浅谈火电机组发电机性能试验方法

摘 要：描述了发电机效率、温升、漏氢量的测试原理及方法流程，并以某火力发电厂1号机组为例计算出实测数据结果，可为其他火电机组的发电机性能试验提供参考。

关键词：发电机效率；量热法；温升；漏氢量

中图分类号：TK38    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）16-0028-04

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

0    引言

为考核发电机组是否满足设计要求，笔者对多台火电机组开展过发电机性能试验，本文将介绍常规试验原理，罗列具体试验数据以及最终试验结果，系统讲解试验方法，为其他电厂开展同类试验提供思路和技术参考[1]。

以某火力发电厂为例，其装设2×310 MW亚临界燃煤机组，发电机额定容量364.7 MVA，额定功率310 MW，定子电压24 kV，定子电流8 773.5 A，功率因数0.85（迟相），额定励磁电压500 V，额定励磁电流2 440 A，频率50 Hz，设计效率98.84%。发电机为水氢氢型冷却方式，定子绕组采用水内冷方式，定子铁芯、转子表面采用氢冷方式。

1    发电机效率试验

1.1    量热法原理

对300 MW等级水氢氢型汽轮发电机的效率考核试验，一般采用量热法[2]。在发电机内部产生的各类损耗，最终会以热量的形式传递给周围的冷却介质，使冷却介质的温度上升，因此可以通过测量这些热量来推算发电机的损耗，从而计算出发电机的效率。

为了对发电机总损耗进行分类，试验时给发电机规定一个将发电机全部包在里面的基准表面，该表面内所有的热损耗都通过这个表面散发。通过划分归类，发电机总损耗为基准表面内部损耗Pi与基准表面外部损耗Pe。

基准表面内部损耗包括两部分：主要部分是可用量热法测量的能量损耗P1，即由冷却介质带出基准表面；其他部分是非冷却介质传递，而以对流、辐射等形式通过基准表面散发的能量损耗P2。

基准表面外部损耗是在基准表面之外，但参与发电机运行的设备能量损耗，包括两部分：辅助设备能量损耗P3与轴承和油密封摩擦损耗P4。

1.2    量热法数据处理

发电机效率按下式计算：

η=1- ×100%                  （1）

式中：η为发电机效率；∑P为发电机总损耗；Pg为发电机输出有功功率。

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

1.2.1    冷却介质带走的能量损耗

根据该电厂实际情况，由冷却介质带走的能量损耗分为由定子绕组内冷却水带走和发电机氢冷器冷却水带走两个部分。水氢氢型发电机水系统如图1所示。

当发电机处于热平衡状态[3]时，由冷却水带走的损耗P1计算式：

P1=Cp×Q×ρ×Δt             （3）

式中：Cp为压力为p时冷却介质（水）的比热，温度取进、出口水温间的积分平均温度；Q为冷却介质（水）的体积流量；ρ为在流量测量温度下冷却介质（水）的密度；Δt为冷却介质（水）的温升。

1.2.2    基准表面散发的能量损耗

通过基准表面散发的能量损耗P2分为通过发电机机壳表面散发的损耗（只考虑对流散热）和基础散热损耗、转子轴向传导损耗（忽略不计），计算式如下：

P2=h×A×Δt×10-3               （4）

h=11+3v      （5）

式中：h為发电机表面散热系数；A为发电机机壳散热表面积；Δt为发电机表面与环境温度差值；v为环境空气流速。

1.2.3    辅助设备能量损耗与轴承和油密封摩擦损耗

辅助设备能量损耗P3主要是励磁系统损耗，包括励磁变压器损耗、可控硅整流桥损耗、石墨电刷（取2 V压降）损耗，计算式如下：

P3=Pex-Uex×Iex×10-3+2×Iex×10-3    （6）

式中：Pex为实测励磁变压器输入的有功功率；Uex为实测发电机励磁电压；Iex为实测发电机励磁电流。

轴承和油密封摩擦损耗P4一般无法测量，通常采用厂家提供的资料。

1.2.4    数据修正

受调度及实际运行等因素影响，试验工况下发电机很难按额定参数稳定运行。当试验工况下功率因数高于额定值时，实际运行的发电机定子电流较额定电流稍小，会导致定子铜耗、转子铜耗、定子铁耗降低，最终影响试验结果。如出现此类情况，需进行数据修正。

根据该电厂水氢氢型发电机的实际情况，定子铜耗产生的热量被内冷却水带走，所以应对定子绕组内冷却水带走的损耗进行修正，修正值公式如下：

ΔPCu=1- ×PCu                   （7）

式中：ΔPCu为发电机定子绕组铜耗修正值；I为实测发电机定子电流；IN为发电机额定定子电流；PCu为发电机定子绕组铜耗设计值。

转子铜耗产生的热量被发电机氢冷器冷却水带走，该部分修正值的计算公式如下：

ΔPfCu=1- ×PfCu           （8）

式中：ΔPfCu為发电机转子绕组损耗修正值；Iex为实测发电机励磁电流；IexN为发电机额定励磁电流；PfCu为发电机转子铜耗设计值。

定子铁耗产生的热量被发电机氢冷器冷却水带走，该部分修正值的计算公式如下：

ΔPFe=1- ×PFeN                （9）

式中：ΔPFe为发电机定子铁芯损耗修正值；U为实测发电机定子电压；UN为发电机额定定子电压；PFeN为发电机定子铁芯损耗设计值。

1.3    试验方法及测点

发电机在额定工况下运行，当各部分温度达到稳定后，用测定冷却介质流量与温升的方法确定由冷却介质带走的热量损耗，计入不传递给冷却介质而由机壳表面散发的损耗及基准表面外部损耗。试验结果选用稳定运行的2 h数据进行计算，把各项损耗相加，得到发电机总损耗[4]。

电气测量部分，发电机有功功率、无功功率、定子电压、定子电流、励磁电压、励磁变有功功率、励磁电流使用现场仪表测量；温度、流量测量部分如表1所示。

1.4    试验数据及结果

按公式（1）及表2数据得到1号发电机效率值为99.01%，大于设计值98.84%。

2    发电机温升试验

发电机运行时产生的各种损耗会使发电机各部分的温度提高，若单位时间内发电机冷却系统带走的热量小于产生的热量，电机各部分的温度就会逐渐升高，当温度超过绝缘材料或结构件的容许温度时，会导致绝缘材料老化或结构件损坏，缩短发电机使用年限。

2.1    试验原理及方法

发电机温升试验一般采用直接负载法[5]。试验时1号发电机在额定工况下稳定运行（可与发电机效率试验同时开展），每隔30 min记录一次数据，当发电机各部分温度变化在最后1 h内不超过2 ℃时，视作发电机发热达稳定状态。取稳定阶段中几个时间间隔温度的平均值作为温升试验数据进行计算。

定子绕组进出水温、定子绕组温度、定子铁芯温度、轴瓦温度、轴承进出油温度均采用埋置的三线制铂电阻测温元件测量；转子绕组温度θ0通过电阻法测量，计算公式如下：

θ0= ×（235+θ1）+θ1           （10）

式中：R2为温升试验时的绕组电阻；R1为实际冷态时的绕组电阻；θ1为对应实际冷态测定R1时的绕组温度。

根据交接试验报告数据，1号发电机28 ℃时转子绕组直流电阻0.143 0 Ω；温升试验时的绕组电阻通过转子绕组的电流和电压加权平均值计算得出。

2.2    试验结果及标准规定值

1号发电机的定子绕组和转子绕组绝缘均为F级，制造厂说明按B级考核，试验结果及标准规定值如表3所示。

在额定负荷工况下，1号发电机各项温度值未超过国标的温度限值，温升性能合格。

3    发电机漏氢量试验

1号发电机氢冷系统额定氢压0.3 MPa，氢气额定纯度98%，漏氢量小于8 Nm3/d。

3.1    试验条件

试验前发电机补氢至额定氢气压力、纯度后与外部氢气系统隔离；试验中不得进行氢气取样、排污和补氢操作；氢气纯度小于95%或氢气压力小于260 kPa时，中止试验；试验期间发电机其他参数（如负荷、功率因数等）的数值不作限定，但试验开始后输出功率、氢气冷却器的冷却水流量等尽量保持不变，以维持机内氢气温度变化最小。

3.2    试验测点及数据处理

发电机内氢气压力采用现场压力变送器测量，氢气温度采用现场电阻温度计测量，氢气纯度采用现场氢气纯度表测量，大气压力采用标准大气压力表测量。

发电机的漏氢量按下式计算：

ΔVH=V×   （11）

式中：ΔVH为标准状态下发电机24 h的漏氢量；V为发电机内充氢容积；P1为试验开始时的机内氢气表压；B1为试验开始时的大气绝对压力；θ1为试验开始时的机内平均氢气温度；P2为试验结束时的机内氢气表压；B2为试验结束时的大气绝对压力；θ2为试验结束时的机内平均氢气温度；θ0为标准状态下大气绝对温度；P0为标准状态下大气绝对压力；Δt为试验持续时间。

3.3    试验结果及分析

经测试和计算，1号发电机漏氢量为5.88 Nm3/d，小于保证值8 Nm3/d，测试数据和计算结果如表4所示。

4    结束语

本文中试验数据以DCS数据为主，随着技术进步，数据采集精度提高，火力发电厂专业人员均可采用DCS数据粗略评估发电机日常运行情况。当然，通过严格的发电机性能试验能准确掌握发电机的真实性能，为机组验收或改造计划提供技术支持，为改造效果评价提供数据参考。

[参考文献]

[1] 三相同步电机试验方法：GB/T 1029—2005[S].

[2] 周叶，李科，潘罗平，等.基于量热法的水电机组发电机效率试验研究[J].中国水利水电科学研究院学报，2020，18（4）：257-262.

[3] 透平型同步电机技术要求：GB/T 7064—2002[S].

[4] 量热法测定电机的损耗和效率：GB/T 5321—2005[S].

[5] 王勇，杨凤君，苟智德.发电机在增容改造前的温升试验[J].防爆电机，2010，45（1）：30-33.

收稿日期：2023-04-19

作者简介：周庆广（1987—），男，山东人，工程师，研究方向：电厂电气二次。