大型工业电炉功率计算分析及软件设计

王亚辉，曲长立，侯　冉，袁振霞

(1.机械工业第六设计研究院有限公司，河南 郑州 450007；2.郑州新大方重工科技有限公司，河南 郑州 450064;3.中原工学院，河南 郑州 451191)



大型工业电炉功率计算分析及软件设计

王亚辉1，曲长立2，侯冉1，袁振霞3

(1.机械工业第六设计研究院有限公司，河南 郑州 450007；2.郑州新大方重工科技有限公司，河南 郑州 450064;3.中原工学院，河南 郑州 451191)

针对大型电炉使用中经常遇到的加热元件损耗和三相不平衡问题，对三相负载的不同连接方式进行分析，得出了电流、电压、功率等重要参数的计算公式.用VB计算程序完成设计中繁琐的计算过程，为使用者了解窑炉设备运行状态和决策是否更换加热元件提供依据.

工业电炉; 功率计算; 软件设计

工业电炉具有生产环境清洁、节能环保、灵活性强的优点，可满足真空、正压、特殊气氛的生产要求.如氮化硅结合碳化硅陶瓷的真空氮化炉，需要提供1 400～1 450 ℃高温氮化环境，反应过程中还需要调节压力以控制氮化反应速率.其加热元件通常为硅钼棒或硅碳棒，大型氮化炉需用几十个甚至上百支串并联组成.硅碳棒高温遇水蒸气氧化强烈，与氢变脆，老化速度快，一般电阻增加一倍后就不能使用了.硅钼棒在氮气、氢气、一氧化碳、二氧化碳等非氧化气氛中使用时，氧化保护层会剥落、起泡，随着周期烧成发热段变得粗细不均，表面凹凸不平，电阻率也会发生变化，最终因局部过热而烧断[1-2].加热元件的耗损是生产中最常见的问题.加热元件被布置在炉膛内部，难以观察，是影响生产效率的重要因素.

1　工业电炉的加热功率分析

为了避免对电网造成不平衡影响，减小线径，一般在安装功率大于25 kW时采用三相加热[4].其连接方式有星形连接和三角形连接两种.其中，星形连接分三相三线制和三相四线制.负载按性质分阻性负载、感性负载和容性负载3种.氮化炉加热元件采用的硅钼棒或硅碳棒，可视为全阻性负载，本研究即以此进行分析计算.

1.1星形连接三相四线制

(1)

图1　星形四线制连接示意

图2　星形三线制连接示意

当三相电阻RA、RB、RC同性质且阻值相等时，中性线电流INN=0.当RA、RB、RC不相等即三相不平衡时，INN≠0，此时中性线有电流，电流大小等于三相电流矢量叠加之和.

1.2星形连接三相三线制

(2)

当三相电阻RA、RB、RC同性质且阻值相等即三相平衡时，负载中性点UN′=0，三相负载电压相等，如三相交流异步电动机使用星形连接启动时无需中性线.当RA、RB、RC不相等时，三相不平衡，UN′≠UN=0，负载中性点与电源中性点不再重合，即零点偏移，三相负载电压不再相等.根据矢量的合成原理，偏移量UNN′如图3所示.

图3　星形三线制电压向量圆

由于各相负载电压不相等，各相功率需单独计算.在求出负载中性点电压之后，可根据式(3)计算出各相负载的实际电压.其矢量的计算如图3所示.总功率即为各相功率之和.

(3)

1.3三角形连接

三角形连接方式如图4所示.每组负载RAB、RBC、RCA承受的电压为线电压Ul.其电压的向量表示如图5所示.各组负载电流的计算式为：

(4)

因为该连接方式既无中性线，也与中性点无关，所以可以直接把线电压作为代数量进行计算，总功率等于三相功率之和，即：

(5)

当三组负载相同时，总功率等于单组负载的3倍.

图4　三角形连接示意

图5　三角形连接电压向量圆

2　软件设计

2.1星形三相四线制连接计算程序设计

采用三相四线制连接时，中性线被强制置零，三相负载不平衡必然造成中性线有电流，中性线电流是使用者重视的因素.计算时将矢量转化成直角坐标再行求解.三相电流及中性线的电流求解部分程序如下：

Iax = Ua*Cos(0)/ Ra

Iay = Ua*Sin(0)/ Ra

……

Ia=(Iax^2+Iay^2)^0.5

Ib=(Ibx^2+Iby^2)^0.5

Ic=(Icx^2+Icy^2)^0.5

Io=((Iax+Ibx+Icx)^2 + (Iay + Iby + Icy) ^ 2) ^ 0.5

2.2星形三相三线制连接的功率计算程序设计

对于三相三线制接法，计算各组负载电压的前提是求出中性点电压，然后求出功率.计算时将其转化成直角坐标再行求解.该中性点求解运算的部分程序如下：

Nx = (PV * Rb * Rc - PV * Cos(-2 * PI / 3) * Ra * Rc - PV * Cos(2 * PI / 3) * Ra * Rb) / (Rb * Rc + Ra * Rc + Ra * Rb)

Ny = (PV * Sin(-2 * PI / 3) * Ra * Rc + PV * Sin(2 * PI / 3) * Ra * Rb) / (Rb * Rc + Ra * Rc + Ra * Rb)

N = (Nx ^ 2 + Ny ^ 2) ^ 0.5

各组负载电压的计算程序如下：

Ua = ((PV - Nx) ^ 2 + (0 - Ny) ^ 2) ^ 0.5

Ub = ((PV * Cos(2 * PI / 3) - Nx) ^ 2 + (PV * Sin(2 * PI / 3) - Ny) ^ 2) ^ 0.5

Uc = ((PV * Cos(-2 * PI / 3) - Nx) ^ 2 + (PV * Sin(-2 * PI / 3) - Ny) ^ 2) ^ 0.5

除了以上方法，也可以采用向量合成方法进行各项电压的计算，最终计算出各相的功率及总功率.所设计出的应用软件操作界面如图6所示.

图6　不同连接方式的功率分析计算软件界面

3　应用举例与总结

这里以某大型氮化硅央企的大腔体真空氮化炉设计为例，对比三相不平衡时的影响.该氮化炉的一个温区采用48支硅钼棒，每支棒在最高温度时电阻约为0.158 4 Ω，单相2串8并共16支硅钼棒，单相电阻约为0.039 6 Ω.当发生一相断一组(2串7并)、另一相断两组时(2串6并)，对应电阻分别为0.045 3 Ω和0.052 8 Ω.采用星形三线制连接，相电压为70 V，对应三相电流分别为1 642 A、1 550 A、1 421 A，对应电压分别为65 V、70 V、75 V，对应功率分别为106 858 W、108 972 W、106 667 W，总功率为322 497 W，对应中性线电压为5 V.

采用星形四线制连接时，相应三相电流分别为1 767 A、1 545 A、1 325 A，相应电压均为70 V，相应功率分别为123 737 W，108 167 W、92 803 W，总功率为324 708 W，对应中性线电流则为382 A.

采用三角形连接时，相应三相电流分别为3 061 A、2 676 A、2 296 A，相应电压均为121 V，相应功率分别为371 212 W、324 503 W、278 409 W，总功率为974 125 W.

对于星形三线制连接情况，满负荷时有断棒的相，负载电压高于许用电压，因此需要控制输出上限，在设计总功率时应考虑一定裕量.需要说明的是，如某相断开(在实际生产中也会出现)，则该相电阻无穷大，此相的电阻输入一个较大的值即可.本例的连接方式并不适合三角形接法，功率远超允许值，仅作计算对比之用.

对以上3种连接方式计算结果对比分析可知，不同连接方式对加热功率和中性线的影响也大不相同.

对三相负载的计算分析，可以知道负载的不平衡程度及各相电压、功率是否超出了加热元件的允许范围，以便估算加热元件的表面负荷和使用寿命.总功率则反映能否满足工艺生产的需要，进而决定是继续生产还是停炉更换加热元件.

4　结束语

针对大型工业电炉使用中经常遇到的加热元件损耗问题，在不同连接方式下，对负载运行参数进行分析计算，并设计计算软件，实现不同工况下的分析计算功能，得到其负载运行数据.以大型真空氮化炉项目为例进行计算分析，对比不同连接方式的差异，为设计和使用者提供了依据.

[1]邓苹. 电炉的设计——电炉加热元件的介绍[J]. 中国陶瓷, 2003,39(4):33-34.

[2]刘新红,宋煜伟,杨金松，等.MoSi2发热元件在不同气氛中使用损毁分析[J]. 耐火材料, 2014,48(5):327-330.

[3]江尧忠. 工业电炉[M]. 1版.北京：清华大学出版社，1993:247-251.

[4]王秉铨. 工业炉设计手册[M]. 3版.北京：机械工业出版社，2012:754-756.

[5]秦曾煌. 电工学上册[M]. 6版.北京：高等教育出版社，2004:19-25.

Power Calculation Analysis and Software Design for Large-sized Industrial Electric Furnace

WANG Ya-hui1,QU Chang-li2,HOU Ran1,YUAN Zhen-xia3

(1. SIPPR Engineering Group Co.,Ltd,Zhengzhou 450007, China; 2. Zhengzhou New Dafang Heavy Industry Science and Technology Co.,Ltd,Zhengzhou 450064,China; 3.Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 451191, China)

Electric heating element breakdown and three-phase unbalance problems often occurs in large industrial electrical furnace, in this article, the operation parameters such as current, voltage, capacity of different connection modes are analyzed and calculated. And then uses the VB programing software to complete the tedious calculations, provides reasonable information for users to analyze the equipment running status and decide whether to replace electric heating element.

industrial furnace; power calculate; software design

2016-04-28

王亚辉(1982-)，男，河南扶沟人，硕士，工程师，研究方向为工业窑炉及装备设计.

1006-3269(2016)03-0033-04

TQ174.6

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.03.007