催化装置能量回收机组中大型异步电动/发电机对系统功率因数的影响及无功补偿

阳爱平

摘要：炼油厂催化装置的主风机组一直以来采取的是能量回收机组，通过将装置产生的能量进行回收利用，从而降低能量的损耗，达到节约能源的效果。本文将阐述能量回收机组中大型异步电动/发电机将装置多余能量转换成电能的工作原理，然后对异步发电对炼油厂供电系统功率因数的影响进行分析，最后提出应该采取怎样的无功补偿方式。

关键词：催化装置能量回收；异步发电；系统功率因数；无功补偿

一、异步发电的原理

我国炼油厂催化装置的主风机组采取的是能量回收机组，也就是通过将装置所产生的高温烟气能量转换成电能之后加以循环利用，是一种有效的降低能耗和节约能源的方式。一般来说，能量回收机组可以分成三机组配置和四机组配置两类，其中四机组配置中多了一个汽轮机，主要是用于将反应器中所产生的蒸汽推送至变速箱从而达到蒸汽平衡，将蒸汽能量转化成电能。

目前不管是三机组配置还是四机组配置，大多数电动/发电机采用异步电机，本文对异步发电的工作原理进行阐述。首先应该清楚异步发电的基本要素，当电源接入到电机定子三相绕组之后，电机气隙会产生一个旋转磁场，这个由定子产生的旋转磁场在转动时是以相对于四级机同步速度旋转。然后该定子旋转磁场通过切割转子导体，通过提供激磁电流使得转子电流也产生一个旋转磁场。不过定子旋转磁场和定子旋转磁场之间总是不同步的，两者存在滑差速率。因此，在同步发电机的情况下，是定子磁场的旋转速率总是要大于转子磁场的速率，这个时候是定子拖着转子动，将电网所产生的电能转化为机械能。而在异步发电机的情况下，转子磁场的旋转速率总是要大于定子磁场的速率，这个时候是转子拖着定子动，并将转子上所产生的机械能转化成电能并输送回电网。从中可以发现异步发电的基本要素是：首先转子磁场的旋转速率必须要大于定子磁场的旋转速率；其次转子磁场的形成必须要由定子磁场提供激磁电流，也就是要通过电网提供无功功率；此外，转子磁场所能提供的激磁电流必须要使电机接入到电网，这样电网才能吸收无功功率之后为转子磁场提供无功功率，然后激磁电流所形成的磁场将异步发电机所发出的有功功率，即将转子机械能转化为电能之后输送回电网。

二、异步发电对炼油厂系统功率因素的影响分析

1.供电系统中的功率因数

在电网系统中，电压波形畸变很小，而电流波形畸变较大，电流的波形是非正弦的，但是谐波电流不产生有功功率，所以电网中功率因数可以表示为：λ=P/S=UI1cosφ1/UI=（I1/I）cosφ1=vcos。该公式中I1为基波电流有效值，φ1为基波电流和电压的相位差，v=I1/1是基波因数或波形畸变因数，cosφ1是位移因数或基波功率因数。也就是说供电系统的功率因数主要是由基波电流相移和电流波形畸变决定的，在异步发电机情况中，供电系统的功率因数和有功功率与无功功率的变动有关，当基波电流相移或电流波形畸变发生改变，便会影响系统中的功率因数，而电网无功功率和有功功率输出量的改变将对基波电流相移或电流波形即便产生影响。

2.异步发电对电网系统功率因数的影响

在异步发电情况下，电机一方面需要发出有功功率，向电网系统输送有功功率，另一方面要吸收电网中的无功功率。当电力用户安装异步发电机之后，对电网有功功率的需求减少，但是电机对于电网的无功功率并没有减少，相对无功功率来说还有所上升了，所以说从电网吸取有功功率和无功功率的比例降低，也就是电网负荷的功率因数降低。在公式S1=P1+jQ1中，表示的是炼油厂在没有异步发电机时的用电总负荷，P1为有功功率，Q1为无功功率，S1为视在功率。S1视在功率=，所以视在功率总是正数，无功功率和有功功率也总是正的，表示的是从电网中吸收一定的无功功率和有功功率。这个时候系统功率因数cos1=Q1/S1。而能量回收机组电动机在异步发电工况下的发电功率为P1，S1=-Pf+jQf，这个时候-Pf＜0指的是送入电网的功率，而QF也小于零，表示的是吸收电网的无功功率，此时cos=-PfSf＜0。在炼油厂中安装了异步发电机之后，炼油厂电网用电总负荷为S2=P2+jQ2=（P1-Pf）+j（Q1+Q2），其中P2=P1-Pf，Q2=Q1+Qf，S2=，cos2=P2S2。根据这些公式可知，如果某一炼油厂原有的平均用电负荷为S1=25000kVA，cos1=22500/25000=0.90，当对催化装置进行改造加入能量回收机组之后，电机额定功率为9000kW，cosfn=0.91，Pf=2800kW，电机负载率=2800/9000，cosf=0.87.消耗的无功功率为Qf=Pftgf=2800*0.5667=1587kvar。也就是说在异步发电情况下的用电总负荷变成了P2=22500-2800=19700kW，Q2=10897+1587=12484kvar，S2=23322kVA，cos2=19700/23322=0.845。也就是说cos2小于cos1，电力系统功率因数降低。

三、无功补偿的方式

催化装置能量回收机组中因装有异步发电机，所以供电系统的功率因数会发生一定变化，往往导致功率因数降低，所以要进行一定的无功补偿。无功补偿方式一共有以下三种方式：

首先当电动机处于正常运行时，说明回收装置回收的能量无法满足主风机的运作需要，也就是在一般情况下系统功率因数要小于额定功率因数，即小于0.9，这时需要进行的无功补偿只要使功率因数达到0.9即可，不需要尽量大量的无功补偿。其次，在电动或者发电工况下，系统的负载率都很小，这说明能量回收装置回收的能量能基本满足主风机运作的需要。一般在该情况下如果是夏季机组回收的能量会有剩余，电机处于轻载发电情况，在冬季机组回收的能量稍有短缺，电机处于轻载电动情况。但全年情况来说，电机是处于空载状态，而在空载状态下，电流是电机的激磁电流，消耗的是电网所提供的无功功率，对于有功功率的消耗较少，也就是说在这种情况下系统的功率因数基本上接近为零，此时必须要进行无功补偿。此外，当电机处于正常异步发电情况下，此时电机的负载率较大，回收装置回收的能量要大于主风机所需要的能量，此时异步发电是同时向电网提供有功功率，又向电网吸收无功功率。前文讲到当电机处于异步发电情况下时，会对系统的功率因数产生不利的影响，所以必须要进行无功补偿，一般补偿的方式是根据炼油厂的总用电负荷或者变电所的总负荷来进行考虑，然后最终的结果是要使炼油厂的总用电或者变电所的总进线的功率要达到规定标准。

四、结语

综上所述，炼油厂的能量回收装置中当安装了异步发电/电动机之后，无论是处于发电工况下还是处于电动工况下，都需要为电网提供有功功率，同时要向电网吸收无功功率。该情况会对炼油厂的系统功率产生不利的影响，使得功率大大降低，所以需要进行一定的无功补偿，所进行的无功补偿的容量应该要使得炼油厂的总用电功率达到国家规定标准。

参考文献：

[1]屈莉.催化装置能量回收机组中大型异步电动/发电机对系统功率因数的影响及无功补偿[J].科学技术创新，2015.

[2]涂延红.催化裂化装置异步电动/发电机无功补偿设计分析[J].硅谷，2012.

[3]谢红兵.异步电机功率因数自动控制变频调速系统[J].中国石油和化工标准与质量，2016.