馬壽文，陳慶波

(云南天安化工有限公司安全環(huán)保部，云南 安寧 650309)

近年來(lái)，國(guó)家持續(xù)提倡節(jié)能降耗、環(huán)保低碳、綠色發(fā)展的理念，企業(yè)也認(rèn)識(shí)到節(jié)能降耗、降本增效對(duì)于企業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展的重要性。在電力系統(tǒng)中，無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾约捌浣鉀Q問(wèn)題的現(xiàn)實(shí)性已得到了廣泛的重視和認(rèn)可。選擇合理、合適的無(wú)功補(bǔ)償，是提高電力能源利用率和企業(yè)發(fā)展降本增效的重要舉措。無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)之所以得到廣泛的使用，主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)能夠使配電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中提高電能在生產(chǎn)中的利用率，有效的降低電能的耗損量，提高電能質(zhì)量，為設(shè)備提供相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，提升設(shè)備運(yùn)行率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、降耗、增效的目的。本文就公司一期年產(chǎn)60萬(wàn)t/a磷酸二銨生產(chǎn)裝置低壓配電系統(tǒng)無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)改造，改造后給公司帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行詳細(xì)論述，說(shuō)明無(wú)功功率補(bǔ)償在低壓供配電系統(tǒng)中的重要性和給企業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 低壓供配電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償

1.1 現(xiàn)狀

公司磷酸二銨裝置低壓配電室低壓無(wú)功補(bǔ)償電容器組已投用多年，原采用的無(wú)功補(bǔ)償方式為機(jī)械式投入和切除電容器，主要包括功率因數(shù)控制器、專用電容器投切接觸器、干式自愈型電容器和熔斷器等。一次回路接線圖如圖1所示。

由于部分電容器損壞、系統(tǒng)負(fù)荷增加、線路發(fā)熱嚴(yán)重和柜內(nèi)保險(xiǎn)座發(fā)生短路事故等多方面因素，致使裝置低壓配電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償柜長(zhǎng)期“帶病”運(yùn)行，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)功率因數(shù)較低(低壓一段：0.81，低壓二段：0.93)、無(wú)功功率損耗大、電壓波動(dòng)大、設(shè)備運(yùn)行率低等問(wèn)題。

1.2 存在問(wèn)題

低功率因素下運(yùn)行的供電系統(tǒng)負(fù)荷增加導(dǎo)至變壓器長(zhǎng)期處于高溫運(yùn)行，容易造成母線、分支母線等各連接部件發(fā)熱和降低設(shè)備的使用壽命，分析得出：

1)由于設(shè)計(jì)上的不足，采用的無(wú)功補(bǔ)償方式為機(jī)械式投切電容器，控制原件及電容器的頻繁投切，電容器、投切接觸器和熔斷器損壞頻繁，增加了功率補(bǔ)償柜維護(hù)費(fèi)用和維護(hù)工作量。

2)在補(bǔ)償后功率因數(shù)達(dá)不到無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

3)運(yùn)行中期滿負(fù)荷運(yùn)行，加之環(huán)境溫度的影響，電容器、接觸器的發(fā)熱情況，導(dǎo)致柜內(nèi)內(nèi)溫度高。

4)熔斷器上端投切時(shí)，易發(fā)生短路故障，導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償達(dá)不到預(yù)期效果。

5)配電系統(tǒng)諧波電流偏高、電容器間無(wú)替換長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，柜體散熱不良等。

進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，供電系統(tǒng)長(zhǎng)期低功率運(yùn)行，加大了供配電設(shè)備的負(fù)荷，而且造成生產(chǎn)用電量增大，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)成本，不利于公司的發(fā)展。

1.3 原因分析

經(jīng)過(guò)對(duì)上述測(cè)試結(jié)果的分析及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備日常維護(hù)過(guò)程中的故障總結(jié)，導(dǎo)致該無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備故障主要原因有以下幾個(gè)方面：

1)由于技術(shù)改造設(shè)備增加，部分生產(chǎn)設(shè)備擴(kuò)容，新加變頻器、軟啟動(dòng)器等，現(xiàn)有的無(wú)功補(bǔ)償柜容量已經(jīng)超出設(shè)計(jì)要求，滿負(fù)荷狀態(tài)下低壓一段即使全部投用功率因素也無(wú)法達(dá)到0.95以上的目標(biāo)功率因數(shù)。功率因數(shù)低，浪費(fèi)能源、增加能耗，不符合經(jīng)濟(jì)效益和國(guó)家提倡的“節(jié)能減排”要求。

2)低壓配電系統(tǒng)使用的無(wú)功功率補(bǔ)償柜采用的是RT36型，保險(xiǎn)座間無(wú)電氣隔離和滅弧部分，在電容器投切過(guò)程中會(huì)因涌流、諧波電流發(fā)生保險(xiǎn)座間短路現(xiàn)象，存在嚴(yán)重的安全隱患。

3)近年來(lái)生產(chǎn)裝置技術(shù)改造，用電端設(shè)備增加，致使系統(tǒng)諧波電流增大，導(dǎo)致電容器及柜內(nèi)元器件的損壞頻次增多，維護(hù)成本增加

4)低壓電容器投切元件為交流接觸器，投入或切除時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)過(guò)渡過(guò)程。電容器是電壓不能瞬變的元器件，并聯(lián)電容器由交流接觸器投切電網(wǎng)時(shí)，由于相位點(diǎn)的隨機(jī)性，所以會(huì)產(chǎn)生幅值很大、頻率很高的浪涌電流。不僅對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利的干擾，而且對(duì)交流接觸器觸頭位置產(chǎn)生電弧損傷，導(dǎo)致接觸面接觸不良，甚至出現(xiàn)相間短路。頻繁出現(xiàn)涌流、過(guò)電壓會(huì)加速減少電容器的使用壽命，甚至造成電容器鼓包爆炸，引發(fā)生產(chǎn)設(shè)備事故。

2 無(wú)功補(bǔ)償方式的選擇

從理論上講，理想的無(wú)功補(bǔ)償方式是哪里需要就在哪里補(bǔ)償，但在實(shí)際的生產(chǎn)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

目前，我公司低壓配電系統(tǒng)均采用在配電變壓器低壓側(cè)配電屏安裝并聯(lián)補(bǔ)償電容器的方式來(lái)補(bǔ)償[3](如圖2)。結(jié)合實(shí)際，磷酸二銨裝置低壓配電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償采用的是配電變壓器低壓側(cè)配電屏安裝并聯(lián)補(bǔ)償電容器來(lái)集中補(bǔ)償。這種無(wú)功補(bǔ)償方式是在配電變壓器的低壓側(cè)利用無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器，隨著負(fù)荷的變化，根據(jù)測(cè)得的功率因數(shù)自動(dòng)地投入或切除電容器的部分或全部容量來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，并由控制器強(qiáng)制循環(huán)每組電容器的投切，以避免單組或幾組電容器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，從而延長(zhǎng)電容器的使用壽命。

圖2 并聯(lián)補(bǔ)償電容器組合接線方式

3 技術(shù)改造要求

電容器可能使電網(wǎng)中的諧波電流放大，有時(shí)甚至在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧振，使電器設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p壞[3]。

對(duì)配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，抑制諧波是很必要的。對(duì)于并聯(lián)電容器組，抑制諧波的方法主要是使用串聯(lián)電抗器。相當(dāng)于在電容前串聯(lián)一個(gè)電抗，使得補(bǔ)償回路的阻抗在某次諧波相對(duì)于感性負(fù)載來(lái)說(shuō)成感性，從而消除由于電路容性帶來(lái)的諧波震蕩。

除此之外，電容器柜內(nèi)溫度也要盡量控制在一定范圍內(nèi)(<60 ℃)，需設(shè)計(jì)安裝通風(fēng)裝置[4]。同時(shí)，需考慮失壓過(guò)壓保護(hù)，裝置在斷電后又繼續(xù)通電防止自動(dòng)投入和裝置電壓超過(guò)一定值時(shí)自動(dòng)切除電容器組以滿足保護(hù)電容器的目的。在考慮以上問(wèn)題的基礎(chǔ)上，在改造方案中作出了具體的技術(shù)要求：

1)鑒于磷酸二銨裝置低壓配電系統(tǒng)已無(wú)法增加柜體，改造均在原無(wú)功補(bǔ)償柜上進(jìn)行，并保留原熔斷式隔離開(kāi)關(guān)。

2)為有效消除諧波電流，以避免諧波電流注入補(bǔ)償柜電容器導(dǎo)致的再次放大，影響補(bǔ)償裝置元件正常運(yùn)行安全和壽命。所以改造應(yīng)在電容補(bǔ)償裝置的基礎(chǔ)上增加消諧電抗器進(jìn)行濾波。根據(jù)測(cè)試情況，5次、7次諧波電流超標(biāo)，采用6%電抗率的濾波電抗器進(jìn)行濾波。

3)由于無(wú)功功率較大，負(fù)荷存在波動(dòng)，采用自動(dòng)補(bǔ)償方式，進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤自動(dòng)補(bǔ)償，控制器更換為ABB公司生產(chǎn)的RVT-12功率因數(shù)控制器，有功率因數(shù)、無(wú)功功率進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)跟蹤，邏輯判斷，進(jìn)行控制。

4)原切換電容用接觸器在投切過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電容器額定電流6～20倍的涌流，存在安全隱患，故本次改造將原接觸器更換為電容器投切用同步開(kāi)關(guān)。電容器選用干式自愈式電力電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

5)原RT36型保險(xiǎn)座無(wú)電氣隔離和滅弧部分，改為隔離一體式快速熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)和回路隔離。

6)變壓器配電系統(tǒng)容量S=2000 kVA

取補(bǔ)償前功率因數(shù)cosΦ=0.79～0.8補(bǔ)償后功率因數(shù)cosΦ=0.95。

計(jì)算需要補(bǔ)償無(wú)功容量為：

功率P按目前實(shí)際運(yùn)行電流 1400 A 時(shí)功率為 800 kW。考慮 2000 kVA 的變壓器可能系統(tǒng)負(fù)荷會(huì)增加容量，計(jì)算功率P按 1000 kW 來(lái)計(jì)算。

Q1=420 kVar

另外，還需考慮到留有一定的補(bǔ)償容量。作為補(bǔ)償裝置，在循環(huán)投切時(shí)，電容器可以有兩組電容循環(huán)處于休息狀態(tài)，以達(dá)到增加電容器的使用壽命，故每段補(bǔ)償容量為 480 kVar。

7)為確保良好的散熱，在原無(wú)功補(bǔ)償柜后柜門(mén)開(kāi)孔兩個(gè)，并安裝散熱風(fēng)扇輔助散熱。

4 技改效果

磷酸二銨低壓配電系統(tǒng)無(wú)功率補(bǔ)償前部分運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 磷酸二銨低壓配電系統(tǒng)無(wú)功率補(bǔ)償前部分運(yùn)行數(shù)據(jù)

磷酸二銨低壓配電系統(tǒng)無(wú)功率補(bǔ)償后部分運(yùn)行數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 磷酸二銨低壓配電系統(tǒng)無(wú)功率補(bǔ)償后部分運(yùn)行數(shù)

磷酸二銨裝置低壓配電系統(tǒng)無(wú)功功率補(bǔ)償改造材料清單見(jiàn)表3。

表3 一期磷酸二銨裝置低壓配電系統(tǒng)無(wú)功功率補(bǔ)償改造材料

5 產(chǎn)生效益及投資回收期

1)經(jīng)過(guò)改造后，按每段負(fù)荷電流 980 A，功率因數(shù)由0.87提高到0.95后每段負(fù)荷電流降低 270 A 左右，電流下降了18%左右，變壓器的損耗可降低33%。初步測(cè)算，安裝后裝置每年可節(jié)省電費(fèi)20余萬(wàn)元。

2)改造后，無(wú)功功率補(bǔ)償柜將增加設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，避免因投切方式存在的問(wèn)題，導(dǎo)致的設(shè)備損壞，減少裝置的非計(jì)劃停車(chē)。

3)減小系統(tǒng)諧波電流含量，降低諧波對(duì)設(shè)備的嚴(yán)重影響和干擾，提高設(shè)備壽命，減少設(shè)備故障率。