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某石化企业新上电力电容器进行无功补偿的效益分析

2021-01-19 [100]

安科瑞 鲍静君

  摘要::通过分析某石化企业新上电容器进行无功补偿的经济性,表明电容器无功补偿装置可调整系统进线下网功率因数,达到很好功率因数,进而实现挖掘发电设备潜力,做到节能降耗,充分提高企业的经济效益。

  关键词:无功功率补偿;功率因数;经济效益

  该企业动力生产管理部新上电容器补偿装置投入前,35KV系统无功来源有两个,一是取自吉利变电站110KV,即总进线系统无功,二是靠三台发电机组多发无功功率。目前,35kV系统总无功负荷约27MVAR,当吉利变电站出现故障或动力部的发电机事故解列时都会导致35kV系统无功严重缺乏,末端压降大,系统损耗大,无法正常启动大型电动设备,对生产造成较大影响。

  动力部作为企业供电的总站,35KV主网系统的经济和运行日益受到重视。降低网损,提高电力系统发电、输电效率和电力系统运行的经济性是我厂面临的实际问题,也是我厂减少电力能耗的主要方向之一。因此,在35KV系统中根据实际情况采用无功补偿装置,提高功率因数,降低网损,提高电能质量和提高电力系统运行的稳定性具有重要意义。

  1无功补偿概述

  电力系统无功补偿装置大多是针对某个节点进行无功补偿。这是因为无功的产生不消耗电能,但是无功功率沿电力网传送却能引起电压损耗和功率损耗。传统的无功补偿装置主要为同步调相机和并联电容器。这两者相比,并联电容器是无功补偿领域中应用广泛的补偿装置,它具有补偿简单经济、灵活方便和应用范围广等优点,而电容补偿主要补偿固定的无功,如果采用电容分组投切能够更好地适应负荷无功的动态变化,这是一种有级无功调节。

  因此,通过电容器补偿无功功率,可以提高系统运行电压,提高用户处的电压质量,改变电力网的无功潮流分布,减少网络中的功率损耗和电压损耗

  2 电容器补偿原理及意义

  该企业的用电负荷多为电力变压器、输电线路电感和下级装置的各电压等级电动机,这些大部分属于感性负载,在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。感性负荷造成电网功率因数低,增加电网能耗,影响发电机的输出有功功率及影响变电、输电的供电能力,还增加了输电线路的电压降等。所以对电网进行无功功率补偿是该企业的重要工作。

  该企业电力系统中无功电源主要来自3台发电机、110KV外网系统,单靠发电机、外线路是不能满足系统对无功电力的需求。一是外电网响应慢,二是动力部3台发电机为保证110KV线路功率因数,都运行在高无功功率状态,事故情况下补偿裕度非常有限,因此通过新上电容器组进行无功补偿是很好的选择。

  根据电路原理,电流在电感元件中作功时,电流滞后于电压90o。而电流在电容元件中作功时,电压滞后于电流90o。在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180o,两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小。感性负荷的有功电流IH与电压U同相位,假设电感和电容的合成电流为I1,无功功率为Q1,功率因数cosφ1,各相量的相位关系如下图。

图1 感性负荷并联电容器前后各向量相位图

  由图1可得,在电感两端并联电容器后,电压滞后于容性无功电流IC为90°(其无功功率为QC),总无功电流I'L=IL+IC。因为IL与IC相位相反,故IL减小到I'L,而IH与IL的合成电流I2小于电容器补偿前I1的值,功率因数也由cosφ1提高到cosφ2,可得电容器补偿后的无功功率为Q2=Q1-QC。

  3 电容器无功补偿效益分析

  为了优化热电站35kV系统无功,使系统功率因数不低于0.9,确保系统电压质量。动力部在2011年10月新上电容器补偿装置24000kvar,对全厂35KV系统进行无功功率集中补偿,将高压电容器组集中装在35KV高压开关站内。补偿电容器共分为四组,每组60kvar,分别安装在35KVI段和II段。本文通过投入电容器补偿装置前后四个月数据的研究,对无功补偿的效益从以下几个方面进行分析。

  3.1提高系统功率因数

  自2011年12月7日投入三组电容器补偿装置后,动力部热电系统总进线功率因数提高了1.3个百分点。功率因数提高后,电费开支大幅减少。补偿前,由于热电系统功率因数达不到电业局的要求(电业局要求0.9以上,若低于0.9加收费用,若高于0.9,将按高出百分点减免电费),经常被罚款。动力部安装电容器补偿装置后,不但没有罚款,每月还获得相应额度的奖励。

  根据电力系统供电方式的无功经济量计算方法,每安装1000kvar并联电容器装置,当处在功率因数为0.9时,无功经济当量为0.062千瓦/千乏,则每小时可节电62度,用电容器总容量为24000kvar折算,节电为1500度,全年按实际运行8700小时计算,可节电130万度,每度电成本按0.53元计算,全年节电价值为70万元。

  3.2降低线路损耗

  电流下降表明在系统的线路电压损失相应减小,从而节省了能耗,有利于系统电压的稳定。当电流通过电阻为R的线路时,其功率损失为:

  △P=3I2R×10-3(kW)

  或=P2+Q2U2/R×10-3(kW)

  式中:I—流过线路的电流,A;Q—线路传输无功功率,kVA;

  cosφ—线路负荷的功率因数。

  由于有功损耗与cos2φ成反比,所以提高功率因数cosφ可以大大降低损失。

  3.3提高变压器利用率

  动力部高压变压器一共6台,2台系统侧高压变110KV/35KV,3台发电机-变压6KV/35KV,1台高备变110KV/35KV,投入电容器无功补偿后,系统功率因数的提高,不但减少了线路损耗,还使变压器功率因数得以提高,大大降低了变压器的铜损耗。经统计,35kV系统实施功率因数补偿措施后,变压器平均功率因数从0.7提高到0.9附近,使得有功损耗降低20%~40%,每年减少系统变线损耗160万元。但由于发电机侧变压器工作于高负荷状态下,当停机后,由于热胀冷缩,发电机出口的绝缘管型母线与1#变压器和2#变压器连接处出现漏油现象。目前动力部技术组正在寻找解决方案。

  3.4挖掘发电设备潜力

  3.4.1提高发电机功率因数

  在发电机容量不变的情况下,提高功率因数就可少发无功,多发有功。多发的有功功率△P计算如式(1):△P=P1-P=S(cosφ1-cosφ)(1)

  其中,P为功率因数提高前的有功功率;P1为功率因数提高后的有功功率;cosφ、cosφ1为电容器补偿前、后的功率因数;S为用电设备的额定容量。

  该企业电力系统采取无功补偿后,动力部3台发电机就可少发无功,多发有功,实现铭牌出力,而不需要将无功功率设置的过高。发电机在保证供汽情况下,动力部1#发电机、3#发电机的功率因数均达到0.92,两台机的有功功率根据公司实际负荷要求在4.5~5万之间长周期、正常运行,现阶段2台发电机发电量超过2011年的3台机发电量。电容器补偿后一旦出现一台机组甩负荷,另外两台机组也能快速的响应,大幅度的提高无功功率,维持系统电压,在外电网出现短路的情况下,也能迅速补出无功缺口,维持系统稳定。

  功率因数提高后,发电设备出力得以提升,去除了以往通过发电机组提升系统无功的瓶颈,发电机功率因数长期低于额定功率因数0.8的情况得以解决,长时间低功率因数运行致使发电机寿命缩短的隐患也得以去除。

  3.4.2 减少无功功率

  系统需要的有功不变,若需要的无功减少,则需要投入的用电设备容量S1也将相应减少,减少量△S如式(2):

  △S=S-S1=P(1/cosφ-1/cosφ1)(2)

  减少供电设备容量占原容量S的百分比为

  △S/S=(cosφ1-cosφ)/cosφ1=(1-cosφ/cosφ1)(3)

  电容器投入前,动力生产管理部运行发电机的总无功发电量约为6.8万kW,发电机功率因数平均为0.72,电容器投入后,运行发电机的总无功发电量约为4.6万kW,发电机功率因数平均为0.95。由电容器投入前后发电机的总无功发电量可以看出,无功减少量达到2.2万kW,电容器补偿效果比较显著。由式(3)也可得,△S/S为24.5%。

  4安科瑞AZC/AZCL智能集成式电容器介绍

  4.1产品概述

  AZC/AZCL系列智能电容器是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元,晶闸管复合开关电路,线路保护单元,两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。具有体积更小,功耗更低,维护方便,使用寿命长,可靠性高的特点,适应现代电网对无功补偿的更高要求。

  AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器,可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路,自动寻找投入(切除)点,实现过零投切,具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。

  4.2产品选型

  AZC系列智能电容器选型:

4.3产品实物展示

5结束语

  通过上述分析,采用并联电容器实现无功补偿的效益是不言而喻的。单从费用上说,动力部新上电容器组投资近两百万元,预计不到五年就能收回全部投资,如果考虑到电力部门奖励的可能,将会更短。通过对新上电容器组对无功负荷的较好补偿,不仅可以维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性,而且可以降低网损,取得可观的经济效益,使电能质量、系统运行的安全性和经济性结合在一起,使我厂35KV主网电气系统的潜能得以充分发挥。由此可见,这个项目对企业的挖潜提效工作是有益的。