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工業(yè)硅礦熱電爐無功補償?shù)姆椒?/h1>
2011-01-19 00:48鄭國華
有色金屬設(shè)計 2011年4期
關(guān)鍵詞:電爐電容器電容

鄭國華

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司,云南昆明650051)

工業(yè)硅礦熱電爐無功補償?shù)姆椒?/p>

鄭國華

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司,云南昆明650051)

介紹了工業(yè)硅電爐各種可能的無功補償接入方式,從原理上分析了各類補償?shù)膬?yōu)缺點,為補償方案的進一步優(yōu)化提出了意見。

工業(yè)硅電爐;橫向補償;縱向補償;低壓側(cè)補償

0 引言

根據(jù)國標《GB21341-2008鐵合金單位產(chǎn)品能源消耗限額》中規(guī)定,對于新建75硅鐵項目的單位產(chǎn)品冶煉電耗限額定值≤8 500 kWh/t,建議先進值≤8 300 kWh/t,現(xiàn)已建成的項目值≤8 800 kWh/t。由此規(guī)定可見,高能耗的硅鐵項目準入門檻已經(jīng)提高,硅鐵項目的節(jié)能降耗設(shè)計水準及企業(yè)內(nèi)部挖潛改造已勢在必行。

1 工業(yè)硅電爐生產(chǎn)能力計算

按電爐變壓器額定容量計算75硅鐵的產(chǎn)量。其計算公式為:

式中:SN——變壓器額定容量;

Q——硅鐵產(chǎn)量,t/h;

A——產(chǎn)品單位電耗,kWh/t;

cosΦ1——電爐功率因數(shù),取 12.5 MVA 為0.85,26 MVA為0.77;

k1——因電壓波動而引起的功率變化系數(shù),取0.97;

k2——功率利用系數(shù),取 0.85。

龍陵永昌硅業(yè)項目中12.5 MVA電爐平均產(chǎn)量為1.113 t/h,最大產(chǎn)量 1.207 t/h,平均產(chǎn)量26.703 t/d,最大產(chǎn)量28.977 t/d。26 MVA電爐平均產(chǎn)量2.096 3 t/h,最大產(chǎn)量2.275 t/h,平均產(chǎn)量50.314 t/d,最大產(chǎn)量54.600 t/d。一期工程建設(shè)2臺12.5 MVA電爐及2臺26 MVA電爐,可產(chǎn)硅鐵50 830.861 t。二期工程建設(shè)3臺26 MVA電爐,可產(chǎn)硅鐵49 810.761 t,一、二期工程建設(shè)可產(chǎn)硅鐵100 641.623 t。

綜上所述,如項目有能力在電爐低壓側(cè)投入無功補償裝置,使功率因數(shù)升至0.93,則產(chǎn)能將提高10% ~20%左右。

2 工業(yè)硅電爐補償電容器組容量計算

工業(yè)硅電爐無功補償裝置接入的電容器組,單臺變壓器補償電容器組容量一般按下式計算(以26 MVA單臺電爐變?yōu)槔?:

式中:QC——補償?shù)?cosΦ2=0.92的電容器容量[kVar];

SN——電爐變壓器額定容量[kVA];

QL——電爐無功功率[kVar];

P——電爐平均有功功率[kVar];

tgΦ1——補償前功率因數(shù)角正切值;

tgΦ2——補償后功率因數(shù)角正切值。

3 礦熱爐工作方式及無功功率分析

工業(yè)硅用鐵合金礦熱爐是1種耗電量很大的電爐,屬于電阻電弧爐,其電弧很小,以爐料電阻發(fā)熱方式工作。由于爐料電阻、原料成分和電源電壓等經(jīng)常會有變化,故電爐變壓器有較多的調(diào)壓級數(shù)(一般多達19~35級)。前半部分各級供電控制方式為恒定功率方式,后半部分各級供電控制方式為恒定電流方式。

由于電爐變壓器二次側(cè)為低電壓、大電流短網(wǎng)系統(tǒng)(一般電壓范圍為90~240 V),其二次電流隨電爐功率的加大而加大(龍陵工程的最大電爐為26 MVA,其二次電流最大可達80 kA左右)。二次短網(wǎng)系統(tǒng)的電抗值也隨電流的加大而加大,故電爐的自然功率因數(shù)也隨之而降低。另外,短網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式、電極的升降和分布及爐料的投放也會影響電爐的自然功率因數(shù)。

由工業(yè)硅礦熱爐的無功功率產(chǎn)生狀況可見,在電爐低壓側(cè)補償無功功率是最有效的辦法;但因二次工作電壓低且變化范圍大、無功電流較大,又給無功補償裝置的接入設(shè)置帶來極大的不便。故尋求解決此矛盾的方法才是設(shè)置電爐無功補償?shù)年P(guān)鍵。

4 礦熱爐無功補償常用方案介紹

現(xiàn)以龍陵2期26 MVA電爐為試例,對各種可能的補償方式及特點作介紹。

龍陵2期26 MVA電爐分別由3臺單相變壓器對稱供電,以使短網(wǎng)電抗3相均衡并降至最低,每臺變壓器容量為8 500 kVA、一次供電電壓為110 kV,其可能的無功補償可有下列幾種方式。

4.1 高壓側(cè)電容補償

一次側(cè)高壓橫向電容補償(見圖1)。目前,在電爐為小容量、電網(wǎng)供電電壓在35 kV及以下條件下常采用該方案。由圖1可見,其電容器組是并聯(lián)在電爐變壓器高壓側(cè),既不影響爐子的特性和參數(shù),也不影響爐子作業(yè)。僅在網(wǎng)側(cè)補償無功功率,可使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)滿足電網(wǎng)規(guī)定,能減少一次側(cè)電流值。這是1種最簡單、一次投資最省的方法。但其存在的缺點是高壓開關(guān)不能頻繁投切,補償容量不能實時跟蹤負荷變化、電網(wǎng)電壓不易平穩(wěn)。電爐短網(wǎng)及爐內(nèi)熔池的無功損耗得不到補償,爐子產(chǎn)能得不到提高。

圖1 一次側(cè)電容補償簡示圖Fig.1 Sketch of Primary Side High- Voltage Capacitor Compensation

4.2 中壓側(cè)電容補償

(1)三次側(cè)中壓橫向電容補償(見圖2)。在電爐為大容量、電網(wǎng)供電電壓在110 kV條件下常采用該方案。這是目前較成熟的一種方案,其特點是在串聯(lián)變壓器繞組中并聯(lián)接入電容器組。

由圖2可見,其電容器組是并聯(lián)在電爐變壓器第三繞組(串聯(lián)繞組)中壓側(cè),電容器組可按10 kV等級配置。該方案基本功效同圖1方案,只是變壓器調(diào)壓繞組電流會受電容器電流影響,其為原負載電流與補償電流的矢量和,這在變壓器設(shè)計訂貨時須考慮。

圖2 三次側(cè)電容補償方案圖Fig.2 Scheme of Cubic Side Medium-Voltage Transverse Capacitor Compensation

(2)三次側(cè)中壓縱向電容補償(見圖3)。這是1種電容器串聯(lián)補償方式,特點是在串聯(lián)變壓器繞組中串入電容器組。其為無源電路元件,能隨負荷電流變化迅速、適時的補償電網(wǎng)側(cè)吸入的無功功率,減少電壓波動,相對提高變壓器二次側(cè)電壓水平、增大熔池有功功率。這種方案比前一種方案有電氣損耗小、投資低,避免開關(guān)投切不及時而產(chǎn)生的電網(wǎng)過電壓等不利后果的優(yōu)點。

其補償后等效電抗為:

式中:XE——補償后等效電抗;

X——補償前電抗;

XC——串聯(lián)補償電容器組等效容抗。

圖3 三次側(cè)中壓縱向電容補償方案圖Fig.3 Scheme of Cubic Side Medium-Voltage longitudinal Capacitor Compensation

該補償方案變壓器繞組電流合成大致同圖2方案,只是補償電流還會流過串聯(lián)變壓器的基本繞組。目前國內(nèi)應(yīng)用例子較少,其需與電爐變壓器、電容器廠商聯(lián)合設(shè)計、制造。

4.3 低壓側(cè)電容補償

(1)二次側(cè)低壓橫向電容補償(見圖4)。是1種低壓直接補償方式,電容電流只會減少爐子變壓器輸入和輸出電流而不會影響變壓器繞組原設(shè)計值。由于電爐低壓二次電壓較低,而且變化較大,在補償容量較大的條件下要采用大量的非標電容器,一次投資較大。隨著電爐二次工作電壓的下降,容性補償無功功率將按電壓的平方倍降低,電容器利用率極低。另外,這種補償方式因外接引線長、大電流感抗產(chǎn)生的損耗會大大增加,故這一方案最好不用。

圖4 二次側(cè)低壓橫向電容補償方案圖Fig.4 Scheme of Secondary Side Low-Voltage Transverse Capacitor Compensation

(2)二次側(cè)低壓縱向電容補償(見圖5)

圖5 二次側(cè)低壓縱向電容補償方案圖Fig.5 Scheme of Secondary Side Low-Voltage longitudinal Capacitor Compensation

這種補償方式是在電爐變壓器二次側(cè)串入升壓補償變壓器,升壓補償變壓器的二次繞組再接入并聯(lián)電容器組,在不影響爐子電流特性的基礎(chǔ)上減少了短網(wǎng)和爐內(nèi)阻抗而直接補償了短網(wǎng)和爐內(nèi)無功損耗。

其補償后等效電抗為:

式中:XE——補償后等效電抗;

X——補償前電抗;

XS——補補償變壓器等效電抗;

XC——串聯(lián)補償電容器組等效容抗。其補償原理同圖3,即電容器組發(fā)出的無功功率跟隨電爐短網(wǎng)(電極)電流的變化而變化,實時自動補償了電爐的無功損耗,使電爐二次電壓及時得到平衡,爐子產(chǎn)能直接得以提高。它與圖4低壓并聯(lián)補償方案相比,電爐熔池有功功率大大提高、線路損耗更小。

升壓補償變壓器一般配有載調(diào)壓開關(guān),以保障電爐變壓器輸出電壓調(diào)整時電容器組端電壓維持不變,這樣電容器組就可配選標準電壓的電容器了。

該補償方案理論上是最理想、最有效的,但目前國內(nèi)設(shè)計應(yīng)用例子筆者還未見,需與電爐變壓器、電容器廠商聯(lián)合設(shè)計、制造,其推廣可能有一定的困難,還有待于今后的實施驗證。

5 結(jié)語

綜上所述,筆者認為在電爐低壓側(cè)接入電容補償裝置是最行之有效的方法,也是今后應(yīng)深入研究的方向。另外大功率、高能耗的工業(yè)硅電爐最好在項目籌建初期就應(yīng)匯聚相關(guān)方面專家和制造商開始研討、論證并確定電爐、變壓器及無功補償裝置的設(shè)計和制造方案,以使后續(xù)的實施過程及結(jié)果更為合理。

Ways for Reactive Power Compensation to Submerged Arc Furnace for Industrial Silicon

ZHENG Guo-h(huán)ua
(Kunming Engineering & Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd,Kunming 650051,China)

Through introducing all kinds of possible access ways for reactive power compensation in industrial silicon submerged arc furnace,the advantages and disadvantages of these compensation were analyzed based on its principle,and constructive suggestions on further design optimization for the compensation schemes were put forward.

Industrial silicon submerged arc furnace;transverse compensation;longitudinal compensation;lowvoltage side compensation

TM924.71

A

1004-2660(2011)04-0032-03

2011-07-10.

鄭國華(1963-),男,山東人,高級工程師.主要研究方向:電氣自動化設(shè)計.

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