无功补偿的经济效益分析

在现代用电企业中,在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于电力系统中,以致电网传输功率除有功功率外,还需无功功率。如自然平均功率因数在0.700.85之间。企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的60%90%,如果把功率因数提高到0.95左右,则无功消耗只占有功消耗的30%左右。由于减少了电网无功功率的输入,会给用电企业带来效益。

节省企业电费开支

提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的,因为国家电价制度中,从合理利用有限电能出发,对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值,低于规定的数值,需要多收电费,高于规定数值,可相应地减少电费。可见,提高功率因数对企业有着重要的经济意义。

 

提高设备的利用率

对于原有供电设备来讲,在同样有功功率下,因功率因数的提高,负荷电流减少,因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备,从而满足了负荷增长的需要;如果原网络已趋于过载,由于功率因数的提高,输送无功电流的减少,使系统不致于过载运行,从而发挥原有设备的潜力;对尚处于设计阶段的新建企业来说则能降低设备容量,减少投资费用,在一定条件下,改善后的功率因数可以使所选变压器容量降低。因此,使用无功补偿不但减少初次投资费用,而且减少了运行后的基本电费。

 

降低系统的能耗

补偿前后线路传送的有功功率不变,P= IUCOSφ,由于COSφ提高,补偿后的电压U2稍大于补偿前电压U1,为分析问题方便,可认为U2≈U1从而导出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2= COSφ2/ COSφ1,这样线损 P减少的百分数为:

ΔP%= (1-I22/I12)×100%=1- COS2φ1/ COS2φ2 × 100%

当功率因数从0.700.85提高到0.95时,由(2)式可求得有功损耗将降低20%45%

 

改善电压质量

以线路末端只有一个集中负荷为例,假设线路电阻和电抗为RX,有功和无功为PQ,则电压损失ΔU为: △U=PR+QX/Ue×10-3(KV) 两部分损失:PR/ Ue→输送有功负荷P产生的;QX/Ue→输送无功负荷Q产生的;

配电线路:X=2~4R,△U大部分为输送无功负荷Q产生的

变压器:X=5~10R QX/Ue=(5~10) PR/ Ue 变压器△U几乎全为输送无功负荷Q产生的

可以看出,若减少无功功率Q,则有利于线路末端电压的稳定,有利于大电动机的起动。因此,无功补偿能改善电压质量(一般电压稳定不宜超过3%)。但是如果只追求改善电压质量来装设电容器是很不经济的,对于无功补偿应用的主要目的是改善功率因数,减少线损,调压只是一个辅助作用。

 

三相异步电动机就地补偿

三相异步电动机通过就地补偿后,由于电流的下降,功率因数的提高,从而增加了变压器的容量,计算公式如下:

S=P/ COSφ1×[ COSφ 2/ COSφ1-1]

 

调整功率因素

供电部门在为用户确定供电方案时,除了核准供电容量、确定供电电源点、供电电压等级、计量装置的设置、计费方式、用户注入电网的谐波分量,以及方案有效期外,还对功率因数给定了一个最低限值,分别为0.90.850.8

根据国家现行电价的规定,用户功率因数分别以0.90.850.8为基础,当功率因数高过这些值时,可按比例减少电费;当用户用电的功率因数低于这些值时,要按比例增加当月电费,具体计算方法是

W = (1a%)(F1F2)

式中 W——当月电费,元;

F1——基本电费,元/kVA

F2——电量电费,元/kWh

a%——功率因数调整电费系数。

当用户cosφ >0.90.850.80标准时,a%为负值,当用户cosjφ< 0.90.850.80标准时,a%为正值,当用户cosφ =0.90.850.80标准时,a% = 0 奖罚标准如表3所示。

3 a%奖罚标准

实际功率因素

0.9时的a%

0.85时的a%

0.8时的a%

0.75

7.5

5

2.5

0.79

5.5

3

0.5

0.83

3.5

1

-0.3

0.87

1.5

-0.2

-0.7

0.9

0

-0.5

-1

0.92

-0.3

-0.8

-1.3

0.94

-0.6

-1.1

-1.3

0.95

-0.75

-1.1

-1.3

应用实例

某一用户的变压器容量为6.3MVA,月用电量为35×105kWh,平均功率因数为0.8。若该用户的功率因数标准为0.8,计算该用户补偿到0.92时的经济效益。基本电费按每kVA每年180元、电量电费按0.4/kWh计算。补偿装置每kVA的投资按60元,资产折旧率为10%,无功补偿设备的有功损耗为其额定容量的3%。计算过程如下。


计算补偿容量

补偿前cosφ 1= 0.8tanφ 1 = 0.75,平均有功功率为P1= 350×10000/30/24 = 4861kW),无功功率为Q1 = P1×tanφ 1 = 3645.75kvar)。

假设补偿电容器容量为xkvar,经补偿后,功率因数为cosφ 2 = 0.92tanφ 2 =0.426,无功功率为Q2 = Q1-x,而用户的有功功率P2 = P1 + 0.03x,于是tanφ 2 = Q2/P2 =0.426,解得x = 1569 ≈ 1600kvar)。


补偿前用户的年支出费用

基本电费为6.3×1000×180/10000= 113.4(万元);

电量电费为350×12×0.4= 1680(万元);

用户总支出电费为113.4+ 1680 = 1793.4(万元)。

 

补偿后用户年支出费用

电容器年运行时间按8000小时估算,则电量电费为0.4×1600×0.03×8000/10000+ 1680 = 1695(万元),总电费为113.4+ 1695 = 1808.4(万元)。

按功率因数调整后电费为1808.4×(1-0.013)= 1784.9(万元);

无功补偿设备投资为1600×60/10000= 9.6(万元),则资产折旧费为0.96万元;

用户年总支付费用为1784.9+ 0.96 = 1785.9(万元);

补偿后每年经济效益为1793.4-1785.9= 7.5(万元)。每年节约电费为1793.4-1784.9= 8.5(万元),投资可在1.1年左右回收。

若该用户的平均功率因数为0.85,功率因数标准也为0.85,其它计算条件不变,计算该用户补偿到0.94时的经济效益,计算过程如下:

计算补偿量:补偿前cosφ1= 0.85tanφ 1 = 0.62,平均有功功率为P1 = 350×10000/30/24 = 4861kW),无功功率为Q1 = P1×tanφ 1 = 3013.82kvar)。

假设补偿电容器容量为xkvar,经补偿后,功率因数为cosφ2 = 0.94tanφ 2 =0.363,无功功率为Q2= Q1-x,而用户的有功功率P2 = P1 + 0.03,于是tanφ 2 = Q2/P2 = 0.363,解得x = 1235≈1200kvar)补偿前用户年支出费用如上述计算,仍为1793.4万元。

补偿后用户年支出费用。电容器年运行时间按8000h估算,则电量电费为0.4×1200×0.03×8000/10000+1680 = 1691.5(万元),总电费为113.4+ 1691.5 =1804.9(万元)。

按功率因数调整后电费为1804.9×(1-0.011 = 1785(万元);

无功补偿设备投资为1200×60/10000= 7.2(万元),则资产折旧费为0.72万元;

用户年总支付费用为1785+ 0.72 = 1785.7(万元);

补偿后每年经济效益为1793.4-1785.7= 7.7(万元)。每年节约电费为1793.4-1785= 8.4(万元),投资可在0.86年左右回收。

由以上的计算可以看出,无功补偿的效益非常明显,无论从0.8补到0.92还是从0.85补到0.94,用户投资可在一年左右回收,而且上述计算还没有包括因补偿减少视在功率对用户的收益。用户补偿后也使电网降低了损耗,提高了电压质量。因此,提高功率因数不但为国家节约了电力资源,而且给用户节约了资金,为企业创造了可观的经济效益。


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