發電廠廠用電系統無功與經濟運行

摘 要：在能源緊張的今天，一個發電企業如何合理的利用能源，降低能耗，對發電企業發展具有十分重要的意義。而發電廠廠用系統無功損耗不容忽視，通過對發電廠無功損耗的理論分析和計算，闡述如何降低發電廠廠用電系統的無功損耗，提高發電企業的經濟效益。

關鍵詞：廠用電系統；無功功率；無功損耗；無功補償

引言

“十二五”規劃提出“大力推進節能降耗”，是貫徹落實科學發展觀、構建社會主義和諧社會的重大舉措，是建設資源節約型、環境友好型社會的必然選擇，對于調整經濟結構、轉變增長方式、提高人民生活質量、維護中華民族長遠利益，具有極其重要而深遠的意義。電力工業是“節能減排”的重點領域之一，電力企業應把節能作為重點工作來抓，只有通過降低發電成本，降低廠用電率，提高電力運營效率，實現資源的優化配置，發電企業才能適應發電市場激烈競爭力。

1 發電廠廠用系統無功電壓對經濟運行的影響

電能是二次能源，我們把在能量轉化過程中做功的電能叫做有功電能，習慣上稱其為“有功功率”，在交流電路里感性負載和容性負載之間流動的既不做功也不消耗的電能叫做無功電能，習慣上稱做“無功功率”，由于無功功率在電源、配電線路、負載之間往返流動，該功率在電網內各元件的阻抗回路中又產生了有功損耗。所以研究無功功率的產生的損耗對降低發電廠廠用電率有很重要的意義。

2 發電廠三相異步電動機的無功功率損耗

發電廠廠用負載大部分為三相異步電動機（以下簡稱電動機），這里主要探討三相異步電動機的無功消耗。

GB 12497-1995中把電動機的綜合功率損耗∑Pc用下列公式表達： （公式1）

式中∑Pc-電動機的綜合功率損耗（kw）

∑P-電動機的有功損耗（kw）

Kq-無功經濟當量（kw/kvar）。當電動機直連發電機母線或直連已進行無功補償的母線時取0.02～0.04；二次變壓取0.05～0.07；三次變壓取0.08～0.1。當電網采取無功補償時，應從補償端計算電動機的電源變壓次數。

電動機有功功率損耗的計算：

∑P=P0+？茁2（∑PN-P0） （公式2）

P0-電動機的空載有功損耗（kw）

β-負載系數，β= （公式3）

∑PN-電動機額定負載時的有功損耗（kw）

∑PN=（ -1）PN （公式4）

P2-為電動機輸出功率（kw）

PN-電動機額定功率（kw）

？濁N-電動機的額定效率

電動機無功功率的計算：

（公式5）

U-電源線電壓（KV）

I-負載電流（A）

正常運行的電動機功率因數有多種算法，在工程上計算自然功率因數的公式如下：

（公式6）

（公式7）

I-負載電流（A）

IN-電動機的額定電流（A）

從以上計算公式得到電動機綜合功率損耗：

（公式8）

分析上面的公式8，電動機的綜合功率損耗主要由兩部分組成，一部分是電動機的有功功率損耗，一部分是電動機的無功功率損失，電動機的空載損耗PO、電動機的額定效率？濁N和無功經濟當量KQ為常數，電動機綜合功率損耗與負載系數β的平方成正比，與電動機電源電壓成正比，與電動機的自然功率因數成反比。有功功率損耗主要由電動機的負載系數β決定，無功功率損耗主要由電動機的電動機的自然功率因數cos？漬決定。

3 電動機無功補償提高功率因數的經濟效益

異步電動機進行無功補償，電動機進行無功補償具有增容、節能、提高出力等優點，經濟效益顯著。電動機運行中不僅消耗有功功率，也需要無功功率。屬于感性負載，因此功率因數較低，一般約在0.76～0.89之間。在發電廠廠用負荷中異步電動機所占的廠用負載比例較大，是廠用電系統的主要無功負荷。降低異步電動機的無功損耗，提高異步電動機的效率有重要意義。對發電廠的廠用電系統加入無功補償后，對提高發電廠經濟效益方面有很明顯的作用。移相補償電容器在供電系統中的補償方式有集中補償、成組補償和分散補償三種方式。

無功補償容量的確定

無功補償容量計算： （公式9）

根據計算無功補償容量推算電動機的空載電流IO：

（公式10）

UN-電動機電源的額定電壓

將計算的IO與電動機的額定空載電流ION比較，如果IO≤ION，則電動機在退出運行時不會自勵磁過電壓。

無功補償后功率因數的確定：

為防止電機退出運行時產生自勵磁過電壓，補償容量一般不應大于電機的空載無功，通常推薦補償后的電動機功率因數cos？漬2在0.95～0.98之間。

下列是松花江熱電有限公司一期廠用高壓電機運行自然功率因數情況計算統計表（裝設變頻裝置的電動機沒做統計）：

表1

我們以給水泵為例計算自然功率因數下的綜合功率損耗和額定功率因數下的綜合功率損耗然后做比較。

自然功率因數下給水泵電動機的綜合功率損耗：

說明：（1）松花江熱電有限公司廠用6KV母線電壓平均保持在6.15KV

（2）給水泵電動機的空載損耗需要測量

（3）松花江熱電有限公司6KV廠用電源由發電機經過高廠變送至6KV母線，因此無功經濟當量KQ取0.05。

我們把額定功率因數時和自然功率因數下給水泵電機電壓電流假設保持不變，則給水泵電機的綜合功率損耗：

比較無功補償前和無功補償后給水泵電動機節省的綜合功率損耗△P為：

由此可見給水泵電動機在自然功率因數下功率損耗很大，如果采用無功補償則能減少功率損耗22.45KW，這個數字相當可觀。

我們再計算一下循環水泵電動機的無功補償前、后綜合功率損耗：

無功補償前的功率因數（自然功率因數）時循環水泵泵電動機的綜合功率損耗：

說明：循環水泵站6KV母線電壓正常運行時平均保持在6.00KV

我們把無功補償后功率因數時和無功補償前給水泵電機電壓電流假設保持不變，則循環水泵電機的綜合功率損耗：

比較無功補償前和無功補償后給水泵電動機節省的綜合功率損耗△P為：

根據以上算法，下列表格是松花江熱電有限公司廠用高壓電動機無功補償容量和無功補償后節省的功率損耗△P統計：

表2

由上述計算結果不難看出，松花江熱電廠高壓電動機在自然功率因數運行時就無功功率損耗總計達210KW，按2011年度吉林松花江熱電有限公司機組利用小時數計算就高壓電動機無功功率耗電量達到1764萬KW.h，使全年廠用電率提高了1.06個百分點，其損耗是很大的。從整個情況看給水泵電機低功率因數運行時的功率損耗相當大。而循環水泵電機的基本滿載運行，而且其電源電壓和自然功率因數接近額定值，但運行自然功率因數較低，無功功率損耗也不小。

4 合理調整廠用母線電壓提高經濟效益

對于感應電動機，其電源電壓將直接影響電動機的功率因數（見圖1），如果降低電動機電源電壓，因降低了磁通，無功功率將明顯減少，其有功功率幾乎不變，因此提高了功率因數，但是減少電動機定子電壓后，電動機的輸出轉矩將減小，所以對輕負載的電動機或者不能滿載的電動機使用，發電廠廠用輔機電動機有很多“大馬拉小車”現象，所以合理調整廠用母線電壓是對降低廠用電率是很重要的。

由影響電動機綜合功率損耗的上述因素，電動機的經濟運行應注意以下問題：（1）合理使用三相電動機，在工程設計時盡量選用和拖動負載相匹配的電動機，避免“大馬拉小車”現象，如果有電動機與負載不匹配，則在有條件的情況下調換與負載相適應的電動機。（2）嚴格要求電動機的檢修質量，以減少電動機的其它損耗。（3）合理調整廠用母線電壓，但廠用電壓不能太低，一方面當電壓低到額定值-5%以下時，部分電動機運行電流大于額定值，銅損使絕緣老化加速，不宜長期運行，另一方面電機的啟動轉矩與電壓的平方成正比，廠用母線電壓低不利于電動機的啟動；電壓太高一方面電動機綜合功率損耗增加而不經濟，另一方面廠用電系統長期承受高電壓運行，絕緣相對容易擊穿，尤其發生單相接地故障時，非故障相的對地電壓更高，絕緣容易擊穿，從而增加了相間短路故障的概率。因此廠用電系統運行電壓宜在廠用母線額定電壓的-5%～+5%之間，火力發電廠可通過勵磁調節器調節發電機的無功功率來調整廠用電壓，但要從安全和節能調節發電機的無功功率兩個方面來考慮，不能使廠用電壓過低或過高。

5 發電廠廠用變壓器的無功損耗

變壓器的無功損耗包括兩個內容：一個是勵磁功率，也就是變壓器的空載無功損耗，另一個是負載通過時電流與線圈電抗引起的無功損耗，也就是額定負載中的無功損耗。和感應電動機情況相似，要控制變壓器的無功損耗，一方面要做到避免變壓器輕載運行，另一方面是切除一些空載變壓器，發電廠廠用備用變壓器在保證安全供電的前提下盡量不要處于充電備用狀態。

6 結束語

根據以上理論分析和數據計算，可以看出，在發電廠的廠用電系統中無功與經濟運行有密切的關系，各發電廠應對無功功率損耗引起重視，查找一切無功損耗源，合理調整發電廠的無功和使用無功補償技術能夠對發電廠起到降損增益的作用。

參考文獻

[1]GB 12497-1995《三相異步電動機經濟運行》

[2]胡景生等.變壓器經濟運行[M].中國電力出版社.

[3]陸安定.發電廠變電所及電力系統的無功功率[M].中國電力出版社.