[摘要]结合钢铁企业的情况,表述钢铁企业功率因数现状和无功补偿方式。
[关键词]钢铁企业 功率因数 无功补偿
中图分类号:TF0文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0920035-02
钢铁企业中有大量的感性负荷,因此钢铁企业的自然功率因数比较低,这样造成的影响有:降低了系统发电机的输出有功功率、降低了变电和输电设施的供电能力、增加了供电网络的损耗、增加了输电线路的电压降。鉴于功率因数的高低对发、供、用电设备的充分利用、节约电能和改善电压质量有着重要影响。为了提高用电用户的功率因数并保持其均衡,按原水利电力部、国家物价局(83)水电财字第215号文件中规定,“功率因数标准0.90,试用于160千伏安(千瓦)以上的高压供电工业用户(包括社队工业用户)、装有带负荷调整电压装置的高压供电电力用户3200千伏安及以上的电力排灌站…”,并且在以0.90为标准的功率因数调整电费表中,对0.90以上的功率因数减少电费,对0.90以下的功率因数增加电费。由以上可看出,提供功率因数不仅对电力系统,对钢铁企业的经济运行有重大意义。
在考虑提高功率因数时,应首先提高企业用电设备的自然功率因数,当采取设施后还达不到电力部门的要求时,才考虑人工补偿。
一、提高钢铁企业自然功率因数的措施
钢铁企业无功功率消耗,一般感应电机占70%,变压器占20%,线路占10%。因此提供钢铁企业的功率因数,应从降低感应电机无功损耗和降低变压器无功损耗着手:
(一)降低感应电机的无功损耗
1.提供电机的负载率,使其接近满载运行。根据感应电机的性能和特性,感应电机的功率因数、效率与负荷率的关系,见图1。
由图1可以看出,感应电机的最高效率,一般在3/4负载至满载期间出现,而功率因数则在满负荷时最高,因此使用适当容量的电机,使其接近满载运行,不但能节约用电,而且可以提高功率因数,降低无功损耗。在钢铁企业中,选择电机容量时,一般是按电机最大出力的情况下,考虑了一定的余度,又将电机额定容量靠上一级的标准容量,因此在实际运行时电机很少运行在满载情况,甚至经常运行在50%负载率或更低的情况。这就需要设计院在设计时就要选择合适的电机,使电机能经济合理地运行。
2.降低轻负载感应电机的电压
感应电机降压运行后,因降低了磁通,无功功率显著减少。不同负载时,改变电机电压对功率因数的影响见图2。由图2可看出,降压运行对电机功率因数的改变具有很明显的改善。但由于电机电压与输出转矩的平方成正比关系,降低电机定子电压后,会使电机的输出转矩降低很多,所以对轻负载电机才能采用这种方式。降低感应电机的电压有两种方式:降低电机的电源电压;改变电机的内部接线。
3.用同步电机代替感应电机
同步电机与感应电机相比,同步电机转速恒定不变,与负载大小没有关系;而且同步电机的功率因数可以调节,能够在cosφ=1的情况下运行;在运行中还可以调节励磁电流,使同步电机在超前功率因数情况下运行,从而改善整个电网的功率因数,这是感应电机不能做到的。
过去由于同步电机的启动问题不能很好解决,而且励磁电流还需要直流电源,因而限制了同步机的应用,随着工业的发展,同步电机采用了异步启动,又采用了可控硅整流装置作为励磁电源,使同步电机的应用广泛起来。在钢铁企业中有一些大型的电动机往往是采用的同步电机,例如:高炉鼓风站的鼓风机、制氧站的氧压机、烧结厂的烧结机等等,这些电机都有不需要调速、负载平稳、且长期运行的特点,采用同步机后能很好地改善钢铁企业的功率因数。
(二)降低变压器的无功损耗
变压器的无功功率损耗包括两个方面:一个是空载无功损耗;另一个是负载无功损耗。要控制变压器的无功损耗必须要做到:避免变压器轻载运行,切除空载运行的变压器。
1.变压器的无功损耗与变压器本身的空载电流和短路阻抗有关,因此为了降低变压器的无功损耗,在选择变压器时,首先应选择低损耗的变压器,其次变压器的有功和无功损耗与变压器的负载率有关,变压器的负载率与功率因数关系见图3。
图3表示变压器的二次侧功率因数维持不变,而负载率变化时,一次侧功率因数的变化情况。可见,负载率越低,通过变压器以后,一次侧功率因数下降得越低。根据国内电网运行经验,为了节约有功损耗,降低无功功率在电网中的环流,提高功率因数,变压器的负载小于30%时,都应更换成较小容量的变压器;变压器的负载率为30%～60%时,经过技术经济比较后,再决定是否需要更换变压器,负载超过60%是正常的,不需要更换。
在钢铁企业中,为了保证电力系统可靠运行,各工艺设施和公辅设施的变压器均按100%备用容量设置,即当一台变压器故障或检修时,其余的变压器能满足100%负荷容量要求,当仅设置2台变压器时,正常运行时每台变压器就只有50%的负载率,有时考虑了扩建的余度,变压器的负载率只有30%～40%是较常见的情况。针对这种情况,经过技术经济比较后,可考虑增加变压器台数,减少变压器容量的方法,来增加变压器的负载率。例如:380V计算负荷为2000kVA,可考虑设置2台2000kVA的变压器或3台1000kVA的变压器。2台2000kVA变压器,正常工作时每台变压器平均分负荷率为50%,而设置3台1000kVA的变压器,正常工作时,每台变压器的平均负荷率为67%。这样提高了负荷率,降低了变压器的无功损耗,还减少了变压器的安装容量,降低了投资。当然,电气接线复杂了,增加了操作的难度。
2.切除空载变压器
有多台变压器并列运行或有多个变电所供电的工矿企业,应尽可能在负载低的时候,如厂休、例假或夜间,适当进行调度,保留必要的变压器,将多余的切除,以节约有功损耗和无功损耗。
综上所述,降低钢铁企业的自然无功损耗,需要从设计时开始就要贯彻节约环保的观念,首先要选择节能降耗的电机和变压器,其次选择的电机和变压器容量不能一味求大,要合适,使电机和变压器在接近满载的情况下工作,然后设计的供配电接线方式要灵活,方便倒换负荷,方便切除空载电机和变压器等等。另外在日常的运行及时根据负荷情况调整运行方式。
二、无功补偿装置的选择
当企业的自然功率因数不能满足电力部门的要求时,必须安装无功功率补偿装置。常见的无功补偿装置有并联电容器补偿装置(包括集中补偿、分组补偿、就地补偿等方式)、同步调相机、静止无功补偿装置(SVC)、可控电抗器、柔性控制装置(STATCOM)等方式。
(一)无功补偿的分类
对于采用并联电容器进行无功补偿,按其在供电系统中安装的位置来分,可分为集中补偿、分组补偿、就地补偿等方式。
1.集中补偿,在高、低压配电所内设置若干组电容器组,电容器接在配电母线上,补偿该配电所范围内的无功功率,并使总功率因数达到所规定的值以上。这种补偿方式只能补偿高、低压母线之前(电源方向)线路上的无功功率,而对于配电母线以下的变压器和线路的无功功率不能起到补偿的作用,仍会有大量的无功功率在内部线路上流动,并且产生损耗。这种方式在钢铁企业中得到了广泛地应用,原因是它能起到补偿无功的作用,投资少,便于集中管理。
2.分组补偿,用电设备的实际负荷电流是每时每刻都在不断变化的,三班工作制工厂是如此,二两班制和一班制的工厂更是如此。最佳效益无功补偿目标值是由最大计算负荷(即半小时最大值)决定的,那么在负荷变低的情况下,电容器就要产生过补,这样就会产生母线电压过高,和过多的容性电流流回系统进而会增加系统线路和变压器上的功率损耗,因此应该采用跟随无功负荷变化(缓慢地平均变化),而自动投入或切除分组电容器自动功率因数补偿方式就比较适用。对于电机台数多,且成组投入或推出的情况多,是一种很好解决无功功率损耗的方式。这种方式在钢铁企业内正在逐步得到推广应用。
