高壓單級離心鼓風機電容補償容量計算

梁榮欣

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

1 鼓風機的分類和特點

隨著我國污水處理廠規模的不斷加大和對于出水水質要求的不斷提高，鼓風曝氣工藝越來越多地應用于采用生物處理技術的污水處理廠。作為曝氣工藝中最為關鍵的設備，鼓風機的性能和能耗非常引人關注。僅鼓風機設備的用電負荷有時就會占到整個污水廠的總用電量的一半以上，因此選用何種形式的鼓風機關系到整個工程的建設投資規模和運行能耗費用。目前市場上鼓風機的主要類型有羅茨風機、多級離心風機和單級離心風機三種，而這三種類型的鼓風機也由于其各自的特點而有著不同領域的應用。羅茨風機由于其價格低，操作簡單，效率較低，常被應用于5萬t/d以下規模的污水處理廠；多級離心風機由于轉速較低，因此噪音也較小。效率高于羅茨風機但小于單級離心風機，有著較高的性價比，因此普遍應用于5萬t/d～10萬t/d規模的污水處理廠；而單級離心風機效率最高，轉速和噪音也較高，同時設備費用也高于羅茨風機和多級離心風機，因此被廣泛應用于10萬t/d以上規模的污水處理廠，單機容量較高，多采用高壓電機。

2 高壓電機電容補償的必要性及計算方法

電動機無功補償是一項重要的節能措施，當有功功率需要量保持恒定時，無功需要量越大，其視在功率也就越大。而為滿足用電設備需要，勢必要增大變壓器及配電線路的容量，如此不僅增加投資費用，而且增大設備及線路的損耗，浪費了電力。另外，無功功率需要量的增加，還使變壓器及線路的電壓損失增大，劣化電壓質量。看來無功功率對電網及工廠企業內部供電系統都有不良影響，必須設法降低無功功率的需要量即提高功率因數cosφ。低壓電動機的補償在我國已較為廣泛地推廣應用并取得良好節能效果和經濟效益。而高壓電動機的額定容量較大（多用于300 kW以上電機），運行時間長，如實施無功就地補償則節能效果更為顯著，同時必將獲得顯著的經濟效益：

（1）提高功率因數；

（2）降低電能傳輸的損耗；

（3）有利于充分利用供電設備的容量；

（4）減少了電能傳輸產生的電壓降。

計算高壓電動機就地補償容量的方法主要有以下兩種。

2.1 按電動機的空載電流選擇

式中：QC——補償容量，kVAR；

U——電動機額定電壓，kV；

I0——電動機空載電流。

2.2 按電動機補償前后的功率因數選擇

式中：P——電動機功率，kW；

cosΦ1——補償前的功率因數；

cosΦ2——補償后的功率因數。

3 單級高速離心鼓風機補償特點分析

以昆明某污水處理廠升級改造工程為例，該項目鼓風機房內采用了四臺單級高速離心鼓風機，每臺配套590 kW的10 kV高壓電機。

根據廠家提供資料，電機的功率因數為0.89，空載電流11A。以上節第二種方法計算補償容量可以得出表1的結果。

表1 補償容量一覽表

同時采用電容補償的電動機切斷電源后，電動機仍會在慣性作用下繼續轉動一段時間。此時電容器的放電電流成為勵磁電流，可使電動機的磁場因自勵磁而產生電壓，使得電動機運行于發電狀態，可能導致對電機及電容器絕緣的損壞。因此，仍需采用上節第一種方法進行復算，確保補償設備的容性電流值應不大于電動機空載電流值的0.9倍。

即 QC≤0.9×1.732×10×11=171.47（kVAR）

根據以上計算結果，10kV補償容量必須小于171.47 kVAR才能避免出現勵磁電流過大的現象。

由表1計算結果可知，當補償容量為108.32 kVAR時，鼓風機在滿載工作時的功率因數即可達到0.95。這里補償到110 kVAR是否就足夠了呢？答案是否定的。對此，再回顧一下功率因數的定義：什么是電動機的功率因數？異步電動機的功率因數是衡量在異步電動機輸入的視在功率（即容量等于三倍相電流與相電壓的乘積）中，真正消耗的有功功率所占比重的大小，其值為輸入的有功功率P與視在功率S之比，用cosψ 來表示。電動機在運行中，功率因數是變化的，其變化大小與負載大小有關，電動機空載運行時，定子繞組的電流基本上是產生旋轉磁場的無功電流分量，有功電流分量很小。此時功率因數很低，僅為0.2左右，當電動機帶上負載運行時，要輸出機械功率，定子繞組電流中的有功電流分量增加，功率因數也隨之提高。當電動機在額定負載下運行時，功率因數才能達到最大值。

結合單級高速離心鼓風機的機械特性可知，這種鼓風機在額定負載時的功率因數較高，一般均大于0.85，因此它的補償容量往往小于相同功率的羅茨風機和多級離心風機。但在電機啟動工程中，以及出現由于風量風壓變化時，電動機的實際負載均達不到額定負載，因此在計算高壓電動機補償容量時應適當放大，以確保在實際運行過程中達到有效的節能效果。針對上述計算示例，可采用130 KVAR的實際補償容量。

通常電容器額定電壓比電網電壓高10%以上，以便電網電壓正偏移時電容器也不致被擊穿。為提高電容器的使用壽命，建議選擇標稱電壓為12 kV的電容補償器作為10 k V單級高速離心鼓風機的補償電容。由于電容器的額定容量：

式中：Q——電容器的額定容量，kVAR；

Cn——額定電容，μF；

Un——額定電壓，kV；

f——頻率，Hz。

由上述交流電容器的額定容量的計算公式可以知道，電容器的補償容量與電壓的平方成正比關系，因此標稱電壓為12 kV的電容補償器在10 kV系統中的實際補償容量僅為其標稱容量的70%。

綜合考慮以上幾點內容，該工程最終選用了四套180 kVAR，標稱電壓為12kV的高壓電容補償器。

4 補償后帶來的節能效果

單級高速離心鼓風機的功率往往較大，因此經過補償后功率因數提高帶來的節能效果也十分明顯。以該工程為例，經過電容補償，可將功率因數由原來的0.89提高到平均功率因數0.95。電流降降低約7%，即節能效果7%。對于四臺590kW的鼓風機的節能效果顯著，不但可以較快收回成本，也可帶來巨大的經濟效益。

5 總結

在進行高壓單級高速離心鼓風機電容補償計算過程中，應綜合考慮到它的功率因數在不同運行工況中的變化；補償容性電流值應不大于電動機空載電流值的0.9倍；電容補償實際容量與標稱電壓的關系等多種因素，缺一不可。從而在保證電機使用安全的前提下最大程度的提升節能效果。

[1]GB50227-2008，并聯電容器裝置設計規范[S].

[2]工業與民用配電設計手冊（第三版）[M].北京：中國電力出版社.

[3]給水排水設計手冊——電氣與自控（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社.