ORC異步發電機發電階段功率因數偏低的原因分析及對策

李海明

（南京天加熱能技術有限公司，江蘇 南京 210046）

0 引 言

某ORC低溫余熱發電項目利用石灰窯回轉窯尾部煙氣余熱經換熱器加熱熱水，高溫熱水引至ORC發電機組后，經透平裝置帶動發電機發電。項目共投入兩臺ORC發電機組，每臺發電機組發電功率280 kW，配套外圍用電設備約50 kW。發電機組與外圍用電設備引至現場低壓配電柜，再由現場低壓配電柜進線柜采用電纜方式引至并網柜，發電系統圖如圖1所示[1]。

圖1 發電系統圖

1 運行狀況

該發電系統運行后，發電機組運轉正常，發電機正常發電。但是，在異步發電機啟動過程中，從電機階段轉入發電階段后，系統的功率因數由0.85下降至0.56。根據規范的要求，發電系統的功率因數應不小于0.9[2]，可見本項目發電機組運行時的狀態不滿足要求。發電機組停止運行，需要原因，解決發電系統功率因數過低的問題，實現發電機組的長時間穩定運行。

2 原因分析

功率因數主要反映有功功率出力在設備容量中所占比重，與設備的有功功率、無功功率和視在功率有關[3-5]。

有功功率P、無功功率Q和視在功率S的關系如下：

功率因數cosφ表示為：

有功功率P、無功功率Q與功率因數cosφ之間的關系為：

綜上，功率因數如果要從cosφ=0.85補償到cosφ=0.92，其補償量B的計算方式為：

式中cosφ為補償前功率因數，cosθ為補償后功率因數，B為所需無功補償量。

異步發電機所需的勵磁電源完全引自電網，這就需要對系統進行無功補償才能提高功率因數。針對發電機在啟動階段功率因數無變化而在發電階段功率因數下降的問題進行了如下分析。

（1）異步發電機在啟動階段還未進入發電階段時，可認為異步發電機是一臺電動機，異步發電機此時既向電網系統吸收無功功率，也在吸收有功功率。

假定發電機額定功率為280 kW，需用系數K=1，功率因數cosφ=0.85，通過計算公式可知在發電機啟動階段的無功補償量，結果如表1所示。

每臺ORC發電機組自帶補償容量為55 kVar，因此低壓配電室現有無功補償是滿足要求的，對電網功率因數幾乎無影響，與項目中異步發電機啟動階段時的狀態一致。

（2）異步發電機進入發電階段后有功功率P仍然為280 kW，但此時方向與之前相反，發電機是向電網系統吸收無功而向電網發出有功的。假定配電系統中有一臺280 kW的ORC發電機組，且系統電源輸出功率不變，需用系數K=1，功率因數cosφ=0.85，同樣通過計算可知在發電階段的無功補償量，結果如表2所示。

根據表2的計算結果可知，異步發電機在發電階段所需的無功補償大于其在啟動階段的無功補償量。由于發電機組自身的無功補償量遠小于所需的無功補償量，所以導致異步發電機在轉入發電階段后電網功率因數大幅度下降。因此，本項目中異步發電機轉入發電階段后功率因數下降的原因是無功補償不足。

表1 發電機啟動階段的無功補償量

表2 發電機進入發電階段的無功補償量

3 處理對策

根據上述分析結果，項目想要提高異步發電機在發電階段下的電網功率因數，需要增加無功補償。現假定配電系統視在功率始終保持不變，在兩臺ORC機組和外圍運行設備50 kW設備投入運行后，通過計算，系統所需的無功補償量B≈348 kVA。

在對電氣系統整改的過程中，電氣系統中增加了兩臺無功補償柜，共內置20組電容，無功補償總量為600 kVA。整改完畢系統再次運行后，采取手動方式一組一組電容投入，在將無功補償柜內12組電容依次投入使用后，功率因數由0.56上升至0.92，滿足JGJ 16-2008《民用建筑電氣設計規范》第3.6.2條的要求，發電機組可以持續運行，問題得到妥善解決。

4 結 論

（1）異步發電機在啟動階段和發電階段無功補償量不同，不能按照啟動階段的補償量進行計算，需要詳細了解分析整個低壓系統配電情況。

（2）異步發電機在發電階段電網功率因數下降的原因在于系統內的無功補償不足，可通過增加系統無功補償的方式解決問題，使電網功率因數回歸正常。