楊 焜 劉卉圻 呂 玲 楊濘檜

1. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國石油西南管道公司, 四川 成都 610041

0 前言

隨著我國電網(wǎng)架構(gòu)及供電能力的不斷完善提高,采用大型電動機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)已逐漸替代傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動方式,在天然氣長輸管道壓氣站中得到廣泛的應(yīng)用。

電驅(qū)壓氣站均為大工業(yè)用電[1],總電費由電度電費、基本電費和力調(diào)電費三部分組成。其中力調(diào)電費執(zhí)行原水利電力部、國家物價局《關(guān)于頒發(fā)<功率因數(shù)調(diào)整電費辦法>的通知》(水電財字[1983]215號)[2],按用戶每月實用有功電量和無功電量,計算月平均功率因數(shù),以0.90為標(biāo)準(zhǔn)值,高于或低于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時,在按照規(guī)定的電價計算出其當(dāng)月電費后,再按照“功率因數(shù)調(diào)整電費表”所規(guī)定的百分?jǐn)?shù)增減電費[3]。

PFR=(P+C)×(±K)

(1)

式中:PFR為力調(diào)電費,元;P為電度電費,元;C為基本電費,元;K為力調(diào)系數(shù)(功率因數(shù)調(diào)整率),按照月平均功率因數(shù)對應(yīng)增減電費百分?jǐn)?shù)。

受上游來氣與下游需求影響,同時由于部分長輸管道定位為聯(lián)絡(luò)與調(diào)峰功能,在管道運行輸量未達(dá)到設(shè)計值的情況下,電驅(qū)壓氣站可能出現(xiàn)機(jī)組全停的工況,僅承擔(dān)過濾、分離、計量與分輸?shù)裙δ?變電站長期處于低負(fù)荷運行狀況。

電驅(qū)壓氣站雙回110 kV電源供電線路較長,線路的對地電容電流會產(chǎn)生大量容性無功功率,也稱為充電功率。壓氣站機(jī)組停運時,受線路對地電容電流影響,上級電源關(guān)口計量點的無功功率大于有功負(fù)載,用戶與供電部門的計量交接點——關(guān)口點功率因數(shù)基本遠(yuǎn)小于0.90,進(jìn)而產(chǎn)生力調(diào)電費(功率因數(shù)調(diào)整電費),導(dǎo)致單位輸量的運行費用陡增。油氣管道企業(yè)用電成本約占日常運行成本的50%以上,是最主要的成本構(gòu)成因素[4],開展力調(diào)電費平衡專項研究對于油氣管道企業(yè)降本增效具有重要的現(xiàn)實意義。

本文以某長輸管道三座電驅(qū)壓氣站為例,簡要分析各站力調(diào)電費繳納情況,通過關(guān)口計量點抄表數(shù)據(jù)分析各站在不同負(fù)載情況下的功率因數(shù);借鑒西南成品油管道開泵優(yōu)化方案[5]與長呼原油管道節(jié)能優(yōu)化方案[6]的經(jīng)驗,分析壓縮機(jī)組啟用方案,估算避免力調(diào)電費的平衡點,并提出應(yīng)對措施,為管道工程電驅(qū)壓氣站無功平衡提供解決方案。

1 電費分析

三座電驅(qū)壓氣站2016年10月～2017年2月力調(diào)電費繳納情況見表1。

由表1可見,力調(diào)電費占總電費的比例最高達(dá)59%。在壓氣站機(jī)組全停情況下,雖然站內(nèi)采取無功補(bǔ)償保證10 kV進(jìn)線處功率因數(shù)在0.95以上[7],但供電線路上的容性無功功率占有較大比例,使得計量關(guān)口處的功率因數(shù)仍低于0.90。

表1 力調(diào)電費繳納情況表

站場時間功率因數(shù)力調(diào)電費/萬元總電費/萬元占比/(%)甲2016-100.661.201 915.007 282016-110.778.661 5146.029 262016-120.99-1.890 3274.781 9—2017-010.96-1.017 7141.825 3—2017-020.4060.935 1155.546 439乙2016-100.15148.052 4277.608 4532016-110.2767.632 4142.867472016-120.4373.263 7199.628372017-010.16126.095 5232.243 4542017-020.1282.883 6141.38959丙2016-100.95-1.830 5263.849 1—2016-120.6421.813 1155.755 4142016-120.1779.646 6153.501 7522017-010.2076.005 5150.535 9502017-020.2761.921129.96648 注:甲站2016年10月按一般工商業(yè)用電收費。

按照功率因數(shù)調(diào)整電費表,當(dāng)月平均功率因數(shù)達(dá)到0.90就能避免力調(diào)電費,超過0.90就能根據(jù)比例減收部分電費,功率因數(shù)超過0.95以上就能享受最大比例的力調(diào)電費優(yōu)惠[8]。功率因數(shù)每降低0.01,月電費增加0.5%,如果功率因數(shù)低于0.64,則每降低0.01,月電費增加2%[9]。當(dāng)功率因數(shù)低于0.23時,力調(diào)系數(shù)將大于1,造成總電費成倍增加。

2 功率分析

線路的充電功率與線路的線間電容、運行電壓的平方成正比,且由于電纜線路和架空線路在材料、物理結(jié)構(gòu)以及敷設(shè)方式等方面存在很大差異,電纜具有較大的線間電容,遠(yuǎn)大于架空線路所產(chǎn)生的充電無功功率[10-11]。根據(jù)運行經(jīng)驗數(shù)據(jù),110 kV架空線路的充電功率為0.034 Mvar/km,110 kV電纜線路的充電功率為架空線路的31.5倍[12]。

根據(jù)各站投產(chǎn)運行以來實際的耗電量,預(yù)測各站不同負(fù)載情況下的功率因數(shù)。電力線路充電無功功率隨著負(fù)載有功功率動態(tài)變化,當(dāng)負(fù)載電流增加時,線路之間的互感相應(yīng)增強(qiáng),負(fù)載的感性無功抵消了一部分的線路容性無功,計量點無功功率相應(yīng)下降[13]。

甲站根據(jù)2016年10月11日至2017年2月19日關(guān)口計量點每24 h電度抄表數(shù)據(jù),分析日平均有功功率與功率因數(shù)相對關(guān)系,見圖1?？梢灶A(yù)測甲站在關(guān)口點滿足日平均負(fù)載1 000 kW以上即可確保月平均功率因數(shù)0.90。

圖1 甲站有功功率-功率因數(shù)圖

乙站根據(jù)2016年11月4日至2017年1月12日關(guān)口計量點每15 min有功功率與功率因數(shù)抄表數(shù)據(jù),分析其相對關(guān)系,見圖2。盡管乙站缺乏1 000～4 000 kW的運行數(shù)據(jù),但鑒于其與丙站投運線路長度相差不大,因此可以預(yù)測乙站在關(guān)口點滿足日平均負(fù)載2 000 kW以上即可確保功率因數(shù)0.90。

圖2 乙站有功功率-功率因數(shù)圖

丙站根據(jù)2016年10月1日至2017年1月30日關(guān)口計量點每24 h電度抄表數(shù)據(jù),分析日平均有功功率與功率因數(shù)相對關(guān)系,見圖3?？梢灶A(yù)測丙站在關(guān)口點滿足日平均負(fù)載2 000 kW以上即可確保功率因數(shù)0.90。

圖3 丙站有功功率-功率因數(shù)圖

在用電負(fù)荷接近的情況下,甲站電力線路較短,線路無功功率相對較小,因此平衡點功率相對較低。

3 平衡分析

承擔(dān)聯(lián)絡(luò)功能的管道,具有反向輸送功能,多種氣源相互調(diào)配,各種臺階輸量工況交替呈現(xiàn)。根據(jù)未來兩年的輸氣工藝分析預(yù)測,不論正輸還是反輸情況,輸量需求仍無法達(dá)到壓縮機(jī)組起機(jī)的最低要求,各電驅(qū)壓氣站實際運行負(fù)荷僅有幾百千瓦,關(guān)口點功率因數(shù)偏低進(jìn)而產(chǎn)生力調(diào)電費的問題仍然存在。

用戶可通過以下方法提高功率因數(shù):

其一,合理安排低輸量管道沿線各站場電驅(qū)設(shè)備起機(jī)計劃及變壓器備用,以安全和經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)對油氣管道運行工藝進(jìn)行優(yōu)化,合理安排生產(chǎn)計劃,增加部分站場用電設(shè)備的用電負(fù)荷和起機(jī)時長;其二,對功率因數(shù)偏低的站場加裝無功補(bǔ)償裝置,如并聯(lián)電抗器、SVC靜止無功補(bǔ)償裝置(Static Var Compensator)及SVG靜止無功發(fā)生裝置(Static Var Generator)[14-16];其三,選取合理的用電設(shè)備,使電機(jī)負(fù)荷率達(dá)到額定容量的70%以上[17]。

按照前述有功功率與功率因數(shù)關(guān)系分析,通過壓縮機(jī)的短時起機(jī)增加站內(nèi)用電負(fù)荷以提高月平均功率因數(shù)是一種電驅(qū)壓氣站常見的無功平衡措施,但仍需兼顧起機(jī)所增加的電度電費、輸氣量等情況開展進(jìn)一步分析確定。

因此假設(shè)站內(nèi)負(fù)荷相對穩(wěn)定的情況下,以關(guān)口計量點月平均功率因數(shù)0.90為平衡點,論證不同功率條件下的電費情況,并論證與之匹配的工藝運行情況,對壓氣站機(jī)組運行提出可實施的方案。

3.1 甲站

甲站以1 000 kW為起點、6 000 kW為終點、每500 kW遞加,計算各種工況下的運行電費,不起壓縮機(jī)時按關(guān)口點功率293 kW、功率因數(shù)0.55考慮,起機(jī)、停機(jī)與電費情況見表2。

表2 甲站起機(jī)、停機(jī)與電費情況表

起機(jī)運行停機(jī)運行有功功率/kW運行天數(shù)/d有功功率/kW運行天數(shù)/d運行電費/萬元00293301301 0003029301181 50016293141172 00013293171192 50010293201193 0009293211213 5008293221224 0007293231224 5006293241225 0005293251205 5005293251236 000529325125

按照壓縮機(jī)調(diào)速范圍內(nèi)的65%額定轉(zhuǎn)速(最低值)論證工藝運行條件,平衡預(yù)測結(jié)果如下:

1)正輸工況下一臺機(jī)組以5 350 kW軸功率、全站 5 500 kW 運行5 d、停25 d,可確保全站月平均功率因數(shù)0.90。

2)反輸工況下一臺機(jī)組以3 408 kW軸功率、全站 4 000 kW 運行7 d、停23 d,可確保全站月平均功率因數(shù)0.90。

停機(jī)與起機(jī)情況下的各部分電費及輸氣量增加情況見表3,短時起機(jī)所增加的電度電費與停機(jī)時計收的力調(diào)電費基本一致,正輸時月輸氣量增加約2 700×104m3,反輸時月輸氣量增加約2 900×104m3。

表3 甲站平衡預(yù)測各部分電費與輸氣量增加情況表

運行工況電度電費/萬元基本電費/萬元力調(diào)電費/萬元合計電費/萬元月增加輸氣量/104 m3全站停機(jī)(起0 d,停30 d)888341300正輸起1臺65%(起5 d,停25 d)358801232 772反輸起1臺65%(起7 d,停23 d)348801222 955

3.2 乙站

乙站以2 000 kW為起點、6 000 kW為終點、每500 kW遞加,計算各種工況下的運行電費,不起壓縮機(jī)時按關(guān)口點功率299 kW、功率因數(shù)0.23考慮,起機(jī)、停機(jī)與電費情況見表4。

表4 乙站起機(jī)、停機(jī)與電費情況表

起機(jī)運行停機(jī)運行有功功率/kW運行天數(shù)/d有功功率/kW運行天數(shù)/d運行電費/萬元00299301502 0003029901432 5002629941513 0002429961613 5002129991644 00019299111684 50016299141645 00014299161625 50012299181576 0001129919158

按照壓縮機(jī)調(diào)速范圍內(nèi)的65%額定轉(zhuǎn)速(最低值)論證工藝運行條件,平衡預(yù)測結(jié)果如下:

1)正輸工況下一臺機(jī)組以4 520 kW軸功率、全站 5 000 kW 運行14 d、停16 d,可確保全站月平均功率因數(shù)0.90。

2)反輸工況下一臺機(jī)組以3 817 kW軸功率、全站 4 000 kW 運行19 d、停11 d,可確保全站月平均功率因數(shù)0.90。

停機(jī)與起機(jī)情況下的各部分電費及輸氣量增加情況見表5,短時起機(jī)所節(jié)約的力調(diào)電費尚不足以抵消增加的電度電費,正輸時月輸氣量增加約4 300×104m3,反輸時月輸氣量增加約5 100×104m3。

表5 乙站平衡預(yù)測各部分電費與輸氣量增加情況表

運行工況電度電費/萬元基本電費/萬元力調(diào)電費/萬元合計電費/萬元月增加輸氣量/104 m3全站停機(jī)(起0 d,停30 d)1264741500正輸起1臺65%(起14 d,停16 d)986401624 394反輸起1臺65%(起19 d,停11 d)1046401685 124

3.3 丙站

丙站以2 000 kW為起點、6 000 kW為終點、每500 kW遞加,計算各種工況下的運行電費,不起壓縮機(jī)時按關(guān)口點功率450 kW、功率因數(shù)0.33考慮,起機(jī)、停機(jī)與電費情況見表6。

表6 丙站起機(jī)、停機(jī)與電費情況表

起機(jī)運行停機(jī)運行有功功率/kW運行天數(shù)/d有功功率/kW運行天數(shù)/d運行電費/萬元00450301302 0003045001552 5002545051633 0002245081723 50018450121704 00015450151674 50015450151805 00013450171775 50013450171886 0001245018190

按照壓縮機(jī)調(diào)速范圍內(nèi)的65%額定轉(zhuǎn)速(最低值)論證工藝運行條件,平衡預(yù)測在正輸工況下,一臺機(jī)組以3 660 kW軸功率、全站4 000 kW運行15 d、停15 d,可確保全站月平均功率因數(shù)0.90,該站無反輸工況。

停機(jī)與起機(jī)情況下的各部分電費及輸氣量增加情況見表7,短時起機(jī)所節(jié)約的力調(diào)電費尚不足以抵消增加的電度電費,月輸氣量增加約3 500×104m3。

壓縮機(jī)的短時起機(jī)運行雖然大幅增加輸氣量,但是所節(jié)約的力調(diào)電費尚不足以抵消增加的電度電費,或者兩者基本一致。

表7 丙站平衡預(yù)測各部分電費與輸氣量增加情況表

運行工況電度電費/萬元基本電費/萬元力調(diào)電費/萬元合計電費/萬元月增加輸氣量/104 m3全站停機(jī)(起0 d,停30 d)2350571300正輸起1臺65%(起15 d,停15 d)1175001673 575 注:丙站無反輸工況。

從供電系統(tǒng)運行角度出發(fā),可考慮臨時報停110 kV電源,并采用10 kV電源供電的方式。按照《國家發(fā)展改革委辦公廳關(guān)于完善兩部制電價用戶基本電價執(zhí)行方式的通知》(發(fā)改辦價格[2016]1583號)[18],取消了《供電營業(yè)規(guī)則》中電力用戶一年內(nèi)只能申請兩次暫停的要求,為該方式的有效實施提供了有利保證[19-20]。

4 結(jié)論

電驅(qū)壓氣站在機(jī)組全停情況下,通過壓縮機(jī)短時起機(jī)以實現(xiàn)力調(diào)電費平衡的措施,實質(zhì)為一種被動無功平衡措施。通過平衡分析可知,由于供電線路參數(shù)、負(fù)荷需求差異,各功率條件與電費呈現(xiàn)不規(guī)則的對應(yīng)關(guān)系,實際增加的電度電費可能大于節(jié)約的力調(diào)電費。因此,對于電驅(qū)壓氣站的無功平衡建議如下:

1)以工藝分析為基礎(chǔ),統(tǒng)籌考慮輸氣量、功率與電費,本質(zhì)上最終決定短時起機(jī)方案是否可行的是增加的輸氣量下游能否接受,如果能夠接受,輸氣量增加所增收的管輸費遠(yuǎn)大于增加的電度電費,即收益大于成本;如果不能接受,則該方案不可行。站內(nèi)循環(huán)不外輸?shù)姆绞郊词鼓軌蚪鉀Q無功平衡,但輸氣量不增加、運行成本增加,且影響機(jī)組使用壽命,不推薦采用。

2)在短時起機(jī)方案不可行的情況下,考慮采取容性無功補(bǔ)償措施,對于用戶變電站以靜止無功補(bǔ)償為主。在設(shè)計階段,應(yīng)詳細(xì)分析機(jī)組運行方式,在明確預(yù)知存在機(jī)組全停工況時,可考慮在變頻驅(qū)動裝置中增加SVG無功補(bǔ)償功能,以節(jié)省投資及占地。

3)電驅(qū)壓氣站通常分期建設(shè),壓縮機(jī)組投產(chǎn)前期均建有10 kV臨時外電,隨著國家電價執(zhí)行方式的進(jìn)一步完善,在全站停機(jī)時間可預(yù)知的情況下,電驅(qū)壓氣站可以申請110 kV電源暫停,采用10 kV電源供電的方式,以進(jìn)一步降低力調(diào)電費。同時,也可考慮利用容性無功功率補(bǔ)償站內(nèi)感性無功,以進(jìn)一步降低投資。

通過綜合分析,本文案例中甲站采用短時起機(jī)方案,乙站與丙站采用SVG無功發(fā)生裝置,均取得良好運行效果。