高压单级离心鼓风机电容补偿容量计算

梁荣欣

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

1 鼓风机的分类和特点

随着我国污水处理厂规模的不断加大和对于出水水质要求的不断提高，鼓风曝气工艺越来越多地应用于采用生物处理技术的污水处理厂。作为曝气工艺中最为关键的设备，鼓风机的性能和能耗非常引人关注。仅鼓风机设备的用电负荷有时就会占到整个污水厂的总用电量的一半以上，因此选用何种形式的鼓风机关系到整个工程的建设投资规模和运行能耗费用。目前市场上鼓风机的主要类型有罗茨风机、多级离心风机和单级离心风机三种，而这三种类型的鼓风机也由于其各自的特点而有着不同领域的应用。罗茨风机由于其价格低，操作简单，效率较低，常被应用于5万t/d以下规模的污水处理厂；多级离心风机由于转速较低，因此噪音也较小。效率高于罗茨风机但小于单级离心风机，有着较高的性价比，因此普遍应用于5万t/d～10万t/d规模的污水处理厂；而单级离心风机效率最高，转速和噪音也较高，同时设备费用也高于罗茨风机和多级离心风机，因此被广泛应用于10万t/d以上规模的污水处理厂，单机容量较高，多采用高压电机。

2 高压电机电容补偿的必要性及计算方法

电动机无功补偿是一项重要的节能措施，当有功功率需要量保持恒定时，无功需要量越大，其视在功率也就越大。而为满足用电设备需要，势必要增大变压器及配电线路的容量，如此不仅增加投资费用，而且增大设备及线路的损耗，浪费了电力。另外，无功功率需要量的增加，还使变压器及线路的电压损失增大，劣化电压质量。看来无功功率对电网及工厂企业内部供电系统都有不良影响，必须设法降低无功功率的需要量即提高功率因数cosφ。低压电动机的补偿在我国已较为广泛地推广应用并取得良好节能效果和经济效益。而高压电动机的额定容量较大（多用于300 kW以上电机），运行时间长，如实施无功就地补偿则节能效果更为显著，同时必将获得显著的经济效益：

（1）提高功率因数；

（2）降低电能传输的损耗；

（3）有利于充分利用供电设备的容量；

（4）减少了电能传输产生的电压降。

计算高压电动机就地补偿容量的方法主要有以下两种。

2.1 按电动机的空载电流选择

式中：QC——补偿容量，kVAR；

U——电动机额定电压，kV；

I0——电动机空载电流。

2.2 按电动机补偿前后的功率因数选择

式中：P——电动机功率，kW；

cosΦ1——补偿前的功率因数；

cosΦ2——补偿后的功率因数。

3 单级高速离心鼓风机补偿特点分析

以昆明某污水处理厂升级改造工程为例，该项目鼓风机房内采用了四台单级高速离心鼓风机，每台配套590 kW的10 kV高压电机。

根据厂家提供资料，电机的功率因数为0.89，空载电流11A。以上节第二种方法计算补偿容量可以得出表1的结果。

表1 补偿容量一览表

同时采用电容补偿的电动机切断电源后，电动机仍会在惯性作用下继续转动一段时间。此时电容器的放电电流成为励磁电流，可使电动机的磁场因自励磁而产生电压，使得电动机运行于发电状态，可能导致对电机及电容器绝缘的损坏。因此，仍需采用上节第一种方法进行复算，确保补偿设备的容性电流值应不大于电动机空载电流值的0.9倍。

即 QC≤0.9×1.732×10×11=171.47（kVAR）

根据以上计算结果，10kV补偿容量必须小于171.47 kVAR才能避免出现励磁电流过大的现象。

由表1计算结果可知，当补偿容量为108.32 kVAR时，鼓风机在满载工作时的功率因数即可达到0.95。这里补偿到110 kVAR是否就足够了呢？答案是否定的。对此，再回顾一下功率因数的定义：什么是电动机的功率因数？异步电动机的功率因数是衡量在异步电动机输入的视在功率（即容量等于三倍相电流与相电压的乘积）中，真正消耗的有功功率所占比重的大小，其值为输入的有功功率P与视在功率S之比，用cosψ 来表示。电动机在运行中，功率因数是变化的，其变化大小与负载大小有关，电动机空载运行时，定子绕组的电流基本上是产生旋转磁场的无功电流分量，有功电流分量很小。此时功率因数很低，仅为0.2左右，当电动机带上负载运行时，要输出机械功率，定子绕组电流中的有功电流分量增加，功率因数也随之提高。当电动机在额定负载下运行时，功率因数才能达到最大值。

结合单级高速离心鼓风机的机械特性可知，这种鼓风机在额定负载时的功率因数较高，一般均大于0.85，因此它的补偿容量往往小于相同功率的罗茨风机和多级离心风机。但在电机启动工程中，以及出现由于风量风压变化时，电动机的实际负载均达不到额定负载，因此在计算高压电动机补偿容量时应适当放大，以确保在实际运行过程中达到有效的节能效果。针对上述计算示例，可采用130 KVAR的实际补偿容量。

通常电容器额定电压比电网电压高10%以上，以便电网电压正偏移时电容器也不致被击穿。为提高电容器的使用寿命，建议选择标称电压为12 kV的电容补偿器作为10 k V单级高速离心鼓风机的补偿电容。由于电容器的额定容量：

式中：Q——电容器的额定容量，kVAR；

Cn——额定电容，μF；

Un——额定电压，kV；

f——频率，Hz。

由上述交流电容器的额定容量的计算公式可以知道，电容器的补偿容量与电压的平方成正比关系，因此标称电压为12 kV的电容补偿器在10 kV系统中的实际补偿容量仅为其标称容量的70%。

综合考虑以上几点内容，该工程最终选用了四套180 kVAR，标称电压为12kV的高压电容补偿器。

4 补偿后带来的节能效果

单级高速离心鼓风机的功率往往较大，因此经过补偿后功率因数提高带来的节能效果也十分明显。以该工程为例，经过电容补偿，可将功率因数由原来的0.89提高到平均功率因数0.95。电流降降低约7%，即节能效果7%。对于四台590kW的鼓风机的节能效果显著，不但可以较快收回成本，也可带来巨大的经济效益。

5 总结

在进行高压单级高速离心鼓风机电容补偿计算过程中，应综合考虑到它的功率因数在不同运行工况中的变化；补偿容性电流值应不大于电动机空载电流值的0.9倍；电容补偿实际容量与标称电压的关系等多种因素，缺一不可。从而在保证电机使用安全的前提下最大程度的提升节能效果。

[1]GB50227-2008，并联电容器装置设计规范[S].

[2]工业与民用配电设计手册（第三版）[M].北京：中国电力出版社.

[3]给水排水设计手册——电气与自控（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社.