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供熱鍋爐房中加裝電容器無功功率補償的效益分析

放大字體  縮小字體 發布日期:2013-06-06  瀏覽次數:51538
  在供熱鍋爐房中加裝電容器進行無功功率補償的效益分析
  一、概論
  由于歷史的原因,我國供熱行業用電向來只重視有功負荷、有功電量,忽視無功負荷和無功電量,認為能源換來有功電量,而無功不是能源,進行無功補償對供熱站本身沒有任何好處等。供熱鍋爐房主要用電設備是電動機,消耗的無功功率多,且長期沒有無功功率補償設施,造成供熱站鍋爐房長期以來功率因數偏低,電能浪費嚴重。因此,除改善設備本身的自然功率因數外,供熱站應采用人工補償措施,以提高功率因數,降低電能消耗,減少運行成本,充分發揮供配電設備的潛力,提高供電效率,節約用電量。 
  二、無功功率補償原理 
  當電網電壓的波形為正弦波,且電壓與電流同相位時,電阻性電氣設備如白熾燈、電熱器等從電網上獲得的功率P等于電壓U和電流I的乘積,即:P=U×I。
  電感性電氣設備如電動機和變壓器等由于在運行時需要建立磁場,此時所消耗的能量不能轉化為有功功率,故被稱為無功功率Q。此時電流滯后電壓一個角度a。在選擇變配電設備時所根據的是視在功率S,即有功功率和無功功率的幾何和:
  S=(P2 + Q2)1/2
  無功功率為:Q=(S2 - P2)1/2
  有功功率與視在功率的比值為功率因數:cosa=P/S
  無功功率決不是無用功率,它的用處很大。電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無用功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率,才能使變壓器的一次線圈產生磁場,在二次線圈感應出電壓。因此,沒有無功功率,電動機就不會轉動,變壓器也不能變壓,交流接觸器不會吸合。為了形象地說明問題,現舉一個例子:農村修水利需要挖土方運土,運土時用竹筐裝滿土,挑走的土好比是有功功率,挑空竹筐就好比是無功功率,竹筐并不是沒用,沒有竹筐泥土怎么運到堤上呢?
  在正常情況下,用電設備不但要從電源取得有功功率,同時還需要從電源取得無功功率。如果電網中的無功功率供不應求,用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場,那么,這些用電設備就不能維持在額定情況下工作,用電設備的端電壓就要下降,從而影響用電設備的正常運行。 
  從發電機和高壓電線供給的無功功率,遠遠滿足不了負荷的需要,所以在電網中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率,以保證用戶對無功功率的需要,這樣用電設備才能在額定電壓下工作。這就是電網需要裝設無功補償裝置的道理。
  三、無功功率補償的效益分析
  (一)減少線路功率損失,節約用電
  減少無功功率,可以降低供配電線路和變壓器中的功率消耗。當電流通過導線時,線損的計算式為:
  △P=3I2R×10-3=[P/(Uecosφ)]2×R×10-3
  其中,I為線路或變壓器通過的電流;R為線路或變壓器中每相的電阻;Ue為線路的額定電壓;P為線路或變壓器輸送的有功功率;cosφ為負荷的功率因數。當功率因數由cosφ1提高到cosφ2后,若忽略因提高功率因數而減少電壓損失時對負荷電壓的影響,則線路或變壓器中有功功率的減少值百分數為:
  △P%=(△P1-△P2)/△P1×100%
  =[1-(cosφ1/cosφ2)2]×100%
  例如:當功率因數由cosφ1=0.8提高到cosφ2=0.95時可降低功率損耗29%;若功率因數由cosφ1=0.95降低到cosφ2=0.8時,線損將增加41%。
  以上分析可以看出,在輸送同樣的功率時,由于功率因數不同,在電網中造成的有功損耗相差較大。無功功率補償節電效果極其顯著。
  (二)提高供配電設備的負荷能力,降低投資成本
  1.在同樣視在功率的條件下,增加無功補償,可以提高有功功率。設線路或變壓器輸送的視在功率為S,安裝了補償容量QC后,提高了功率因數。在視在功率不變條件下,使輸送有功功率的能力增加了△P。
  △P=P2-P1=S(cosφ2-cosφ1) 
  其中,P1為補償前的最大有功功率;P2為補償后的最大有功功率;cosφ1為補償前的最大功率因數;cosφ2為補償后的最大功率因數。
  增加△P所需的無功功率即無功補償容量為:
  QC=Q1-Q2=S(cosφ1tanφ1-cosφ2tanφ2)
  例如:當cosφ1=0.8時,1000kVA的變壓器在滿負荷情況下能供給800kVA的負荷;若將cosφ2提高到0.95,則在滿負荷情況下可供950kVA的負荷,即可增加△P=1000×(0.95-0.8)=150kVA,提高了19%的有功輸送能力。
  2.在同樣有功負荷條件下,增加電容補償?梢詼p少視在功率。在有功功率P不變的條件下,當補償QC后,可以減少視在功率。無功補償后,變壓器可以減少的視在功率為:
  △S=S1-S2=P(1/cosφ1-1/cosφ2)
  其中,S1為補償前的最大視在功率;S2為補償后的最大視在功率;P為變壓器的有功功率;cosφ1為補償前的最大功率因數;cosφ2為補償后的最大功率因數。
  例如:某供熱鍋爐房用電負荷為450kW,功率因數為0.8,欲將功率因數提高到0.95后,則變壓器容量減少89kVA。變壓器選定額定容量可由630kVA減少到500kVA,容量降低一級。另外,當輸送功率一定時,由于負荷功率因數的提高,總的電流將相應降低,配電設備和導線截面也均可相應選擇小一些,降低了投資成本,減輕企業負擔。
  (三)減少電壓損失,改善運行條件
  減少無功功率,可以降低線路及變壓器中的電壓損耗。在三相對稱負載下,其電壓損失為:
其中,P為線路輸送的有功功率;Q為線路輸送的無功功率;R為線路的電阻;X為線路的電抗;Ue為線路的額定電壓。
  在變壓器低壓側裝設了補償容量Qc后,其電壓損失減少(即電壓升)為:
  △Ub=△U1-△U2=QcX/(10Ue2 )≈Qc/Se×Ud
  在線路末端裝設補償容量Qc后,線路電壓損失減少(末端電壓升)值可近似按下式計算: 
  △U2%=Qc/(1000Ue2)×XL×100%
  其中,Qc為補償電容器的投運容量;Sc為變壓器的額定容量;Ud為變壓器的阻抗電壓;XL線路的電抗。對1000kVA以下的配電變壓器及1000V以下的低壓配電線路,采用電容補償后,對提高電壓質量比較顯著。
  四、結論
  從上可以看出,在供熱鍋爐房中加裝電容器進行無功功率補償,不但可以提高功率因數,節約有功電量,降低線路損耗和變壓器損耗,減少運行成本,還可以提高鍋爐房供配電設備的負荷能力,降低新建鍋爐房投資成本,減少電壓損失,改善運行條件,使供熱站循環泵及鼓引風電機更容易啟動。
  隨著我國經濟的快速發展,能源的供需矛盾也日益突出,人們的節能意識也不斷提高。供熱行業也應該積極進行技術改造,降低生產成本,節約能源,更好地為人民服務。
 
關鍵詞: 供熱鍋爐
 
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