淺析供熱鍋爐房無功功率補(bǔ)償?shù)囊饬x

淺析供熱鍋爐房無功功率補(bǔ)償?shù)囊饬x

　在交流電路中，由電源供給負(fù)載率有兩種：一種是有功功率，一種是無功功率。
　　有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量（機(jī)械能、光能、熱能）的電功率。比如：5.5千瓦的電動(dòng)機(jī)就是把5.5千瓦的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)水泵抽水或脫粒機(jī)脫粒；各種照明設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換為光能，供人們生活和工作照明。有功功率的符號(hào)用P表示，單位有瓦（W）、千瓦（KW）、兆瓦（MW）。
　　無功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交換，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率。它不對(duì)外作功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場(chǎng)，就要消耗無功功率。比如40瓦的日光燈，除需40多瓦有功功率（鎮(zhèn)流器也需消耗一部分有功功率）來發(fā)光外，還需80乏左右的無功功率供鎮(zhèn)流器的線圈建立交變磁場(chǎng)用。由于它不對(duì)外做功，才被稱之為“無功”。無功功率的符號(hào)用Q表示，單位為乏（Var）或千乏（kVar）。
　　一、概論
　　由于歷史的原因，我國供熱行業(yè)用電向來只重視有功負(fù)荷、有功電量，忽視無功負(fù)荷和無功電量，認(rèn)為能源換來有功電量，而無功不是能源，進(jìn)行無功補(bǔ)償對(duì)供熱站本身沒有任何好處等。供熱鍋爐房主要用電設(shè)備是電動(dòng)機(jī)，消耗的無功功率多，且長(zhǎng)期沒有無功功率補(bǔ)償設(shè)施，造成供熱站鍋爐房長(zhǎng)期以來功率因數(shù)偏低，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。因此，除改善設(shè)備本身的自然功率因數(shù)外，供熱站應(yīng)采用人工補(bǔ)償措施，以提高功率因數(shù)，降低電能消耗，減少運(yùn)行成本，充分發(fā)揮供配電設(shè)備的潛力，提高供電效率，節(jié)約用電量。
　　二、無功功率補(bǔ)償原理
　　當(dāng)電網(wǎng)電壓的波形為正弦波，且電壓與電流同相位時(shí)，電阻性電氣設(shè)備如白熾燈、電熱器等從電網(wǎng)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(shè)備如電動(dòng)機(jī)和變壓器等由于在運(yùn)行時(shí)需要建立磁場(chǎng)，此時(shí)所消耗的能量不能轉(zhuǎn)化為有功功率，故被稱為無功功率Q。此時(shí)電流滯后電壓一個(gè)角度a。在選擇變配電設(shè)備時(shí)所根據(jù)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(shù)：cosa=P/S
　　無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(chǎn)生磁場(chǎng)，在二次線圈感應(yīng)出電壓。因此，沒有無功功率，電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會(huì)吸合。為了形象地說明問題，現(xiàn)舉一個(gè)例子：農(nóng)村修水利需要挖土方運(yùn)土，運(yùn)土?xí)r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(yùn)到堤上呢？
　　在正常情況下，用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率，同時(shí)還需要從電源取得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應(yīng)求，用電設(shè)備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場(chǎng)，那么，這些用電設(shè)備就不能維持在額定情況下工作，用電設(shè)備的端電壓就要下降，從而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。
　　從發(fā)電機(jī)和高壓電線供給的無功功率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了負(fù)荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補(bǔ)償裝置來補(bǔ)充無功功率，以保證用戶對(duì)無功功率的需要，這樣用電設(shè)備才能在額定電壓下工作。這就是電網(wǎng)需要裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置的道理。
　　三、無功功率補(bǔ)償?shù)男б娣治?
　?。ㄒ唬p少線路功率損失，節(jié)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(dāng)電流通過導(dǎo)線時(shí)，線損的計(jì)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(fù)荷的功率因數(shù)。當(dāng)功率因數(shù)由cosφ1提高到cosφ2后，若忽略因提高功率因數(shù)而減少電壓損失時(shí)對(duì)負(fù)荷電壓的影響，則線路或變壓器中有功功率的減少值百分?jǐn)?shù)為：
　　△P%=（△P1-△P2）/△P1×100%
　　 =[1-（cosφ1/cosφ2）2]×100%

　例如：當(dāng)功率因數(shù)由cosφ1=0.8提高到cosφ2=0.95時(shí)可降低功率損耗29%；若功率因數(shù)由cosφ1=0.95降低到cosφ2=0.8時(shí)，線損將增加41%。
　　以上分析可以看出，在輸送同樣的功率時(shí)，由于功率因數(shù)不同，在電網(wǎng)中造成的有功損耗相差較大。無功功率補(bǔ)償節(jié)電效果極其顯著。
　　（二）提高供配電設(shè)備的負(fù)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(bǔ)償，可以提高有功功率。設(shè)線路或變壓器輸送的視在功率為S，安裝了補(bǔ)償容量QC后，提高了功率因數(shù)。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(bǔ)償前的最大有功功率；P2為補(bǔ)償后的最大有功功率；cosφ1為補(bǔ)償前的最大功率因數(shù)；cosφ2為補(bǔ)償后的最大功率因數(shù)。
　　增加△P所需的無功功率即無功補(bǔ)償容量為：
　　QC=Q1-Q2=S（cosφ1tanφ1-cosφ2tanφ2）
　　例如：當(dāng)cosφ1=0.8時(shí)，1000kVA的變壓器在滿負(fù)荷情況下能供給800kVA的負(fù)荷；若將cosφ2提高到0.95，則在滿負(fù)荷情況下可供950kVA的負(fù)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(fù)荷條件下，增加電容補(bǔ)償?？梢詼p少視在功率。在有功功率P不變的條件下，當(dāng)補(bǔ)償QC后，可以減少視在功率。無功補(bǔ)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(bǔ)償前的最大視在功率；S2為補(bǔ)償后的最大視在功率；P為變壓器的有功功率；cosφ1為補(bǔ)償前的最大功率因數(shù)；cosφ2為補(bǔ)償后的最大功率因數(shù)。
　　例如：某供熱鍋爐房用電負(fù)荷為450kW，功率因數(shù)為0.8，欲將功率因數(shù)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(jí)。另外，當(dāng)輸送功率一定時(shí)，由于負(fù)荷功率因數(shù)的提高，總的電流將相應(yīng)降低，配電設(shè)備和導(dǎo)線截面也均可相應(yīng)選擇小一些，降低了投資成本，減輕企業(yè)負(fù)擔(dān)。
　　（三）減少電壓損失，改善運(yùn)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(duì)稱負(fù)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(cè)裝設(shè)了補(bǔ)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(shè)補(bǔ)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(jì)算：
　　△U2%=Qc/（1000Ue2）×XL×100%
　　其中，Qc為補(bǔ)償電容器的投運(yùn)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(duì)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(bǔ)償后，對(duì)提高電壓質(zhì)量比較顯著。
　　四、結(jié)論
　　從上可以看出，在供熱鍋爐房中加裝電容器進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，不但可以提高功率因數(shù)，節(jié)約有功電量，降低線路損耗和變壓器損耗，減少運(yùn)行成本，還可以提高鍋爐房供配電設(shè)備的負(fù)荷能力，降低新建鍋爐房投資成本，減少電壓損失，改善運(yùn)行條件，使供熱站循環(huán)泵及鼓引風(fēng)電機(jī)更容易啟動(dòng)。
　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源的供需矛盾也日益突出，人們的節(jié)能意識(shí)也不斷提高。供熱行業(yè)也應(yīng)該積極進(jìn)行技術(shù)改造，降低生產(chǎn)成本，節(jié)約能源，更好地為人民服務(wù)