自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置在電石爐的應(yīng)用

李強(qiáng)，付錦東，陸飛(陜西北元集團(tuán)錦源化工有限公司，陜西 神木 719319)

1 無功補(bǔ)償裝置的工作原理

電網(wǎng)的功率輸出有兩種：一種是有功功率，通過電能的損耗進(jìn)行熱能、動(dòng)能、聲能等的能量轉(zhuǎn)換，也就是通過電能的消耗進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換；另外一種則是無功功率，這種功率不進(jìn)行電能的損耗，而是直接進(jìn)行形式的轉(zhuǎn)變，但是這是電石爐進(jìn)行工作的重要基礎(chǔ)。由于這一部分的能是在電網(wǎng)里和電能定期轉(zhuǎn)變的，所以稱這一部分的功率為無功功率。

無功補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟碇饕菍⑷菪耘c感性功率負(fù)荷的兩種裝置在同一電路中進(jìn)行并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)兩種裝置之間的負(fù)荷交換。通過這種方式，感性負(fù)荷通過容性負(fù)荷的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。通過無功補(bǔ)償裝置，能夠?qū)μ嵘娋W(wǎng)里有功功率的占比比率，降低發(fā)電以及供電設(shè)施的容量，減少資金投入，減少無功的消耗具有重要意義。

在最為接近負(fù)載的位置進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)所需的無功功率的補(bǔ)償，通過無功功率的供給，擴(kuò)大系統(tǒng)的容量，提升電能使用效率，減少對(duì)變壓器的負(fù)載與壓力，降低對(duì)于變壓器以及電路的消耗，減少電量的浪費(fèi)與損耗，對(duì)于提高電量使用質(zhì)量，提高用電裝置的工作環(huán)境，減少設(shè)備使用中的故障發(fā)生率以及降低對(duì)變壓器等裝置因損壞形成的更換或維修投入，合計(jì)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分配具有重要的意義[1]。安裝無功補(bǔ)償裝置具有極大的經(jīng)濟(jì)效益：

式(1)～式(3)中：Q為補(bǔ)償容量，電容器的功率(var)；XL為感抗；f為系統(tǒng)頻率，50 Hz/60 Hz；C為電容器容量(μF)；U表示電容器額定電壓(kV)。

在進(jìn)行無功補(bǔ)償裝置的安裝之后，公式當(dāng)中的“XL”就會(huì)相應(yīng)變?yōu)椤癤L-XC”，從而大大減少電能的損耗。

2 電石爐用電特性與無功補(bǔ)償需求

電石爐的用電系統(tǒng)主要包括線路、變壓器、斷網(wǎng)以及三相電極等裝置以及相配套的繼電保護(hù)設(shè)備、電壓電流感應(yīng)器等。電壓低但是電流大的特點(diǎn)致使短網(wǎng)會(huì)形成很多無功功率，導(dǎo)致變壓器負(fù)荷過大，進(jìn)而爐變功率參數(shù)降低，正常情況下會(huì)低于0.83，而過低的功率參數(shù)會(huì)需要繳納電力罰款。不僅如此，因?yàn)閱蜗嘧儔浩鞯倪^度使用，導(dǎo)致短網(wǎng)長度不同，三相功率出現(xiàn)不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，過多無功功率的流轉(zhuǎn)造成有功的消耗量增加。

為解決上述問題，目前主要是采用現(xiàn)代控制手段以及相應(yīng)的短網(wǎng)策略，通過在電石爐中接入容量大以及電流大的電容器設(shè)備，為電石爐進(jìn)行無功補(bǔ)償，進(jìn)而將功率參數(shù)維持在0.92之上，進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償能夠除去諧波、平衡三相功率，對(duì)于提升變壓器的輸出水平具有重要的影響意義[2]。目前我們國家在對(duì)電石爐進(jìn)行無功補(bǔ)償方面，根據(jù)電壓的不同等級(jí)分為了高壓補(bǔ)償、中壓補(bǔ)償以及低壓補(bǔ)償三種。高壓補(bǔ)償主要是通過在變電所高壓母線上裝備電容器的方式，進(jìn)行功率參數(shù)改善以及提升的目的。采用這種方式，能夠?qū)╇娋W(wǎng)的網(wǎng)路消耗率減少，進(jìn)而提升功率參數(shù)。但是這種方式只能夠?qū)Ω邏耗妇€電源一端的線路進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償，對(duì)變電所或變壓器負(fù)荷端需要的無功無法進(jìn)行補(bǔ)償。并且基本上都是只能夠進(jìn)行靜態(tài)的補(bǔ)償，當(dāng)電流負(fù)荷變化較大候，補(bǔ)償效果不好。中壓補(bǔ)償能夠同時(shí)對(duì)功率參數(shù)以及一次側(cè)的電壓進(jìn)行提高，改良運(yùn)行參數(shù)值，而且現(xiàn)在這項(xiàng)方法已經(jīng)在電石爐中廣泛應(yīng)用，能夠把功率參數(shù)提升至0.9之上。可是因?yàn)殡娛癄t變壓器的功率參數(shù)并未改變，因此對(duì)該行業(yè)中低產(chǎn)高能耗的問題依然無法解決。這種方法，通過將無功電流直接對(duì)中壓線圈產(chǎn)生影響，因此對(duì)中壓線圈的電流承受能力以及電壓承受水平具有較高的需求，所以也稱為目前安全隱患較高的補(bǔ)償方式。低壓補(bǔ)償工作原理是把電容器進(jìn)行并聯(lián)接在二次短網(wǎng)上面，將爐膛電弧形成的無功電流通過水冷電線、短網(wǎng)等設(shè)備以后和電容器組之間產(chǎn)生無功功率的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過低壓補(bǔ)償設(shè)備的安裝與使用，能夠?qū)未蜗臏p少近3個(gè)百分點(diǎn)，提高5～15個(gè)百分點(diǎn)的產(chǎn)量，還可以將功率參數(shù)提升至0.95之上。

3 電石爐自動(dòng)無功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用選擇

通過對(duì)高、中、低三種無功功率補(bǔ)償方式的分析，可以發(fā)現(xiàn)高壓以及中壓補(bǔ)償?shù)姆绞街荒軌蜃屍髽I(yè)免于受到電力部門的處罰。但是對(duì)實(shí)際企業(yè)運(yùn)行以及生產(chǎn)工作并沒有較多優(yōu)勢(shì)，相反還會(huì)因?yàn)檫^電壓、諧波等問題形成較大的安全事故隱患，采用低壓補(bǔ)償?shù)姆绞絽s能夠很好地降低這些問題的發(fā)生[3]。低壓無功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ苍诓粩嘁疠^好的節(jié)能效果，被廣泛應(yīng)用到電石爐當(dāng)中。隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷進(jìn)步與飛速發(fā)展，控制手段也得到廣泛使用，出現(xiàn)智能化的自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置。該設(shè)備使用DSP的處理器，根據(jù)功率參數(shù)值等情況實(shí)現(xiàn)無功功率的自動(dòng)補(bǔ)償。

3.1 低壓自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)綜述

在電石爐的低壓一側(cè)進(jìn)行自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置的安裝，不僅能夠提高電石爐的功率參數(shù)值，讓其在較高數(shù)值范圍內(nèi)運(yùn)行，還能夠保障無功電流可以不通過短網(wǎng)以及變壓器，進(jìn)而減少對(duì)短網(wǎng)及一次側(cè)的無功損耗。相比于中壓無功補(bǔ)償方式，具有較強(qiáng)的能源節(jié)約以及效果提升的作用。但是相對(duì)于其他兩種方式，需要進(jìn)行較高的資金投入。傳統(tǒng)的低壓無功補(bǔ)償設(shè)備需要依照不同的補(bǔ)償容量進(jìn)行相應(yīng)的電容器投切，非常容易造成補(bǔ)償設(shè)備里邊的繼電器以及熔斷器因?yàn)轭l繁更換而燒壞，進(jìn)而導(dǎo)致補(bǔ)償容量的降低。所以經(jīng)常需要大量的人力進(jìn)行檢修與維修工作，造成一定程度的工作效率不高。但是通過采用自動(dòng)化的方式，在低壓無功補(bǔ)償裝置中添加動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)脑O(shè)施，避免在設(shè)備工作過程中頻繁的投切行為，既能夠滿足補(bǔ)償容量的需求，達(dá)到無功功率補(bǔ)償?shù)淖饔?，還能夠在一定程度上提高有關(guān)部件的使用壽命。

3.2 自動(dòng)無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)原則

首先，在補(bǔ)償容量的測(cè)量應(yīng)用上，能夠匹配三相或者單相的低壓電路，通過低壓側(cè)電壓以及電流的檢測(cè)，作為設(shè)備是否進(jìn)行電容投切的依據(jù)；具有專門的監(jiān)控軟件，能夠進(jìn)行友好的人機(jī)互動(dòng)，并且操作簡單，實(shí)時(shí)展示設(shè)備運(yùn)行狀況。其次，在控制方法上，使用可控硅和接觸器共同控制的方式，保證在進(jìn)行電容投切的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)重燃的行為[4]。在補(bǔ)償效果上要能夠進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，將每月的平均功率參數(shù)控制到0.92之上。自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行無功功率容量的計(jì)算與補(bǔ)償變動(dòng)，實(shí)時(shí)對(duì)電壓以及電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，計(jì)算出補(bǔ)償容量的大小并進(jìn)行自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.3 自動(dòng)無功補(bǔ)償容量的計(jì)算

無功補(bǔ)償容量計(jì)算：

式中：Qc為需要進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償體量；S視代表電石爐的視在功率；cosφ1為補(bǔ)償后的功率參數(shù)；cosφ2為補(bǔ)償之前的功率參數(shù)。

因?yàn)闊o功功率的輸出數(shù)值和電容器電壓的平方具有正比例關(guān)系，因此在進(jìn)行低壓補(bǔ)償容量的計(jì)算時(shí)要注意換算關(guān)系。此外，要嚴(yán)格保證無功功率的補(bǔ)償容量不要超過需求，過量會(huì)引發(fā)電網(wǎng)安全事故。

3.4 自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置節(jié)電設(shè)計(jì)

通過自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置的使用之后，能夠?qū)€路的損耗進(jìn)行降低是必然的。

根據(jù)損耗降低計(jì)算公式ΔΡ%=(1-cosφ2/cosφ1)×100%得出，電石爐僅僅依靠自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置形成的電氣自身電量節(jié)約量并不會(huì)很多，因此可以輔助補(bǔ)償裝置來進(jìn)行電石爐入爐電壓的調(diào)整，這樣能夠更高效地提升電石爐的熱效應(yīng)，進(jìn)一步降低電能的損耗。

4 電石爐自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用效果

通過自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置在某企業(yè)電石爐中的應(yīng)用效果來看，成果較為顯著。電石爐在進(jìn)行起弧過程中，使用低壓自動(dòng)無功補(bǔ)償設(shè)備可以將電石爐短網(wǎng)一側(cè)的功率參數(shù)提升到0.92。并且在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)以及出料的過程中，通過自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置的安裝使用并依據(jù)實(shí)際情況調(diào)整后，也能夠把電石爐短網(wǎng)一側(cè)的功率參數(shù)提升至0.93以及0.89。由此可以看出，在低壓側(cè)進(jìn)行自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置的安裝使用，可以在很大程度上對(duì)短網(wǎng)一側(cè)的無功功率需求進(jìn)行補(bǔ)償，降低整個(gè)電石爐系統(tǒng)在工作工程中的無功功率變動(dòng)。通過電石爐中低壓無功補(bǔ)償裝置的安裝使用以及相互配合，能對(duì)電石爐中電能的質(zhì)量情況進(jìn)行有效改善，不僅避免受到電力部門的罰款處罰，還能夠進(jìn)行很好的無功功率補(bǔ)償效果，為電石爐工作起到較好的推動(dòng)作用[5]。同時(shí)，在本質(zhì)上提升了企業(yè)控制方式的工作水平與能力，降低因維護(hù)工作帶來的人工浪費(fèi)，切實(shí)提高工作效率，節(jié)約能耗，提高產(chǎn)能，減少企業(yè)的運(yùn)營成本，提高電路中的電能使用質(zhì)量，并且提高企業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量。

5 結(jié)語

綜上所述，在科學(xué)、合理的范圍內(nèi)進(jìn)行無功補(bǔ)償裝置的使用，對(duì)提升電石企業(yè)的用電質(zhì)量，減少電能消耗，抑制諧波具有重要的意義。本文通過分析當(dāng)前電石爐的用電系統(tǒng)以及無功功率的需求，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行低壓無功補(bǔ)償裝置的使用，對(duì)解決電能損耗，提升無功補(bǔ)償效果最好。并且詳細(xì)闡述了自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)，對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了闡述，能夠得到良好的無功補(bǔ)償效果。