还配装了漏氢在线监测仪，重点监测有许多发电机还配装了漏氢在线监测仪，重点监测封闭母线、内冷水箱、端盖等处的漏氢。封闭母线、内冷水箱、端盖等处的漏氢。氢气监测的标准：氢气监测的标准：GB/T 7064-2008GB/T 7064-2008隐极同步发电机隐极同步发电机技术要求、有关企业反措技术要求、有关企业反措监测的基本功能是要避免出现爆炸事故。监测的基本功能是要避免出现爆炸事故。额定氢气纯度是额定氢气纯度是9898，正常运行应，正常运行应9595以上。以上。纯度降至纯度降至90%90%以下并且不可能很

6、快上升，在纯度降以下并且不可能很快上升，在纯度降至至85%85%之前应停机并将氢气置换，自动注入二氧化之前应停机并将氢气置换，自动注入二氧化碳。碳。氢气纯度对发电机效率的影响氢气纯度对发电机效率的影响氢气纯度下降则气体密度增加，可引起通风氢气纯度下降则气体密度增加，可引起通风损耗增加，即发电机的效率下降，最终使得损耗增加，即发电机的效率下降，最终使得电厂的经济利益受到一定影响。电厂的经济利益受到一定影响。当氢气纯度从额定值下降一个很小的百分数当氢气纯度从额定值下降一个很小的百分数时，对发电机的安全性应不存在任何不利影时，对发电机的安全性应不存在任何不利影响，但对经济性的影响则是不可忽视的。响，

7、但对经济性的影响则是不可忽视的。国外有详细的分析研究，对维持高纯度氢气国外有详细的分析研究，对维持高纯度氢气运行的要求非常迫切。运行的要求非常迫切。美国美国20032003年年电力工程电力工程一篇文章进行了氢一篇文章进行了氢气纯度对发电机影响的量化分析。气纯度对发电机影响的量化分析。国外发电机的分析研究实例国外发电机的分析研究实例氢气纯度下降引起发电机风摩损耗增加的关系曲线，氢气纯度下降引起发电机风摩损耗增加的关系曲线，kWkW氢气纯度，氢气纯度，上图曲线的说明上图曲线的说明两条曲线分别是两条曲线分别是400MW400MW和和800MW800MW发电机发电机横坐标从左向右延伸表示纯度从横坐标从

8、左向右延伸表示纯度从100100下降到下降到9191，每格每格1 1。左纵坐标表示经济损失，单位是美元每天左纵坐标表示经济损失，单位是美元每天右纵坐标表示发电机风摩损耗，单位是右纵坐标表示发电机风摩损耗，单位是kWkW在氢气纯度低于在氢气纯度低于9999左右时风摩损耗就开始随纯度左右时风摩损耗就开始随纯度降低而呈反比线性增加降低而呈反比线性增加发电机容量越大，风摩损耗随氢气纯度下降而增大发电机容量越大，风摩损耗随氢气纯度下降而增大的变化斜率越大，即氢气纯度对较大的发电机影响的变化斜率越大，即氢气纯度对较大的发电机影响更大。更大。图示曲线可以查出纯度下降图示曲线可以查出纯度下降1 1对应的风摩损

9、耗。对应的风摩损耗。国外文献中的所作的经济效益计算国外文献中的所作的经济效益计算原文照译：以原文照译：以800MW800MW汽轮发电机为例汽轮发电机为例纯度在纯度在9999以下时，每下降以下时，每下降1 1，增加损耗风摩损耗，增加损耗风摩损耗366kW366kW换句话说，氢气纯度从换句话说，氢气纯度从9595每向上增加每向上增加1 1，相应就，相应就增加发电机输出功率增加发电机输出功率366kW 366kW 如果发电机氢气纯度从如果发电机氢气纯度从9595升到升到9898，上升，上升3 3，在，在燃料消耗没有任何变化的情况下，发电机组增加了燃料消耗没有任何变化的情况下，发电机组增加了超过超过1

10、MW1MW的输出功率。的输出功率。按每按每kWhkWh电价电价0.040.04美元计算，纯度上升美元计算，纯度上升3 3，按年运，按年运行行8000h8000h考虑，则每年可节约资金考虑，则每年可节约资金3232万美元万美元电厂如果有电厂如果有4 4台机组，则一年因氢气纯度的节能潜力台机组，则一年因氢气纯度的节能潜力为为128128万美元万美元照图估算到国内照图估算到国内600MW600MW发电机的情况发电机的情况从图中曲线可以得出从图中曲线可以得出800MW800MW和和400MW400MW发电机的风发电机的风摩损耗与纯度的关系：摩损耗与纯度的关系：800MW800MW发电机，纯度下降发电机

11、，纯度下降1 1，损耗增加，损耗增加366kW366kW400MW400MW发电机，纯度下降发电机，纯度下降1 1，损耗增加，损耗增加107kW107kW只要算出曲线的斜率就可以求出所求数值。只要算出曲线的斜率就可以求出所求数值。用曲线插值法很容易得出用曲线插值法很容易得出600MW600MW发电机风摩损耗与发电机风摩损耗与纯度的关系：纯度的关系：600MW600MW发电机纯度下降发电机纯度下降1 1，损耗增加，损耗增加240kW240kW按照国外文献的算法，纯度从额定的按照国外文献的算法，纯度从额定的9898下降到下降到9595，下降，下降3 3，燃料消耗不变但发电机损耗增加了，燃料消耗不变

12、但发电机损耗增加了720kW720kW按按kWhkWh电力电力0.30.3元上网电价计算，一台机组年运行元上网电价计算，一台机组年运行6000h6000h，氢气纯度上的节能潜力约为，氢气纯度上的节能潜力约为130130万元。万元。氢气纯度与电厂的经济效益直接挂钩氢气纯度与电厂的经济效益直接挂钩电厂通常有多台电厂通常有多台600MW600MW发电机，如果氢气纯度都常年在发电机，如果氢气纯度都常年在959596%96%运行，与损耗开始增加的运行，与损耗开始增加的9999纯度比较，差纯度比较，差了了3 34 4，安全方面绝对没有任何问题，但在燃料消，安全方面绝对没有任何问题，但在燃料消耗一样的情况下

13、，损失电功率至少几千耗一样的情况下，损失电功率至少几千kWkW，而且完全是，而且完全是在不知不觉之中失去的，表现在煤耗略有增加，很容易在不知不觉之中失去的，表现在煤耗略有增加，很容易被人们忽略。被人们忽略。计算取用的年运行计算取用的年运行6000h6000h是理想数据，是理想数据，20082008年中电联统年中电联统计显示，计显示，600MW600MW及以上机组平均年运行小时数不到及以上机组平均年运行小时数不到5000h5000h，上网电价各地区也差异很大，因此上面计算的经，上网电价各地区也差异很大，因此上面计算的经济效益数很不准，但可以肯定说绝不个小数目。济效益数很不准，但可以肯定说绝不个小

14、数目。目前我国在运行的目前我国在运行的600MW600MW发电机组约有发电机组约有300300台台(?)(?)，能够，能够长期保持氢气纯度在额定值以上的是少数。按平均每台长期保持氢气纯度在额定值以上的是少数。按平均每台机每年损失机每年损失130130万元计算，全国每年为此损失约万元计算，全国每年为此损失约4 4亿元，亿元，而且是不知不觉的损失。而且是不知不觉的损失。600MW600MW发电机氢气品质运行现状发电机氢气品质运行现状绝大部分绝大部分600MW600MW汽轮发电机为我国自己生产，细分汽轮发电机为我国自己生产，细分有哈尔滨和上海的优化引进西屋公司技术机型、东有哈尔滨和上海的优化引进西屋

15、公司技术机型、东方的日立机型、北重的阿尔斯通机型等等，全部为方的日立机型、北重的阿尔斯通机型等等，全部为氢气冷却。氢压一般为氢气冷却。氢压一般为0.4MPa0.4MPa。进油问题一直是我国发电机的老大难问题。大量的进油问题一直是我国发电机的老大难问题。大量的发电机存在向机内进油现象，同时混入空气，污染发电机存在向机内进油现象，同时混入空气，污染了机内氢气，使得氢气品质难以维持在额定值上。了机内氢气，使得氢气品质难以维持在额定值上。在略低于纯度额定值在略低于纯度额定值1 13 3上运行是普遍现象。上运行是普遍现象。漏氢情况比较好，少数发电机超标，并且易于解决。漏氢情况比较好，少数发电机超标，并且

16、易于解决。基本上配备了比较先进的热导式纯度在线监测仪，基本上配备了比较先进的热导式纯度在线监测仪，多数是进口产品（如美国多数是进口产品（如美国HoneywellHoneywell），测量精度是），测量精度是比较满意的，但测量方法上存在一些误区。比较满意的，但测量方法上存在一些误区。氢气纯度测量上的一些问题和建议氢气纯度测量上的一些问题和建议关于机内氧气含量的测量关于机内氧气含量的测量氢气爆炸的必要条件之一是有氧气参与，所以为防止爆氢气爆炸的必要条件之一是有氧气参与，所以为防止爆炸需要对机内氧气含量进行监测。炸需要对机内氧气含量进行监测。手工检测氢气纯度，多年沿用的方法，必须先从氢气系手工检测氢

17、气纯度，多年沿用的方法，必须先从氢气系统中取样，实验室用吸收法测出气体样品中氧气含量，统中取样，实验室用吸收法测出气体样品中氧气含量，再由氧含量换算出氢气的纯度。所以发电机运行规程还再由氧含量换算出氢气的纯度。所以发电机运行规程还保留氧气含量的定期检测规定。保留氧气含量的定期检测规定。在高纯氢气中氧气含量的手工检测误差很大，所以应该在高纯氢气中氧气含量的手工检测误差很大，所以应该以热导式仪器直接测量氢气纯度为准，正常运行的纯度以热导式仪器直接测量氢气纯度为准，正常运行的纯度远高于远高于8585（紧急停机限），不存在爆炸的可能，没必（紧急停机限），不存在爆炸的可能，没必要把测量氧气含量作为必要工

18、作，只测氢纯足够。但置要把测量氧气含量作为必要工作，只测氢纯足够。但置换氢气时必须监测氧气，是为防爆需要。换氢气时必须监测氧气，是为防爆需要。一定要有在线监测的重要性（张电氢爆实例）一定要有在线监测的重要性（张电氢爆实例）关于氢中含氧量的测量问题的建议关于氢中含氧量的测量问题的建议实例：广东某厂发电机设备检查，发现新配备的美实例：广东某厂发电机设备检查，发现新配备的美国在线热导式氢纯度表指示纯度仅国在线热导式氢纯度表指示纯度仅9393，而手工巡，而手工巡检记录是检记录是98%98%以上，化学人员解释说新仪表未校验，以上，化学人员解释说新仪表未校验，不准，但新仪表刚出厂应当是校验好的，检查仪器不

19、准，但新仪表刚出厂应当是校验好的，检查仪器运行状态正常，进一步追问，承认是向发电机内投运行状态正常，进一步追问，承认是向发电机内投放了灭氧化学药品，氧气转换为某种化合物质，手放了灭氧化学药品，氧气转换为某种化合物质，手工检测时用吸收法测氧气，再以氧气含量换算出氢工检测时用吸收法测氧气，再以氧气含量换算出氢气纯度，氧气少了，算出的氢气纯度自然高了。实气纯度，氧气少了，算出的氢气纯度自然高了。实际氧气只占空气的五分之一，其余为氮气，灭了氧际氧气只占空气的五分之一，其余为氮气，灭了氧气不会因此而减少混入发电机的氮气和杂质，所以气不会因此而减少混入发电机的氮气和杂质，所以手工检测的氢气纯度是伪数据，而

20、热导式氢纯仪显手工检测的氢气纯度是伪数据，而热导式氢纯仪显示的氢气纯度是准确的，示的氢气纯度是准确的，9393已大大超标。已大大超标。不主张正常运行时高纯度氢气下把含氧量指标列为不主张正常运行时高纯度氢气下把含氧量指标列为监测项目，因为可能误导，更不要投放灭氧药。监测项目，因为可能误导，更不要投放灭氧药。运行方式对发电机经济运行方式对发电机经济性能的影响性能的影响华北电力科学研究院有限责任公司华北电力科学研究院有限责任公司白亚民白亚民调峰运行对发电机的影响调峰运行对发电机的影响比锅炉和汽机的问题要少，但影响也比较严重比锅炉和汽机的问题要少，但影响也比较严重越大的机组调峰对发电机性能的影响越严重

21、越大的机组调峰对发电机性能的影响越严重此方面研究资料很多，基本已经有明确结论此方面研究资料很多，基本已经有明确结论调峰分两班制运行和负荷循环（也称调峰分两班制运行和负荷循环（也称“深度调峰深度调峰”）不论是深调还是两班制，危害机理是一样的，仅有不论是深调还是两班制，危害机理是一样的，仅有危害程度的区别。两班制因低速盘车，问题更多一危害程度的区别。两班制因低速盘车，问题更多一些。今天只讲深调问题。些。今天只讲深调问题。负荷循环方式运行对汽轮发电机的影响：负荷循环方式运行对汽轮发电机的影响：定子绕组温度变化导致主绝缘承受剪切应力循环，机械定子绕组温度变化导致主绝缘承受剪切应力循环，机械应力疲劳，绝

22、缘提早分层老化，减少使用寿命应力疲劳，绝缘提早分层老化，减少使用寿命转子绕组变形，造成接地故障转子绕组变形，造成接地故障运行效率明显下降运行效率明显下降从经济运行角度看调峰运行从经济运行角度看调峰运行电网需要发电机调峰运行，电网昼夜峰谷差有逐年电网需要发电机调峰运行，电网昼夜峰谷差有逐年加大趋势，除核电机组外，大火电机组调峰已经不加大趋势，除核电机组外，大火电机组调峰已经不可避免，目前可避免，目前600MW600MW火电机组调峰主要方式是不停火电机组调峰主要方式是不停机的负荷循环、深度调峰。机的负荷循环、深度调峰。国外用国外用600MW600MW火电机组两班制调峰比较常见，可能火电机组两班制调

23、峰比较常见，可能是发展趋势，目前国内几乎没有。是发展趋势，目前国内几乎没有。600MW600MW汽轮发电机负荷循环方式调峰的负荷波动范汽轮发电机负荷循环方式调峰的负荷波动范围已经到极限，从围已经到极限，从5050（甚至更低）（甚至更低）100100今天不展开讲调峰运行对发电机寿命的影响，应知今天不展开讲调峰运行对发电机寿命的影响，应知道调峰运行不只是锅炉、汽机的问题，发电机也有道调峰运行不只是锅炉、汽机的问题，发电机也有问题，也需要相应调峰措施。问题，也需要相应调峰措施。从经济运行角度展开讲一下。从经济运行角度展开讲一下。发电机负荷偏离额定值运行使效率变低发电机负荷偏离额定值运行使效率变低发电

24、机的设计原则是最大运行效率点处于额定值上：额发电机的设计原则是最大运行效率点处于额定值上：额定氢气压力（影响散热）、额定氢气纯度（影响散热）、定氢气压力（影响散热）、额定氢气纯度（影响散热）、额定电压（决定铁心损耗大小）、额定电流（决定铜损额定电压（决定铁心损耗大小）、额定电流（决定铜损大小），额定功率因数等，任一个参数偏离额定值就不大小），额定功率因数等，任一个参数偏离额定值就不再是设备说明书中的效率值了（再是设备说明书中的效率值了（600MW600MW发电机通常为接发电机通常为接近近9999），损失一个百分点就是），损失一个百分点就是6000kW6000kW。电机设计理论：效率随负荷变化的

25、曲线为抛物线，抛物电机设计理论：效率随负荷变化的曲线为抛物线，抛物线的顶点处于铜损铁损时，铁损称为不变损耗（发电线的顶点处于铜损铁损时，铁损称为不变损耗（发电机产生电压就产生铁损，而电压的波动范围很小，机产生电压就产生铁损，而电压的波动范围很小，5 5以内）。铜损以内）。铜损I I2 2R R，与电流的平方成正比，负荷总在变，与电流的平方成正比，负荷总在变化，所以是可变损耗。所有的电机都是设计成可变损耗化，所以是可变损耗。所有的电机都是设计成可变损耗不变损耗时效率有最大值。不变损耗时效率有最大值。低负荷下电流明显减小，效率也明显下降。汽车有个经低负荷下电流明显减小，效率也明显下降。汽车有个经济

26、速度，发电机也有个经济运行范围。低负荷时效率较济速度，发电机也有个经济运行范围。低负荷时效率较低。低。发电机的经济运行范围发电机的经济运行范围尽可能接近额定条件运行，特别是氢气压力、氢气尽可能接近额定条件运行，特别是氢气压力、氢气纯度应控制接近额定值纯度应控制接近额定值不允许低氢压运行，即使空载、轻载也不行，尤其不允许低氢压运行，即使空载、轻载也不行，尤其是带较大无功时，因为氢气主要是冷却定子铁心和是带较大无功时，因为氢气主要是冷却定子铁心和转子，而只要建立了电压，铁心的不变损耗就全有转子，而只要建立了电压，铁心的不变损耗就全有了。转子带的励磁绕组发热全靠氢气散掉，而目前了。转子带的励磁绕组发热全靠氢气散掉，而目前没有实时测温手段，低氢压很容易使子局部过热。没有实时测温手段，低氢压很容易使子局部过热。理论上说，负荷在理论上说，负荷在8080100100是发电机的效率曲线是发电机的效率曲线的最高点。至的最高点。至5050负荷时效率与设计有关，约降负荷时效率与设计有关，约降1 12 2。600MW600MW的的1 1为为6000kW6000kW空冷岛用电量。空冷岛用电量。尽可能使负荷接近满负荷的稳定运行，以便维持发尽可能使负荷接近满负荷的稳定运行，以便维持发电机的最经济运行状态。电机的最经济运行状态。