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矿热炉是一种高能耗设备，它的电能消耗支出费用占生产成本很大的比重。在企业面临能源需求持续高涨、国内电价不断提升的严峻形势下，对矿热炉实行无功补偿，提高用电功率因数，最大可能的提高产量、降低单位耗电量，最大限度挖掘设备的潜力，对利用矿热炉来进行生产的企业来讲，具有相当重要的现实意义和经济效益1。 矿热炉电气系统主要由电炉变压器、短网、电极和熔池四部分组成。交流电流分别由三根电极导入炉内，电流经电极与电极间的炉料在电极下方产生电弧和炉料电阻的焦尔热、及在电弧高温作用下，炉料产生化学反应生成各种化合物，比如硅铁、电石、金属硅等。电炉变压器、短网部分是感性负载，需耗掉大量的无功功率，而无功损耗又减少有功，不仅影响产品的质量与产量，并且使电炉变压器的使用效率降低，产品能耗升高。如果在电极和短网之间通过并联电容器组对无功进行补偿，就可以提高功率因数，减小线损，提高电极对地电压，从而达到节能减耗的目的。 根据电工理论： 式中：λ为功率因数;R为矿热炉电阻，Ω;X为矿热炉电抗，Ω。电阻包括四个部分：变压器电阻、短网电阻、炉料电阻和熔池电阻。电抗包括三方面：变压器电抗、设备电抗和炉内电抗。要提高cosλ，一要提高电阻R，但如果提高变压器电阻、短网电阻，只能使导体发热，损失的功率增加，使电效率降低，因此，这两部分要尽量降低，所以要提高只能从工艺上采取措施来提高熔池电阻和矿热炉炉料电阻;二是要降低炉子电抗，占主导地位的矿热炉变压器二次侧电流回路中，设备的电抗值占总电抗值的60%～70%，因此矿热炉变压器的电抗应尽可能低。在矿热炉工艺参数和设备参数已定的情况下，要有效提高系统的功率因数，最有效的办法就是增加电力电容器进行无功补偿。对矿热炉来说，无功补偿有三种方式，即高压补偿、中压补偿和低压补偿。 高压补偿是在矿热炉变压器一次侧接入并联10kV电容器组进行功率因数补偿，它能降低供电线路电能损失，减少线路压降，满足供电部门对功率因数要求225。 高压补偿的优点是补偿电压高、电流小、电容器利用率高，一般情况下为固定容量补偿，运行稳定;缺点是不能减少补偿接入点后端的矿热炉变压器绕组和短网部分无功功率，对企业的增产、节能并无实际意义。 中压补偿的优点与高压补偿相似，但由于补偿接入端是矿热炉变压器中压补偿端子，主要的无功补偿容量来自变压器，而并非从电网获得。因此，在大中型矿热炉变压器中，中压补偿具有不可忽视的经济效益。 低压补偿是在矿热炉变压器低压侧短网最靠近电极的地方接入电容器组进行分相无功补偿。由于补偿点位于无功损耗和电压损失最大的电流回路上，所以不但能提高整个供电系统的功率因数，还对提升电极电压、减少电能损失、增加产量、平衡三相功率有着十分明显的作用226。 低压无功补偿不是一项简单的电工技术，需要针对不同的矿热炉系统了解矿热炉工艺参数、短网结构和电压降，选择合适的接入点，充分认识补偿设备运行环境，科学计算补偿容量，合理确定控制方式，选择合适配比的电抗器，抑制谐波对电容器造成发热的致命影响，否则低压补偿设备将不能正常运行。 现以某电石厂的一台矿热炉为例，说明通过低压无功补偿方式来提高矿热炉的功率。这台矿热炉其电炉变压器容量为5000kVA，一次侧电压为10kV，二次侧电压为100V，功率因数为0.90～0.91，炉子运行情况比较稳定。为了进一步降低能耗，在低压侧采取电容器补偿的办法来提高电极对地电压，将功率因数提高到0.94～0.95。 补偿位置 在电极之前的短网、变压器感性负载需要消耗大量的无功，测试资料表明，短网部分消耗的无功占总量的70%左右。在一次电压一定的情况下，电极对地电压的大小与感性负载消耗的无功多少有直接关系，如果在变压器二次侧进行补偿，那么补偿的无功只有一小部分补给了变压器，而大部分则通过变压器补给了10kV高压线路，短网消耗的无功并没有得到有效补偿，对用电企业来说是没有效益的。因此，将补偿点选在电极与短网之间。 补偿容量 一般情况下，补偿后的功率因数不要超过0.95，否则就会存在过补偿现象，影响系统的稳定性。根据理论计算及借鉴成功的经验，选定整个补偿容量798kvar(三相)，换算成电容器只数，共228只容量为3.5kvar的电容器，因为3个电极在物理上的分布并非完全对称，短网的长短也不同，因此实际布置为两相每相80只电容器，一相68只电容器。确定电容器长期运行电压时，应使电容器的额定电压和接入点的实际运行电压接近或相等，充分发挥电容器的无功输出，同时需要考虑电容器投入运行后可能会导致电压升高。实际运行中，由于一次侧的电压有时高于10kV，使二次侧电压可能会达到106V左右。因此，以运行中可能出现的最高电压的1.1倍作为电容器的额定工作电压，可以保证电容器在可能出现的最高电压下长期运行。因此，确定低压电容器额定电压为120V，额定电流为30A。 配套硬件 低压并联电容器补偿系统主要由电容器柜、控制柜和控制台等组成，信号检测、手动投切电容器的功能由一台OMRONSYSMACC60PLC完成，集成在控制台内。每2只电容器柜、1只控制柜组成一组，分成3个单相，对称分布在3根电极的上方。柜子下方是一个整体的风道，通过每只电容柜上配置的风机将热量散发到空气中。 控制方式 结合矿热炉的工作流程和考虑到对电容器的保护，在电容器投入操作之前，一定要检测电容器两端的电压、温度、风机电源、断路器及各电极电流等状态，在确保电容器两端残压小于工作电压的10%、各电极电流都处于稳定工作、电容器的温度、风机电源及断路器的工作电源正常后。按顺序分相延时投入电容器组，同时投入风冷设备;反之，在上述任一条件不能满足的情况下，不能执行投入操作。当电容器组投入运行后，如发生风机电源故障、电容器温度超出范围、断路器工作故障或电极工作状态不稳定时，经适当延时后，应把三相电容器组和风机同时切除，并投入放电电阻。 理论和实践表明，要提高矿热炉的生产效率，达到节能降耗的目的，应该针对不同的情况采取不同的无功补偿方式，本文阐述的低压无功补偿的补偿效果最好，但要受矿热炉各种复杂因素的影响，实施的技术风险较大，投资大但收益最高。因此要想提高收益，必须控制好各个环节的正常运行。 |
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