鐵合金廠短網(wǎng)節(jié)能潛力的分析

鄭晶晶，羅 凡

（1.甘肅電力科學(xué)研究院，蘭州 730050；2.甘肅省電力公司，蘭州 730050）

我國單位產(chǎn)出的能耗和資源消耗水平明顯高于國際先進(jìn)水平。工業(yè)硅生產(chǎn)是高能耗行業(yè)，平均每噸工業(yè)硅需要消耗13 000 kWh以上電能[1]，我國工業(yè)硅生產(chǎn)能源消耗高主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)上不合理、控制水平與管理水平不高。經(jīng)過多年的摸索探討，目前我國工業(yè)硅電弧爐的電效率平均在92%以上，各種提高電效率的技術(shù)或措施也比較成熟，如：改進(jìn)短網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電材質(zhì)、采用低壓補(bǔ)償技術(shù)、改善電參數(shù)等[2]。

1 企業(yè)概況

西北鐵合金廠是我國硅鐵冶煉技術(shù)和裝備的發(fā)源地和發(fā)祥地，擁有儲量2.4億t的石英石礦山。礦熱爐又稱電弧電爐或電阻電爐[3]，它主要用于還原冶煉礦石、碳質(zhì)還原劑及溶劑等原料。主要生產(chǎn)硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鎢鐵、硅錳合金等鐵合金，是冶金工業(yè)中重要工業(yè)原料及電石等化工原料。其工作特點(diǎn)是采用碳質(zhì)或鎂質(zhì)耐火材料作爐襯，使用自培電極。電極插入爐料進(jìn)行埋弧操作，利用電弧的能量使電流通過爐料[4]，因爐料的電阻而產(chǎn)生能量來熔煉金屬，陸續(xù)加料，間歇式出鐵渣，連續(xù)作業(yè)。

2 礦熱爐變壓器的生產(chǎn)特點(diǎn)

礦熱爐系統(tǒng)電抗的70%是由短網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的，而短網(wǎng)是一個大電流工作系統(tǒng)，變壓器輸出電壓較低，而輸出電流則很大[5]，因此短網(wǎng)的性能決定了礦熱爐的性能。正是由于這個原因，礦熱爐的功率因數(shù)很難達(dá)到0.85以上，絕大多數(shù)礦熱爐的功率因數(shù)都在0.7～0.8。較低的功率因數(shù)使變壓器的效率下降，消耗大量的無功，同時由于電極的人工控制以及堆料的工藝，導(dǎo)致三相間的電力不平衡加大，最高不平衡度可以達(dá)到20%[6]，導(dǎo)致冶煉效率的低下，電費(fèi)增高。因此，提高短網(wǎng)的功率因數(shù)，降低電網(wǎng)不平衡就成了降低能耗提高冶煉效率的有效手段。

3 礦熱爐短網(wǎng)壓降分析

3.1 12500 kVA、25 000 kVA礦熱爐短網(wǎng)現(xiàn)狀

3.1.1 12500 kVA礦熱爐

礦熱爐供電電壓為10 kV和35 kV 2種，采用方式為三相變壓器向電爐供電，如圖1所示。E1和E2電極離變壓器較近，經(jīng)現(xiàn)場測試得到電爐變與E1電極的壓降為7.8 V和12.5 V，電爐變與E2電極的壓降為11.17 V和9.8 V。E3電極離變壓器較遠(yuǎn)，經(jīng)現(xiàn)場測試，電爐變與E3電極的壓降為20.3 V和17.6 V。

圖1 三相變壓器供電方式

3.1.2 25 000 kVA礦熱爐

礦熱爐供電電壓為35 kV，采用3個單相變壓器向25 000 kVA電爐供電，如圖2所示。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)以下4個問題：其一單相變壓器低壓側(cè)短網(wǎng)電壓降增大，能耗大。由于低壓側(cè)電流高達(dá)50 kA，短網(wǎng)電壓降低，電爐電極電壓約比變壓器出線電壓低20 V；其二短網(wǎng)主要部件聯(lián)接處接觸電阻較大，有一部分已經(jīng)被氧化變黑；其三導(dǎo)線電流密度偏高，為5 A/mm2；其四短網(wǎng)的主要部件，如：銅管、軟電纜等部件聯(lián)接處過熱，溫度最高為80℃。

圖2 3個單相變壓器供電方式

3.2 降低短網(wǎng)壓降措施

針對以上分析可總結(jié)以下幾個短網(wǎng)壓降措施：12 500 kVA礦熱爐應(yīng)采用3個單相變壓器對稱向電爐供電；25 000 kVA礦熱爐應(yīng)加強(qiáng)短網(wǎng)維護(hù)，部件聯(lián)接處應(yīng)磨平鍍錫，達(dá)到降低接觸電阻的效果；定期對短網(wǎng)聯(lián)接處用紅外測溫儀進(jìn)行溫度檢測，并及時處理問題，以保證接觸電阻在合理范圍；設(shè)備改造時可增大導(dǎo)線截面積1倍，短網(wǎng)電阻由16.9 μΩ降至8.2 μΩ，增加了導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)電流密度；也可增大銅管的內(nèi)/外徑尺寸，由原來的30/50 mm增大為40/70 mm。

3.3 潛力計(jì)算

對于12 500 kVA礦熱爐，經(jīng)測試分析可知，礦熱爐6根短網(wǎng)平均壓降可下降4 V，原較遠(yuǎn)電極（E3）壓降降低更多，為10 V。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出：6臺12 500 kVA礦熱爐總計(jì)降損約2 000萬kWh，節(jié)約電費(fèi)約800萬元。3臺單相變壓器較單臺三相變壓器約投資高30%，18臺單相變壓器共需約1 260萬元，短網(wǎng)改造約600萬元，共計(jì)約1 860萬元。

對于25 000 kVA礦熱爐，經(jīng)計(jì)算分析可知，目前短網(wǎng)實(shí)際阻抗為400 μΩ，但銅短網(wǎng)的理論電阻僅為16.9 μΩ，僅占4%。短網(wǎng)壓降降低10 V后，2臺礦熱爐年降損電量1 750萬kWh，降低電費(fèi)支出約700萬元。需投入銅管及管線耗銅量約2.5 t，約178.4萬元，改造維護(hù)人工費(fèi)用約20萬元，共計(jì)約200萬元。

4 短網(wǎng)無功補(bǔ)償

因礦熱爐負(fù)載特性介于電阻性和電抗、感抗之間，短網(wǎng)的空間物理結(jié)構(gòu)和流過短網(wǎng)的大電流使礦熱爐的功率因數(shù)降低。較低的功率因數(shù)會造成生產(chǎn)企業(yè)電能耗高，生產(chǎn)效率低下，這對電網(wǎng)及生產(chǎn)企業(yè)都不利[7]。通常在高壓側(cè)進(jìn)行三相無功補(bǔ)償，只能提高同電壓等級和上一級電網(wǎng)的功率因數(shù)，而對電爐變及以下短網(wǎng)所消耗的無功功率起不到補(bǔ)償作用。應(yīng)將原來在礦熱爐變壓器高壓側(cè)進(jìn)行無功補(bǔ)償變?yōu)樵诘蛪簜?cè)短網(wǎng)部分進(jìn)行無功補(bǔ)償。經(jīng)驗(yàn)證明，在礦熱爐低壓側(cè)針對短網(wǎng)無功消耗和其布置長度不一致所導(dǎo)致的三相不平衡現(xiàn)象，采用安裝計(jì)算機(jī)智能型自動控制技術(shù)裝置，將無功補(bǔ)償電容器改為安裝在銅瓦附近，使無功補(bǔ)償盡可能靠近電極，這樣無論在提高功率因數(shù)、吸收諧波，還是在提高短網(wǎng)電壓、增產(chǎn)降耗上，都有著與高壓無功補(bǔ)償無法比擬的優(yōu)勢。通過平衡、提高三相電極向爐膛的輸入功率,從而達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低電耗的目的。此種無功補(bǔ)償裝置從現(xiàn)階段來看，技術(shù)上是可靠、成熟的，從經(jīng)濟(jì)上來講，節(jié)電率約5%～10%，其投入和產(chǎn)出是成正比的。

5 短網(wǎng)的節(jié)電措施

5.1 縮短短網(wǎng)長度

短網(wǎng)的電阻與其長度成正比。通常采取的措施為：電爐中心線和變壓器外墻的距離應(yīng)盡量縮短[6]，應(yīng)注意變壓器外墻上短網(wǎng)母線構(gòu)架的位置，移動電爐變壓器，使其盡可能靠近爐體；升高電爐變壓器的安裝位置，使各段短網(wǎng)處在同一水平面上；在保證電極升降和爐體轉(zhuǎn)動需要的前提下，盡量減少短網(wǎng)的長度，可節(jié)電約2%～5%。

5.2 減少短網(wǎng)周圍的鐵磁物質(zhì)

當(dāng)短網(wǎng)通過強(qiáng)大的交流電時，在短網(wǎng)周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的交變磁場。盡量避開爐體鐵質(zhì)煙囪等金屬構(gòu)筑物，避免在這些鐵磁物質(zhì)中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗，引起短網(wǎng)附加損耗的增大[7]。同時所有固定和聯(lián)接用的螺釘必須采用非磁性材料，盡量避免用鐵磁材料包圍短網(wǎng)的導(dǎo)體。

5.3 選取適當(dāng)?shù)碾姞t導(dǎo)電材料

選用紫銅材料較為合適，一般不采用鋁質(zhì)材料。合理選擇導(dǎo)體截面，使得短網(wǎng)損耗小[8]。對于短網(wǎng)的電流密度一般要求如下：銅排母線1.35～1.65 A/mm2；鋁排 0.6～0.9 A/mm2；水冷銅管 3～5 A/mm2；裸銅絞線0.9～1.2 A/mm2；軟銅帶1～1.3 A/mm2。

5.4 減少接觸電阻

短網(wǎng)的聯(lián)接處較多，接觸電阻增大，不僅增大了短網(wǎng)的功率損耗，同時還會使聯(lián)接處嚴(yán)重發(fā)熱甚至燒紅，要用非磁性螺絲壓接，以防產(chǎn)生渦流及磁滯，引起連件發(fā)熱傳熱，加速接觸面的氧化，進(jìn)而使接觸電阻進(jìn)一步增大，形成惡性循環(huán)。為降低接觸電阻，從電爐變壓器出線端與電極相聯(lián)接的導(dǎo)體中所有聯(lián)接處的表面磨平鍍錫，采用雙面夾接[4]。對不經(jīng)常拆卸的聯(lián)接部位采用焊接或增大接觸面積的辦法，精細(xì)加工接觸表面，涂優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)電膏并保持足夠的接觸壓力，防止運(yùn)行中空氣、水分進(jìn)入而造成接觸表面氧化，引起接觸電阻增大。在運(yùn)行時，定期對接觸處用紅外線測溫儀進(jìn)行溫度檢測，發(fā)現(xiàn)溫度超標(biāo)，應(yīng)及時采取冷卻措施或進(jìn)行停電檢修處理。處理后應(yīng)再次測量接觸電阻并使其保證在合格值的范圍內(nèi)。

5.5 盡量采用水冷短網(wǎng)

電爐工作時，隨著溫度的升高，電阻增加，短網(wǎng)損耗增大，同時溫度升高后對聯(lián)接處的接觸狀況也產(chǎn)生有害的影響[9]。有關(guān)資料表明，在10 kA運(yùn)行下的短網(wǎng)，溫度升高1℃，每米導(dǎo)電母線約增加3～6 W的功率損耗。因此，降低短網(wǎng)的工作溫度，對降低電能損耗的效果不可忽視。

5.6 短網(wǎng)的無功補(bǔ)償

對電網(wǎng)進(jìn)線高壓側(cè)進(jìn)行無功補(bǔ)償，可以大幅度提高功率因數(shù)，可減少礦熱爐消耗電網(wǎng)太多的無功，進(jìn)而避免被供電企業(yè)扣罰，但沒有改變短網(wǎng)的電抗，仍會增加配電端有功功率損耗。將無功補(bǔ)償電容器改為安裝在銅瓦附近，使無功補(bǔ)償盡可能靠近電極，這樣無論在提高功率因數(shù)、吸收諧波，還是在提高短網(wǎng)電壓、增產(chǎn)降耗上，都有著與高壓無功補(bǔ)償無法比擬的優(yōu)勢，為企業(yè)節(jié)電約1%～2%，增產(chǎn)5%以上。

6 結(jié)束語

綜上所述，無論是設(shè)計(jì)者或使用者，都應(yīng)對短網(wǎng)給予足夠的重視，充分注意短網(wǎng)的電參數(shù)及合理的短網(wǎng)結(jié)構(gòu)2個方面，既要注意設(shè)計(jì)和選擇短網(wǎng)的合理電參數(shù)，以提高設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，保證技術(shù)先進(jìn)性，又要充分注意短網(wǎng)導(dǎo)體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，研制和選用新型可靠的短網(wǎng)組件，采用合理的短網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以保證設(shè)備的可靠運(yùn)行。

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