鐵合金廠短網節能潛力的分析

鄭晶晶，羅 凡

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

我國單位產出的能耗和資源消耗水平明顯高于國際先進水平。工業硅生產是高能耗行業，平均每噸工業硅需要消耗13 000 kWh以上電能[1]，我國工業硅生產能源消耗高主要是因為設計上不合理、控制水平與管理水平不高。經過多年的摸索探討，目前我國工業硅電弧爐的電效率平均在92%以上，各種提高電效率的技術或措施也比較成熟，如：改進短網結構設計、使用優質導電材質、采用低壓補償技術、改善電參數等[2]。

1 企業概況

西北鐵合金廠是我國硅鐵冶煉技術和裝備的發源地和發祥地，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、碳質還原劑及溶劑等原料。主要生產硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鎢鐵、硅錳合金等鐵合金，是冶金工業中重要工業原料及電石等化工原料。其工作特點是采用碳質或鎂質耐火材料作爐襯，使用自培電極。電極插入爐料進行埋弧操作，利用電弧的能量使電流通過爐料[4]，因爐料的電阻而產生能量來熔煉金屬，陸續加料，間歇式出鐵渣，連續作業。

2 礦熱爐變壓器的生產特點

礦熱爐系統電抗的70%是由短網系統產生的，而短網是一個大電流工作系統，變壓器輸出電壓較低，而輸出電流則很大[5]，因此短網的性能決定了礦熱爐的性能。正是由于這個原因，礦熱爐的功率因數很難達到0.85以上，絕大多數礦熱爐的功率因數都在0.7～0.8。較低的功率因數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，導致三相間的電力不平衡加大，最高不平衡度可以達到20%[6]，導致冶煉效率的低下，電費增高。因此，提高短網的功率因數，降低電網不平衡就成了降低能耗提高冶煉效率的有效手段。

3 礦熱爐短網壓降分析

3.1 12500 kVA、25 000 kVA礦熱爐短網現狀

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，經現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，經現場測試，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。經過測試發現以下4個問題：其一單相變壓器低壓側短網電壓降增大，能耗大。由于低壓側電流高達50 kA，短網電壓降低，電爐電極電壓約比變壓器出線電壓低20 V；其二短網主要部件聯接處接觸電阻較大，有一部分已經被氧化變黑；其三導線電流密度偏高，為5 A/mm2；其四短網的主要部件，如：銅管、軟電纜等部件聯接處過熱，溫度最高為80℃。

圖2 3個單相變壓器供電方式

3.2 降低短網壓降措施

針對以上分析可總結以下幾個短網壓降措施：12 500 kVA礦熱爐應采用3個單相變壓器對稱向電爐供電；25 000 kVA礦熱爐應加強短網維護，部件聯接處應磨平鍍錫，達到降低接觸電阻的效果；定期對短網聯接處用紅外測溫儀進行溫度檢測，并及時處理問題，以保證接觸電阻在合理范圍；設備改造時可增大導線截面積1倍，短網電阻由16.9 μΩ降至8.2 μΩ，增加了導線經濟電流密度；也可增大銅管的內/外徑尺寸，由原來的30/50 mm增大為40/70 mm。

3.3 潛力計算

對于12 500 kVA礦熱爐，經測試分析可知，礦熱爐6根短網平均壓降可下降4 V，原較遠電極（E3）壓降降低更多，為10 V。經過統計計算得出：6臺12 500 kVA礦熱爐總計降損約2 000萬kWh，節約電費約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，短網改造約600萬元，共計約1 860萬元。

對于25 000 kVA礦熱爐，經計算分析可知，目前短網實際阻抗為400 μΩ，但銅短網的理論電阻僅為16.9 μΩ，僅占4%。短網壓降降低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，改造維護人工費用約20萬元，共計約200萬元。

4 短網無功補償

因礦熱爐負載特性介于電阻性和電抗、感抗之間，短網的空間物理結構和流過短網的大電流使礦熱爐的功率因數降低。較低的功率因數會造成生產企業電能耗高，生產效率低下，這對電網及生產企業都不利[7]。通常在高壓側進行三相無功補償，只能提高同電壓等級和上一級電網的功率因數，而對電爐變及以下短網所消耗的無功功率起不到補償作用。應將原來在礦熱爐變壓器高壓側進行無功補償變為在低壓側短網部分進行無功補償。經驗證明，在礦熱爐低壓側針對短網無功消耗和其布置長度不一致所導致的三相不平衡現象，采用安裝計算機智能型自動控制技術裝置，將無功補償電容器改為安裝在銅瓦附近，使無功補償盡可能靠近電極，這樣無論在提高功率因數、吸收諧波，還是在提高短網電壓、增產降耗上，都有著與高壓無功補償無法比擬的優勢。通過平衡、提高三相電極向爐膛的輸入功率,從而達到提高產品質量和降低電耗的目的。此種無功補償裝置從現階段來看，技術上是可靠、成熟的，從經濟上來講，節電率約5%～10%，其投入和產出是成正比的。

5 短網的節電措施

5.1 縮短短網長度

短網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盡量縮短[6]，應注意變壓器外墻上短網母線構架的位置，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，使各段短網處在同一水平面上；在保證電極升降和爐體轉動需要的前提下，盡量減少短網的長度，可節電約2%～5%。

5.2 減少短網周圍的鐵磁物質

當短網通過強大的交流電時，在短網周圍產生強大的交變磁場。盡量避開爐體鐵質煙囪等金屬構筑物，避免在這些鐵磁物質中產生渦流和磁滯損耗，引起短網附加損耗的增大[7]。同時所有固定和聯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的導體。

5.3 選取適當的電爐導電材料

選用紫銅材料較為合適，一般不采用鋁質材料。合理選擇導體截面，使得短網損耗小[8]。對于短網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

短網的聯接處較多，接觸電阻增大，不僅增大了短網的功率損耗，同時還會使聯接處嚴重發熱甚至燒紅，要用非磁性螺絲壓接，以防產生渦流及磁滯，引起連件發熱傳熱，加速接觸面的氧化，進而使接觸電阻進一步增大，形成惡性循環。為降低接觸電阻，從電爐變壓器出線端與電極相聯接的導體中所有聯接處的表面磨平鍍錫，采用雙面夾接[4]。對不經常拆卸的聯接部位采用焊接或增大接觸面積的辦法，精細加工接觸表面，涂優質的導電膏并保持足夠的接觸壓力，防止運行中空氣、水分進入而造成接觸表面氧化，引起接觸電阻增大。在運行時，定期對接觸處用紅外線測溫儀進行溫度檢測，發現溫度超標，應及時采取冷卻措施或進行停電檢修處理。處理后應再次測量接觸電阻并使其保證在合格值的范圍內。

5.5 盡量采用水冷短網

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

5.6 短網的無功補償

對電網進線高壓側進行無功補償，可以大幅度提高功率因數，可減少礦熱爐消耗電網太多的無功，進而避免被供電企業扣罰，但沒有改變短網的電抗，仍會增加配電端有功功率損耗。將無功補償電容器改為安裝在銅瓦附近，使無功補償盡可能靠近電極，這樣無論在提高功率因數、吸收諧波，還是在提高短網電壓、增產降耗上，都有著與高壓無功補償無法比擬的優勢，為企業節電約1%～2%，增產5%以上。

6 結束語

綜上所述，無論是設計者或使用者，都應對短網給予足夠的重視，充分注意短網的電參數及合理的短網結構2個方面，既要注意設計和選擇短網的合理電參數，以提高設備的技術經濟指標，保證技術先進性，又要充分注意短網導體的機械結構，研制和選用新型可靠的短網組件，采用合理的短網結構，以保證設備的可靠運行。

［1］ 鄭孝東.煉鋼電弧爐短網節電的途徑和措施[J].節能技術，2001,6(6)：40-41.

［2］ 姚長杰.縮短煉鋼電弧爐的短網[J].電爐,1990,2(2)：39.

［3］ 葉選茂,李鎢,邵輝庭.礦熱爐短網節電補償濾波技術[J].節能與環保，2007，24(4)：24-28.

［4］ 周崇湖,陳昆明.一種改造短網降低合金冶煉企業功率因數的方法[J].農村電工，2008，24(3)：15-20.

［5］ 臧曄陽.礦熱爐短網補償設計運行分析[J].電力電容器與無功補償,2007.5(5)：5-7.

［6］ 李澤興.礦熱電爐短網的設計、制作與安裝[J].電工技術,2006,24(8)：17-21.

［7］ 付麗君,于洋,馬曉奇.電弧爐電氣設備的節電措施[J].節能,1998,24(2)：32-36.

［8］ 桑鋒華,王如新.冶煉爐變壓器大電流引出及聯結[J].變壓器，1999,31(10)：45-49.

［9］ 楊雙勝.礦熱爐電氣特性分析[J].山西電力,2007,24(2)：16-18.

［10］ 李澤興.礦熱電爐短網的設計、制作與安裝[J].電工技術,2006,24(8)：12-15.