ORC異步發(fā)電機發(fā)電階段功率因數(shù)偏低的原因分析及對策

2019-11-27 02:40:22李海明

通信電源技術(shù) 2019年11期

李海明

（南京天加熱能技術(shù)有限公司，江蘇南京 210046）

0 引言

某ORC低溫余熱發(fā)電項目利用石灰窯回轉(zhuǎn)窯尾部煙氣余熱經(jīng)換熱器加熱熱水，高溫熱水引至ORC發(fā)電機組后，經(jīng)透平裝置帶動發(fā)電機發(fā)電。項目共投入兩臺ORC發(fā)電機組，每臺發(fā)電機組發(fā)電功率280 kW，配套外圍用電設(shè)備約50 kW。發(fā)電機組與外圍用電設(shè)備引至現(xiàn)場低壓配電柜，再由現(xiàn)場低壓配電柜進線柜采用電纜方式引至并網(wǎng)柜，發(fā)電系統(tǒng)圖如圖1所示[1]。

圖1 發(fā)電系統(tǒng)圖

1 運行狀況

該發(fā)電系統(tǒng)運行后，發(fā)電機組運轉(zhuǎn)正常，發(fā)電機正常發(fā)電。但是，在異步發(fā)電機啟動過程中，從電機階段轉(zhuǎn)入發(fā)電階段后，系統(tǒng)的功率因數(shù)由0.85下降至0.56。根據(jù)規(guī)范的要求，發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)應(yīng)不小于0.9[2]，可見本項目發(fā)電機組運行時的狀態(tài)不滿足要求。發(fā)電機組停止運行，需要原因，解決發(fā)電系統(tǒng)功率因數(shù)過低的問題，實現(xiàn)發(fā)電機組的長時間穩(wěn)定運行。

2 原因分析

功率因數(shù)主要反映有功功率出力在設(shè)備容量中所占比重，與設(shè)備的有功功率、無功功率和視在功率有關(guān)[3-5]。

有功功率P、無功功率Q和視在功率S的關(guān)系如下：

功率因數(shù)cosφ表示為：

有功功率P、無功功率Q與功率因數(shù)cosφ之間的關(guān)系為：

綜上，功率因數(shù)如果要從cosφ=0.85補償?shù)絚osφ=0.92，其補償量B的計算方式為：

式中cosφ為補償前功率因數(shù)，cosθ為補償后功率因數(shù)，B為所需無功補償量。

異步發(fā)電機所需的勵磁電源完全引自電網(wǎng)，這就需要對系統(tǒng)進行無功補償才能提高功率因數(shù)。針對發(fā)電機在啟動階段功率因數(shù)無變化而在發(fā)電階段功率因數(shù)下降的問題進行了如下分析。

（1）異步發(fā)電機在啟動階段還未進入發(fā)電階段時，可認為異步發(fā)電機是一臺電動機，異步發(fā)電機此時既向電網(wǎng)系統(tǒng)吸收無功功率，也在吸收有功功率。

假定發(fā)電機額定功率為280 kW，需用系數(shù)K=1，功率因數(shù)cosφ=0.85，通過計算公式可知在發(fā)電機啟動階段的無功補償量，結(jié)果如表1所示。

每臺ORC發(fā)電機組自帶補償容量為55 kVar，因此低壓配電室現(xiàn)有無功補償是滿足要求的，對電網(wǎng)功率因數(shù)幾乎無影響，與項目中異步發(fā)電機啟動階段時的狀態(tài)一致。

（2）異步發(fā)電機進入發(fā)電階段后有功功率P仍然為280 kW，但此時方向與之前相反，發(fā)電機是向電網(wǎng)系統(tǒng)吸收無功而向電網(wǎng)發(fā)出有功的。假定配電系統(tǒng)中有一臺280 kW的ORC發(fā)電機組，且系統(tǒng)電源輸出功率不變，需用系數(shù)K=1，功率因數(shù)cosφ=0.85，同樣通過計算可知在發(fā)電階段的無功補償量，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2的計算結(jié)果可知，異步發(fā)電機在發(fā)電階段所需的無功補償大于其在啟動階段的無功補償量。由于發(fā)電機組自身的無功補償量遠小于所需的無功補償量，所以導(dǎo)致異步發(fā)電機在轉(zhuǎn)入發(fā)電階段后電網(wǎng)功率因數(shù)大幅度下降。因此，本項目中異步發(fā)電機轉(zhuǎn)入發(fā)電階段后功率因數(shù)下降的原因是無功補償不足。

表1 發(fā)電機啟動階段的無功補償量

表2 發(fā)電機進入發(fā)電階段的無功補償量

3 處理對策

根據(jù)上述分析結(jié)果，項目想要提高異步發(fā)電機在發(fā)電階段下的電網(wǎng)功率因數(shù)，需要增加無功補償。現(xiàn)假定配電系統(tǒng)視在功率始終保持不變，在兩臺ORC機組和外圍運行設(shè)備50 kW設(shè)備投入運行后，通過計算，系統(tǒng)所需的無功補償量B≈348 kVA。

在對電氣系統(tǒng)整改的過程中，電氣系統(tǒng)中增加了兩臺無功補償柜，共內(nèi)置20組電容，無功補償總量為600 kVA。整改完畢系統(tǒng)再次運行后，采取手動方式一組一組電容投入，在將無功補償柜內(nèi)12組電容依次投入使用后，功率因數(shù)由0.56上升至0.92，滿足JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第3.6.2條的要求，發(fā)電機組可以持續(xù)運行，問題得到妥善解決。

4 結(jié) 論

（1）異步發(fā)電機在啟動階段和發(fā)電階段無功補償量不同，不能按照啟動階段的補償量進行計算，需要詳細了解分析整個低壓系統(tǒng)配電情況。