某石化企業新上電力電容器進行無功補償的效益分析
安科瑞 鮑靜君
摘要::通過分析某石化企業新上電容器進行無功補償的經濟性,表明電容器無功補償裝置可調整系統進線下網功率因數,達到很好功率因數,進而實現挖掘發電設備潛力,做到節能降耗,充分提高企業的經濟效益。
關鍵詞:無功功率補償;功率因數;經濟效益
該企業動力生產管理部新上電容器補償裝置投入前,35KV系統無功來源有兩個,一是取自吉利變電站110KV,即總進線系統無功,二是靠三臺發電機組多發無功功率。目前,35kV系統總無功負荷約27MVAR,當吉利變電站出現故障或動力部的發電機事故解列時都會導致35kV系統無功嚴重缺乏,末端壓降大,系統損耗大,無法正常啟動大型電動設備,對生產造成較大影響。
動力部作為企業供電的總站,35KV主網系統的經濟和運行日益受到重視。降低網損,提高電力系統發電、輸電效率和電力系統運行的經濟性是我廠面臨的實際問題,也是我廠減少電力能耗的主要方向之一。因此,在35KV系統中根據實際情況采用無功補償裝置,提高功率因數,降低網損,提高電能質量和提高電力系統運行的穩定性具有重要意義。
1無功補償概述
電力系統無功補償裝置大多是針對某個節點進行無功補償。這是因為無功的產生不消耗電能,但是無功功率沿電力網傳送卻能引起電壓損耗和功率損耗。傳統的無功補償裝置主要為同步調相機和并聯電容器。這兩者相比,并聯電容器是無功補償領域中應用廣泛的補償裝置,它具有補償簡單經濟、靈活方便和應用范圍廣等優點,而電容補償主要補償固定的無功,如果采用電容分組投切能夠更好地適應負荷無功的動態變化,這是一種有級無功調節。
因此,通過電容器補償無功功率,可以提高系統運行電壓,提高用戶處的電壓質量,改變電力網的無功潮流分布,減少網絡中的功率損耗和電壓損耗
2 電容器補償原理及意義
該企業的用電負荷多為電力變壓器、輸電線路電感和下級裝置的各電壓等級電動機,這些大部分屬于感性負載,在運行過程中需向這些設備提供相應的無功功率。感性負荷造成電網功率因數低,增加電網能耗,影響發電機的輸出有功功率及影響變電、輸電的供電能力,還增加了輸電線路的電壓降等。所以對電網進行無功功率補償是該企業的重要工作。
該企業電力系統中無功電源主要來自3臺發電機、110KV外網系統,單靠發電機、外線路是不能滿足系統對無功電力的需求。一是外電網響應慢,二是動力部3臺發電機為保證110KV線路功率因數,都運行在高無功功率狀態,事故情況下補償裕度非常有限,因此通過新上電容器組進行無功補償是很好的選擇。
根據電路原理,電流在電感元件中作功時,電流滯后于電壓90o。而電流在電容元件中作功時,電壓滯后于電流90o。在同一電路中,電感電流與電容電流方向相反,互差180o,兩者的電流相互抵消,使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小。感性負荷的有功電流IH與電壓U同相位,假設電感和電容的合成電流為I1,無功功率為Q1,功率因數cosφ1,各相量的相位關系如下圖。
圖1 感性負荷并聯電容器前后各向量相位圖
由圖1可得,在電感兩端并聯電容器后,電壓滯后于容性無功電流IC為90°(其無功功率為QC),總無功電流I'L=IL+IC。因為IL與IC相位相反,故IL減小到I'L,而IH與IL的合成電流I2小于電容器補償前I1的值,功率因數也由cosφ1提高到cosφ2,可得電容器補償后的無功功率為Q2=Q1-QC。
3 電容器無功補償效益分析
為了優化熱電站35kV系統無功,使系統功率因數不低于0.9,確保系統電壓質量。動力部在2011年10月新上電容器補償裝置24000kvar,對全廠35KV系統進行無功功率集中補償,將高壓電容器組集中裝在35KV高壓開關站內。補償電容器共分為四組,每組60kvar,分別安裝在35KVI段和II段。本文通過投入電容器補償裝置前后四個月數據的研究,對無功補償的效益從以下幾個方面進行分析。
3.1提高系統功率因數
自2011年12月7日投入三組電容器補償裝置后,動力部熱電系統總進線功率因數提高了1.3個百分點。功率因數提高后,電費開支大幅減少。補償前,由于熱電系統功率因數達不到電業局的要求(電業局要求0.9以上,若低于0.9加收費用,若高于0.9,將按高出百分點減免電費),經常被罰款。動力部安裝電容器補償裝置后,不但沒有罰款,每月還獲得相應額度的獎勵。
根據電力系統供電方式的無功經濟量計算方法,每安裝1000kvar并聯電容器裝置,當處在功率因數為0.9時,無功經濟當量為0.062千瓦/千乏,則每小時可節電62度,用電容器總容量為24000kvar折算,節電為1500度,全年按實際運行8700小時計算,可節電130萬度,每度電成本按0.53元計算,全年節電價值為70萬元。
3.2降低線路損耗
電流下降表明在系統的線路電壓損失相應減小,從而節省了能耗,有利于系統電壓的穩定。當電流通過電阻為R的線路時,其功率損失為:
△P=3I2R×10-3(kW)
或=P2+Q2U2/R×10-3(kW)
式中:I—流過線路的電流,A;Q—線路傳輸無功功率,kVA;
cosφ—線路負荷的功率因數。
由于有功損耗與cos2φ成反比,所以提高功率因數cosφ可以大大降低損失。
3.3提高變壓器利用率
動力部高壓變壓器一共6臺,2臺系統側高壓變110KV/35KV,3臺發電機-變壓6KV/35KV,1臺高備變110KV/35KV,投入電容器無功補償后,系統功率因數的提高,不但減少了線路損耗,還使變壓器功率因數得以提高,大大降低了變壓器的銅損耗。經統計,35kV系統實施功率因數補償措施后,變壓器平均功率因數從0.7提高到0.9附近,使得有功損耗降低20%~40%,每年減少系統變線損耗160萬元。但由于發電機側變壓器工作于高負荷狀態下,當停機后,由于熱脹冷縮,發電機出口的絕緣管型母線與1#變壓器和2#變壓器連接處出現漏油現象。目前動力部技術組正在尋找解決方案。
3.4挖掘發電設備潛力
3.4.1提高發電機功率因數
在發電機容量不變的情況下,提高功率因數就可少發無功,多發有功。多發的有功功率△P計算如式(1):△P=P1-P=S(cosφ1-cosφ)(1)
其中,P為功率因數提高前的有功功率;P1為功率因數提高后的有功功率;cosφ、cosφ1為電容器補償前、后的功率因數;S為用電設備的額定容量。
該企業電力系統采取無功補償后,動力部3臺發電機就可少發無功,多發有功,實現銘牌出力,而不需要將無功功率設置的過高。發電機在保證供汽情況下,動力部1#發電機、3#發電機的功率因數均達到0.92,兩臺機的有功功率根據公司實際負荷要求在4.5~5萬之間長周期、正常運行,現階段2臺發電機發電量超過2011年的3臺機發電量。電容器補償后一旦出現一臺機組甩負荷,另外兩臺機組也能快速的響應,大幅度的提高無功功率,維持系統電壓,在外電網出現短路的情況下,也能迅速補出無功缺口,維持系統穩定。
功率因數提高后,發電設備出力得以提升,去除了以往通過發電機組提升系統無功的瓶頸,發電機功率因數長期低于額定功率因數0.8的情況得以解決,長時間低功率因數運行致使發電機壽命縮短的隱患也得以去除。
3.4.2 減少無功功率
系統需要的有功不變,若需要的無功減少,則需要投入的用電設備容量S1也將相應減少,減少量△S如式(2):
△S=S-S1=P(1/cosφ-1/cosφ1)(2)
減少供電設備容量占原容量S的百分比為
△S/S=(cosφ1-cosφ)/cosφ1=(1-cosφ/cosφ1)(3)
電容器投入前,動力生產管理部運行發電機的總無功發電量約為6.8萬kW,發電機功率因數平均為0.72,電容器投入后,運行發電機的總無功發電量約為4.6萬kW,發電機功率因數平均為0.95。由電容器投入前后發電機的總無功發電量可以看出,無功減少量達到2.2萬kW,電容器補償效果比較顯著。由式(3)也可得,△S/S為24.5%。
4安科瑞AZC/AZCL智能集成式電容器介紹
4.1產品概述
AZC/AZCL系列智能電容器是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元,晶閘管復合開關電路,線路保護單元,兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成??商娲R幱扇劢z、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小,功耗更低,維護方便,使用壽命長,可靠性高的特點,適應現代電網對無功補償的更高要求。
AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器,可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內部晶閘管復合開關電路,自動尋找投入(切除)點,實現過零投切,具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。
4.2產品選型
AZC系列智能電容器選型:
4.3產品實物展示
5結束語
通過上述分析,采用并聯電容器實現無功補償的效益是不言而喻的。單從費用上說,動力部新上電容器組投資近兩百萬元,預計不到五年就能收回全部投資,如果考慮到電力部門獎勵的可能,將會更短。通過對新上電容器組對無功負荷的較好補償,不僅可以維持電壓水平和提高電力系統運行的穩定性,而且可以降低網損,取得可觀的經濟效益,使電能質量、系統運行的安全性和經濟性結合在一起,使我廠35KV主網電氣系統的潛能得以充分發揮。由此可見,這個項目對企業的挖潛提效工作是有益的。