某石化企业新上电力电容器进行无功补偿的效益分析

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。