工业硅矿热电炉无功补偿的方法

郑国华

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051)

工业硅矿热电炉无功补偿的方法

郑国华

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051)

介绍了工业硅电炉各种可能的无功补偿接入方式，从原理上分析了各类补偿的优缺点，为补偿方案的进一步优化提出了意见。

工业硅电炉;横向补偿;纵向补偿;低压侧补偿

0 引言

根据国标《GB21341－2008铁合金单位产品能源消耗限额》中规定，对于新建75硅铁项目的单位产品冶炼电耗限额定值≤8 500 kWh/t，建议先进值≤8 300 kWh/t，现已建成的项目值≤8 800 kWh/t。由此规定可见，高能耗的硅铁项目准入门槛已经提高，硅铁项目的节能降耗设计水准及企业内部挖潜改造已势在必行。

1 工业硅电炉生产能力计算

按电炉变压器额定容量计算75硅铁的产量。其计算公式为:

式中:SN——变压器额定容量;

Q——硅铁产量，t/h;

A——产品单位电耗，kWh/t;

cosΦ1——电炉功率因数，取 12.5 MVA 为0.85，26 MVA为0.77;

k1——因电压波动而引起的功率变化系数，取0.97;

k2——功率利用系数，取 0.85。

龙陵永昌硅业项目中12.5 MVA电炉平均产量为1.113 t/h，最大产量 1.207 t/h，平均产量26.703 t/d，最大产量28.977 t/d。26 MVA电炉平均产量2.096 3 t/h，最大产量2.275 t/h，平均产量50.314 t/d，最大产量54.600 t/d。一期工程建设2台12.5 MVA电炉及2台26 MVA电炉，可产硅铁50 830.861 t。二期工程建设3台26 MVA电炉，可产硅铁49 810.761 t，一、二期工程建设可产硅铁100 641.623 t。

综上所述，如项目有能力在电炉低压侧投入无功补偿装置，使功率因数升至0.93，则产能将提高10% ～20%左右。

2 工业硅电炉补偿电容器组容量计算

工业硅电炉无功补偿装置接入的电容器组，单台变压器补偿电容器组容量一般按下式计算(以26 MVA单台电炉变为例):

式中:QC——补偿到 cosΦ2=0.92的电容器容量[kVar];

SN——电炉变压器额定容量[kVA];

QL——电炉无功功率[kVar];

P——电炉平均有功功率[kVar];

tgΦ1——补偿前功率因数角正切值;

tgΦ2——补偿后功率因数角正切值。

3 矿热炉工作方式及无功功率分析

工业硅用铁合金矿热炉是1种耗电量很大的电炉，属于电阻电弧炉，其电弧很小，以炉料电阻发热方式工作。由于炉料电阻、原料成分和电源电压等经常会有变化，故电炉变压器有较多的调压级数(一般多达19～35级)。前半部分各级供电控制方式为恒定功率方式，后半部分各级供电控制方式为恒定电流方式。

由于电炉变压器二次侧为低电压、大电流短网系统(一般电压范围为90～240 V)，其二次电流随电炉功率的加大而加大(龙陵工程的最大电炉为26 MVA，其二次电流最大可达80 kA左右)。二次短网系统的电抗值也随电流的加大而加大，故电炉的自然功率因数也随之而降低。另外，短网的结构形式、电极的升降和分布及炉料的投放也会影响电炉的自然功率因数。

由工业硅矿热炉的无功功率产生状况可见，在电炉低压侧补偿无功功率是最有效的办法;但因二次工作电压低且变化范围大、无功电流较大，又给无功补偿装置的接入设置带来极大的不便。故寻求解决此矛盾的方法才是设置电炉无功补偿的关键。

4 矿热炉无功补偿常用方案介绍

现以龙陵2期26 MVA电炉为试例，对各种可能的补偿方式及特点作介绍。

龙陵2期26 MVA电炉分别由3台单相变压器对称供电，以使短网电抗3相均衡并降至最低，每台变压器容量为8 500 kVA、一次供电电压为110 kV，其可能的无功补偿可有下列几种方式。

4.1 高压侧电容补偿

一次侧高压横向电容补偿(见图1)。目前，在电炉为小容量、电网供电电压在35 kV及以下条件下常采用该方案。由图1可见，其电容器组是并联在电炉变压器高压侧，既不影响炉子的特性和参数，也不影响炉子作业。仅在网侧补偿无功功率，可使网侧功率因数满足电网规定，能减少一次侧电流值。这是1种最简单、一次投资最省的方法。但其存在的缺点是高压开关不能频繁投切，补偿容量不能实时跟踪负荷变化、电网电压不易平稳。电炉短网及炉内熔池的无功损耗得不到补偿，炉子产能得不到提高。

图1 一次侧电容补偿简示图Fig.1 Sketch of Primary Side High－ Voltage Capacitor Compensation

4.2 中压侧电容补偿

(1)三次侧中压横向电容补偿(见图2)。在电炉为大容量、电网供电电压在110 kV条件下常采用该方案。这是目前较成熟的一种方案，其特点是在串联变压器绕组中并联接入电容器组。

由图2可见，其电容器组是并联在电炉变压器第三绕组(串联绕组)中压侧，电容器组可按10 kV等级配置。该方案基本功效同图1方案，只是变压器调压绕组电流会受电容器电流影响，其为原负载电流与补偿电流的矢量和，这在变压器设计订货时须考虑。

图2 三次侧电容补偿方案图Fig.2 Scheme of Cubic Side Medium－Voltage Transverse Capacitor Compensation

(2)三次侧中压纵向电容补偿(见图3)。这是1种电容器串联补偿方式，特点是在串联变压器绕组中串入电容器组。其为无源电路元件，能随负荷电流变化迅速、适时的补偿电网侧吸入的无功功率，减少电压波动，相对提高变压器二次侧电压水平、增大熔池有功功率。这种方案比前一种方案有电气损耗小、投资低，避免开关投切不及时而产生的电网过电压等不利后果的优点。

其补偿后等效电抗为:

式中:XE——补偿后等效电抗;

X——补偿前电抗;

XC——串联补偿电容器组等效容抗。

图3 三次侧中压纵向电容补偿方案图Fig.3 Scheme of Cubic Side Medium－Voltage longitudinal Capacitor Compensation

该补偿方案变压器绕组电流合成大致同图2方案，只是补偿电流还会流过串联变压器的基本绕组。目前国内应用例子较少，其需与电炉变压器、电容器厂商联合设计、制造。

4.3 低压侧电容补偿

(1)二次侧低压横向电容补偿(见图4)。是1种低压直接补偿方式，电容电流只会减少炉子变压器输入和输出电流而不会影响变压器绕组原设计值。由于电炉低压二次电压较低，而且变化较大，在补偿容量较大的条件下要采用大量的非标电容器，一次投资较大。随着电炉二次工作电压的下降，容性补偿无功功率将按电压的平方倍降低，电容器利用率极低。另外，这种补偿方式因外接引线长、大电流感抗产生的损耗会大大增加，故这一方案最好不用。

图4 二次侧低压横向电容补偿方案图Fig.4 Scheme of Secondary Side Low－Voltage Transverse Capacitor Compensation

(2)二次侧低压纵向电容补偿(见图5)

图5 二次侧低压纵向电容补偿方案图Fig.5 Scheme of Secondary Side Low－Voltage longitudinal Capacitor Compensation

这种补偿方式是在电炉变压器二次侧串入升压补偿变压器，升压补偿变压器的二次绕组再接入并联电容器组，在不影响炉子电流特性的基础上减少了短网和炉内阻抗而直接补偿了短网和炉内无功损耗。

其补偿后等效电抗为:

式中:XE——补偿后等效电抗;

X——补偿前电抗;

XS——补补偿变压器等效电抗;

XC——串联补偿电容器组等效容抗。其补偿原理同图3，即电容器组发出的无功功率跟随电炉短网(电极)电流的变化而变化，实时自动补偿了电炉的无功损耗，使电炉二次电压及时得到平衡，炉子产能直接得以提高。它与图4低压并联补偿方案相比，电炉熔池有功功率大大提高、线路损耗更小。

升压补偿变压器一般配有载调压开关，以保障电炉变压器输出电压调整时电容器组端电压维持不变，这样电容器组就可配选标准电压的电容器了。

该补偿方案理论上是最理想、最有效的，但目前国内设计应用例子笔者还未见，需与电炉变压器、电容器厂商联合设计、制造，其推广可能有一定的困难，还有待于今后的实施验证。

5 结语

综上所述，笔者认为在电炉低压侧接入电容补偿装置是最行之有效的方法，也是今后应深入研究的方向。另外大功率、高能耗的工业硅电炉最好在项目筹建初期就应汇聚相关方面专家和制造商开始研讨、论证并确定电炉、变压器及无功补偿装置的设计和制造方案，以使后续的实施过程及结果更为合理。

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

ZHENG Guo－hua
(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.

郑国华(1963－)，男，山东人，高级工程师.主要研究方向:电气自动化设计.