无功功率对联合循环发电机组运行经济性的影响分析

王一

（广东惠州天然气发电有限公司，广东惠州516082）

摘要：从励磁功率及厂用电率、变压器无功损耗、异步电机耗功等方面出发，分析了机组无功功率变化对于燃气—蒸汽联合循环发电厂运行经济性的影响，为国内其他同类型发电厂的机组运行提供了一定的借鉴和参考。

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关键词 ：发电机组；无功功率；运行经济性

0引言

发电机有功负荷对发电经济性有着直接的影响，有功负荷的大小直接影响着发电机组的效率、发电厂的销售收入和利润、厂用电率等重要经济指标，通过对有功功率的电能计量，可准确分析、计算其影响程度。

然而，无功电量由于未计入电能计量，不能产生明显的经济效益，所以发电机无功负荷对发电经济性的影响常常被忽略。但机组实际运行中，无功功率的变化与机组的经济性也有着较为密切的关系。

1无功功率变化对励磁功率及厂用电率的影响

要改变发电机无功功率，必须改变励磁机励磁功率的大小，我厂机组的励磁方式为自并励静态励磁，励磁变取电于发电机出口，即发电机发出功率的一部分用于供应励磁系统。通过机组运行励磁功率曲线可以看出，当维持发电机有功为定值且保持不变时，随着发电机无功负荷降低，励磁功率逐渐下降。即在发电量不变的情况下，降低发电机无功负荷时，机组减少了因发无功而多消耗的励磁能量所对应的出力，换句话说即运行中机组出力不变，这部分降低的励磁能量消耗将用于驱动发电机发电，从而减少了一部分厂用电量。这样，既增加了发电量又降低了厂用电率。

为了分析无功负荷改变对励磁功率的影响，在DCS上选取了某一特定时段，此时机组负荷稳定在359MW，手动将无功功率由203.97Mvar逐步降至145.91Mvar，机组此时没有其他任何影响厂用电数据的操作。

分析中每隔一定时间进行一次取样，共进行15次取样，生成如图1所示曲线。

由图1可以看出，随着无功功率从203.97Mvar逐步降至145.91Mvar，机组的励磁功率也逐渐降低，其调节前后的变化差值达220kW左右。假设每台机组每年运行3000h，无功由200Mvar降至145Mvar时励磁耗功差值按平均值200kW计算，我厂3台机组每年励磁功率损耗W1=200×3×3000=1800000kW·h=180万kW·h。由此可见，在保证机组设备及电网系统安全的前提下，发电机组所发无功功率越少，其经济性越好。

2无功功率变化对变压器运行经济性的影响

对于变压器的损耗，通常大家注意的是空载损耗和负载损耗。

空载损耗是变压器二次绕组开路时，一次绕组通以额定频率和额定电压的三相正弦交流电，此时变压器消耗的有功功率。空载损耗又叫铁损，它属于励磁损耗，与变压器所带负载的大小无关，是变压器磁路磁滞损耗与涡流损耗之和。

负载损耗是指变压器正常运行时，由于绕组存在着电阻，负载电流流过绕组时在这些电阻上消耗一定的功率变成热量，它随着负载的增加而加大，我们也称这种损耗为铜损。

变压器是利用电磁感应原理来改变电压大小的一种电力设备，是由无功功率建立磁场来进行能量的传递和转移的，实际上相当于一个有铁芯的大电感线圈，其等值电路可简化为如图2所示。

当电力变压器投入电网运行时，由于励磁电阻R0、线圈电阻Rk、励磁电抗X0、线圈漏电抗Xk的存在，必然会造成损耗。消耗于Rk的功率I20Rk为铜损，消耗于R0的功率I20R0为铁损。Xk上的功率I20Xk为漏磁无功功率，X0上的功率I20X0为励磁无功功率，这是变压器一次侧通过电磁感应传送给二次侧的电磁功率。在一般电力变压器中，X0、Xk分别比R0、Rk在数值上大得多。理论上说，无功功率并没有消耗有功功率。然而，发电厂变压器的无功功率是由发电机提供的，并通过变压器传输到电网中。变压器在传输无功功率的过程中，必然会消耗一定量的有功功率。当发电机发出的无功功率过高时，就会造成变压器过励磁，内部的磁通趋向饱和，铁损和铜损增加，漏磁通增加，漏磁无功功率变大，变压器及其附件发热严重，效率下降。机组生产的电能，在无功功率较大时，消耗在变压器上的更多，通过变压器输送到电网的更少。

3无功功率变化对异步电机经济性的影响

对于变工况运行的异步电机（如给水泵电机），由于其有功输出随着工况的不同波动较大，无法准确估算无功变化对其的影响。所以，选取了运行工况基本稳定的异步电机来进行研究。高压厂用负荷选取了机组循环水泵电机，低压厂用负荷选取了机组真空泵电机。

同样，在DCS上选取某一特定稳定运行时段。此时，机组循环水泵电机电流稳定在105A，真空泵电机电流稳定在188A，且运行工况稳定不变。当机组无功由203.97Mvar逐步降至145.91Mvar时，通过取样绘图生成如图3、图4所示曲线。

从图3、图4中可以看出，随着机组无功逐步下降，循泵耗功计算得出降低了17.6kW，真空泵耗功降低了2.76kW。这是由于假设电机运行电压为U，电机的铭牌额定电压为Ue。当U＞Ue时，电机中的磁通Φ将增加，由于电动机磁路的饱和，在磁通增加不多的情况下励磁电流将大大增加。在U＞Ue时，不仅铁损增大，而且定子绕组的铜损也要增加，这就使定子绕组的发热可能超过允许值，异步电机的无功当量损耗增加。所以，这部分增加的无功损耗除了一小部分用来增加电机磁路磁通以外，其余都变成热量消耗掉了，这就造成了异步电机在负载近似不变的情况下总功耗增加。

按照每年每台循泵运行3500h，每台真空泵运行4500h计，无功按照145Mvar升至200Mvar计，我厂6台循环水泵共多耗电ΔW循环水泵=3500×6×17.6=36.96万kW·h，3台真空泵多耗电ΔW真空泵=4500×3×2.76=3.726万kW·h。随着机组无功的增加，看似一台循泵和一台真空泵增加的耗功不多，但是异步电机作为发电厂中的主要厂用负荷，如果将全厂所有异步电机负荷都统计进来，每年全厂额外消耗在无功增加上的损耗就极其可观了。

4结论

综合以上分析可以得出结论：发电机无功负荷变化影响发电经济性的主要因素有4个，一是发电机励磁能量的消耗，二是发变组负载损耗，三是用于发电机、变压器散热（冷却）的电量增大，四是因无功升高对异步电机功耗的影响。此外，发电机多带无功负荷会使得发电机、变压器、异步电机等设备工作条件恶化，增大了这些设备故障、损坏的可能性。因此，在保证机组设备和电网系统安全的前提下，尽量提高运行机组的功率因数，减少无功负荷，能够降低厂用电率，提高运行机组的经济性。

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参考文献］

［1］汤蕴璆.电机学［M］.4版.北京：机械工业出版社，2011.

［2］熊信银.发电厂电气部分［M］.4版.北京：中国电力出版社，2009.

收稿日期：2015?06?30

作者简介：王一（1980—），男，吉林人，电气工程师，运行部电气主管，从事运行部电气专业技术管理工作。