熱法制磷裝置無須二次補償原因分析

孫志立，李江滔，問立寧

（1. 云南天安化工有限公司，云南 安寧 650309；2. 會東金川磷化工有限責任公司，四川 會東 615205；3. 中國無機鹽工業協會，北京 100013）

二次補償又稱無功補償，可提高企業用電設備的功率因數值（cosφ），降低生產成本及產品能耗，改善電力系統電網供電質量［1］。在化工、冶金行業中，有很多高能耗的用電企業，如電石、熱法黃磷、鐵合金等生產企業，都有容量大小不等、數量眾多的各種類型的感性用電設備連接于國家電力電網系統中，其中一些企業的用電設備功率因數值較低，平均僅在0.70～0.85，電網無功消耗占有功消耗的60%～90%。如果企業通過二次補償將用電設備功率因數值提高到0.95左右，則無功消耗可以下降到只占有功消耗的30%左右［2］。功率因數值提高，可減少電力電網無功功率輸入，給用電企業帶來明顯的經濟效益和社會效益，對電力和用電供需雙方的意義重大。

1 二次補償的現實意義

基于大型礦熱爐大電流、低電壓、電弧加熱等工藝特性，其無功功率相對都比較大，運行中用電設備的功率因數值相對都比較低，而且隨著電爐容量的增大，用電質量趨向于更低的水平。因此，功率因數值低影響電網的輸送能力，是礦熱爐向大容量發展的主要瓶頸，在一定程度上制約了企業的可持續發展。推行二次補償以提高功率因數值，是國家重點推薦的高能耗企業節能技術之一。目前大型礦熱爐及用電設備均采用二次補償技術，滿足供電部門對功率因數值的要求。

二次補償技術除提高功率因數值外，尚有下述5個優點［2］。

（1）降低系統的輸電線路損耗。二次補償前后線路傳送的有功功率不變，當功率因數值從0.70～0.85提高到0.95時，可將有功損耗降低20%～45%。

（2）改善系統的供電電壓質量。功率因數值提高，更有利于線路末端電壓的穩定，相當于減少線損和無功功率，便于大功率電動機的啟動。

（3）提高生產設備的利用率。由于提高了功率因數值，在相同的有功功率條件下，負荷電流減少，等于增加了供配電設備的功率儲備，從而滿足負荷增長的需求。

（4）提高用電設備的容量。如三相異步電動機通過就地補償后，由于提高了功率因數值，電流下降，相當于變壓器的容量增加了。

（5）降低生產成本，提高企業經濟效益。根據國家經濟委員會批準的《全國供用電規則》規定，用戶應在提高用電自然功率的基礎上，設計和裝配二次補償設備，并做到隨其負荷及電壓變動及時投入或切除，防止無功電力倒送。并規定在當地供電局的電網高峰負荷時，高壓供電裝有帶負荷調壓裝置的用戶功率因數值必須在0.9 以上。為了獎勵企業設計和裝配二次補償設備，當功率因數值＞0.9時，根據國家《電、熱價格》標準將對用電企業的電費進行獎勵調整，若功率因數值＜0.9，則需要多收電費。電費獎勵調整見表1。

表1 用電企業功率因數值與電費增減關系

從表1可知，當功率因數值提高到0.95時，電量電費和基本電費可減少0.75%；當功率因數值為0.80、0.70、0.65 時，電量電費和基本電費分別要增加5%、10%、15%。

2 電弧爐及電阻爐（黃磷電爐）的電氣特性

2.1 電弧爐的電氣特性

電弧爐利用電極電弧產生的高溫熔煉礦石和金屬，電流波動較大，電石、鐵合金以及煉鋼等礦熱爐都屬于電弧爐。電弧爐有間接加熱、直接加熱2種類型。間接加熱電弧爐電流不通過被加熱物體，主要靠電弧產生的輻射熱熔融爐膛內電極周圍的物料。煉鋼電弧爐屬間接加熱，供能特點是電極引進的電流與鋼材作用形成電弧柱，電弧柱產生的高溫輻射熱將鋼材熔化；生產過程為間歇式，周期短，并伴有傾斜動作；電極不插入爐內料層，散熱條件好，無外力沖擊，熔池可以一目了然。

直接加熱電弧爐是利用爐膛內電極與物料之間直接產生的電弧及料層自身的電阻熱加熱熔融物料，亦稱為埋弧電爐，電石爐就屬于此類型。由于電石爐中爐料及熔體的高電阻性（比電阻），導電電極的下端埋（插）入物料內的深度僅為電極直徑的0.8～1.0倍，電極的工作端不伸入到料層中，在電極端頭與熔體間形成氣體空間的電弧區，這一電氣特性決定了其電極插入深度和電極電流密度較低。

2.2 電阻爐（黃磷電爐）的電氣特性

黃磷電爐在正常生產中電極電流一般是平穩的，故從電流穩定的條件看，也可以認為黃磷電爐是以電阻熱為主的電爐。

熱法制磷裝置是交流變壓器、短網鏈接與磷爐三位一體的有機組合，因此，磷爐的結構、爐料都必須符合電氣原理要求，即爐料應具有一定的導電性和電阻率。入爐原料是合格磷礦、還原劑（焦丁）、硅石（按一定配比混合入爐）［3］。有關資料介紹：黃磷電爐中的爐料電阻率和爐料溫度有關。經測試，正常生產運行中，生料層與半熔融層的電阻是相當大的，在800 ℃時是2.25×105Ω·cm，1 200 ℃時是3.9×103Ω·cm，當電位梯度E是2.5 V/cm 時，相應的I值分別為0.000 01、0.000 65 A/cm2，與通過電極的電流相比，兩者相差1.0 萬～2.5萬倍（石墨電極電流一般在5～8 A/cm2）［2-3］。由此可見，1 200 ℃以下的生料層和半熔融層（3.0～4.5 m）是基本不導電的（除非H2O 增加），具備了可靠的電氣絕緣性能。

被加熱物料的電阻隨著溫度升高而下降，其中的還原劑（焦丁）本身既是導電體又是發熱體，電流通過爐料形成的電阻熱將電能轉換成熱能，使熔池內形成的幾條電流回路通暢，電極熔池相連形成的電爐熔池匹配，即無“過熱、過冷區”，熔融層（熔池）電流分布均勻、熱量充足，滿足爐內還原反應熱能消耗大、長期處于滿負荷運行的特殊生產工藝［3-4］。

3 電弧爐、電阻爐（黃磷電爐）電流波形曲線及電阻設計分析

3.1 電弧爐與電阻爐的電流波形曲線

電弧爐（電石爐）與電阻爐（黃磷電爐）電流波形曲線分別見圖1、圖2［3］。

圖1 電弧爐（電石爐）電流波形曲線

圖2 電阻爐（黃磷電爐）電流波形曲線

圖1顯示，電石爐（含礦熱爐）的電流波形曲線存在著高次諧波（電石爐內三相電極間短路電弧所產生的高溫熱能將生石灰、焦炭等原料熔融后反應生成CaC），而圖2黃磷電爐的電流波形基本上呈正弦曲線。根據電學原理，存在著高次諧波的電流波形曲線是以電弧熱為主的礦熱爐；而電流波形呈正弦曲線是以電阻熱為主的電爐［3］。

正常生產的黃磷電爐，電流控制一般比較平穩，其主要原因是入爐物料組分穩定，電阻值相對恒定，黃磷電爐的電熱機制是以電阻熱為主，其電流必然穩定。

黃磷電爐雖然是以電阻熱為主，但是在一些情況下（如爐內物料中焦丁與焦丁的接觸，電極與物料之間的滑動、接觸），電極端頭的電弧段同樣有輕微電弧產生，只不過這些電弧在整個熱量產生的過程中所占比例很小，可忽略不計。黃磷電爐在生產中，倘若二次側電壓選擇不適宜，當操作電壓超過了優惠電壓的范圍時，則電弧熱的比重加大，表現在操作控制上是電極電流波動大，升降電極頻繁，爐況不易調整控制。當生產運行中出現事故，如磷爐頻繁發生電極折斷或斷電極未能撈出而留在爐內等，會產生強烈的電弧，這對電極和磷爐的損傷是相當大的，必須杜絕發生。

3.2 電弧爐、電阻爐的設計要求

電弧礦熱爐與熱法黃磷電爐工藝的差異，進而形成了不同類型電爐電流波形曲線的差異，因此，電爐生產裝置在設計時，必須根據各自的特殊工藝要求和爐體電阻大小綜合考慮，所采取的措施也就不盡相同，在工藝上形成了同屬電熱爐，設計技術參數各有不同的現實。

（1）電石爐由于爐內的熔池電阻比較低，容易產生短路，為了限制低壓側短路狀態下的電流，保證電爐的安全運行，在設計時電流網路中電抗占比增加至25%～40%，所以系統的功率因數值也隨之降低［2］。

電石是一個高能耗產品，每噸產品的電能消耗在3 250～4 000 kW·h，能耗的高低與原料、電爐、供電、運行操作、管理水平等因素有關，電費成本約占生產總成本的60%，電石爐電極電流達數萬安培，造成電石爐的功率因數值（在0.70～0.85）遠遠低于電力部門規定的0.9，所以需要對電石爐電網進行二次補償以提高功率因數值，否則將造成損耗增加，以及面臨電力部門的電費罰款。

（2）黃磷爐爐內的熔池電阻比較穩定，在正常生產中電極電流一般比較平穩，不容易發生短路現象［5］。電熱法制磷電爐在設計中選擇的都是恒容電阻型電爐，不需要限制低壓側短路狀態下的電流，設計時電流網路中電抗占比僅為5%～8%就能確保設備不會發生毀壞，由于電抗低，所以不需要采用電容補償就可以獲得高的功率因數值［2］。

4 結束語

（1）黃磷電爐由于電抗低，所以不需要采用二次補償就可以保證裝置安全運行且獲得高的功率因數值。

（2）盡管制磷電爐功率因數先天優于電石爐、礦熱爐，但功率因數在黃磷生產中具有重要的參考價值，應明確功率因數的作用和內涵，認真分析生產調控中功率因數變化。

（3）功率因數值是電熱爐的一項重要工藝技術指標，重視和提高功率因數值可以獲得電力部門的獎勵，對提高企業經濟效益、社會效益有著重要的實際意義。