富比生电石厂25500KVA电石炉专项方案.docx
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富比生电石厂25500KVA电石炉专项方案
富比生电石厂
8500KVA×3电石炉变压器
低压无功赔偿装置
技
术
方
案
北京思能达节能电气股份
7月
一、项目概述
富比生电石厂现有2台25500KVA电石炉。
北京思能达电力电子技术依据电石炉电气特征，本着节能增产，提升用电可靠性标准，设计了本套无功赔偿方案。
1.1电石炉
电石炉为矿热炉一个，是一个耗电量巨大工业电炉。
它关键用于还原冶炼矿石，碳质还原剂及溶剂等原料。
关键生产电石、黄磷、硅、锰铁、铬铁、钨铁合金等产品，是冶金业中关键工业原料。
其工作特点是采取碳质或镁质耐火材料作炉衬，使用自培电极。
交流电流分别由三根电极导人炉内，电流经电极和电极间炉料在电极下端产生电弧，在电弧高温作用下加入炉料产生化学反应生成多种化合物如硅铁、电石、单晶硅等。
电极插入炉料进行埋弧操作，利用电弧能量及电流经过炉料，因炉料电阻而产生能量来熔炼金属，陆续加料，间歇式出铁渣，是一个连续作业工业电炉。
1.2电石炉电气特征
依据矿热炉结构特点和工作特点，矿热炉系统电抗70％是由短网系统产生，而短网是一个大电流工作系统，最大电流能够达成上万安培，所以短网性能决定了矿热炉性能，正是因为这个原因，所以矿热炉自然功率因数极难达成0.85以上，绝大多数炉子自然功率因数全部在0.7～0.8之间，较低功率因数不仅使变压器效率下降，消耗大量无用功，电力部门要加收额外电力罚款。
所以提升短网功率因数，降低电网损耗就成了降低能耗，提升冶炼效率有效手段。
矿热炉工作时功率因数低负载从系统吸收大量无功功率，大大增加了系统线损和变压器损耗。
因为矿热炉长久处于过负荷状态，使电网长时间高负荷（输送无功成份含量大）运行，降低了电网电压水平，造成了系统电压不稳定，不利于电网运行经济性；因为短网感抗较大，使得流经矿热炉电流大部分属无功成份，大大降低了变压器有功出力，同时也增大了变压器损耗，单位耗电量加大，产能下降，产品合格率也受到很大程度上影响；上万安培大电流流经短网，损耗更是高不可估，导体温升有较大幅度升高，更轻易使导体受到腐蚀，使企业成本抬高。
矿热炉工作时无功功率流经部署长短不等短网后加剧了了三相功率不平衡，功率不平衡造成了功率中心和炉膛中心不重合，影响了产品品质。
二、设计依据
2.1供电情况
◆电石炉变压器参数
依据设计院提供数据，变压器技术参数，以下所表示：
类型
变压器容量
一次/二次电压
短路阻抗
档位
备注
单相
8500kVA
66KV/140V~240V
15.56%~6%
27
长久运行
在10-14档
◆电石炉运行特征
依据用户提供数据，在有功出力最大时：
Ø功率因数：
0.75
Ø有功功率：
0KW
2.2国家相关标准
系统配置、设备制造遵守但不低于现行、最新版本国家标准及原电力部制订相关技术规范。
国家标准未列部分参考IEC标准实施。
相关国家标准及规范以下：
GB/T15576低压成套无功功率赔偿装置；
GB50227并联电容器装置设计规范；
GB3983.1低电压并联电容器；
GB10229电抗器；
ZBK44001低压无功功率自动赔偿控制器；
GB1497低压电器基础标准；
GB3797电控设备第一部分：
装有电子器件电控设备；
GBT14549电能质量公用电网谐波；
GB4208外壳防护等级（IP代码）；
DL535电力负荷控制系统数据传输规约；
GB12747自愈式低电压并联电容器；
JB/T7826.1MT、MF系列臂对晶闸管模块；
IEEE国际电工协会标准。
2.3应达成技术指标
◆考评位置为变压器高压侧
Ø功率因数：
平均≥0.93（66KV侧）
三、赔偿方案
为了处理电石炉功率因数低下问题，现在通常采取电容赔偿方法来处理。
3.1接入位置选择
依据赔偿装置接入点分为两种型式：
高压赔偿和低压赔偿。
Ø电石炉高低压无功赔偿结构简图：
Ø
电石炉高低压无功赔偿装置技术经济对比
比较项目
高压赔偿
中压第三绕组赔偿
低压升压后赔偿
低压直接赔偿
接线原理图
功率因数
有提升
有提升
有提升
有提升
降低单产能耗
无
无
无
节能3%
增加产量
无
无
有增产
增产5-20%
改善电炉工况
无改善
无改善
有改善
有改善
三相不平衡度
无改善
无改善
有改善
有改善
提升产品质量
无提升
无提升
有提升
有提升
产品造价
较高
低
较高
高
运行维护
高
较高
较高
低
Ø电石炉无功赔偿方法比较：
1）高压赔偿，电石炉变压器高压侧电压通常为10kV、35kV或110kV。
高压赔偿是用对应电压等级赔偿装置（包含电力电容器、开关、电抗器、避雷器、保护等成套设备），直接接人电石炉变压器高压侧（赔偿装置接在电石炉变压器进线端），也能够直接接在变电站中高压母线上，单独或集中赔偿。
其特点是：
设备简单，投资少；赔偿装置出现故障时电流不经过电石炉变压器；赔偿装置不受电石炉变压器接线变换及电石炉其它方面改变影响。
高压赔偿方法仅能够提升供电线路功率因数，避免供电部门力率电费罚款，不能改变无功电流流向，无功电流仍然流经电石炉短网和变压器，不能降低电石炉短网、变压器损耗，不能提升变压器有功出力，不能提升产量，不能改善三相不平衡运行工况，不能提升产品品质。
2）低压侧升压赔偿，是利用在电石炉低压短网侧安装升压变压器，在变压器上安装高压电容器进行赔偿。
该种赔偿方法即使降低了电石炉短网和变压器损耗，提升了电石炉变压器有功出力，提升了产量，但因为安装了升压变压器和增加了短网而增加了很大损耗，起不到节能效果。
3）低压短网直接赔偿是利用现代控制技术和短网技术将大容量、大电流超低压电力电容器接人电石炉短网无功赔偿方法。
该方法是无功功率赔偿原理最好表现，能够显著提升电石炉功率因数，降低电石炉短网和变压器和供电线路无功消耗，提升变压器有功输出能力，分相赔偿方法可使三相功率不平衡度下降，达成三相功率相等，使电石炉功率中心、热力中心和炉膛中心相重合。
使坩锅扩大，热量集中，提升炉面温度，使反应加紧，达成提升产品质量、降耗和增产目标。
综合上述情况，本着节能降损、提升产品产量、节省生产成本标准，我们采取低压侧直接赔偿方法。
3.2赔偿方法选择
◆无功补方法
电石炉低压直接赔偿中，依据电容器投切控制方法不一样电石炉低压直接赔偿又有三种经典形式，不一样投切方法对电容器寿命影响很大，分析以下：
电石炉低压无功赔偿装置技术经济对比
比较项目
接触器投切
晶闸管投切
组合开关投切
接线原理图
投切涌流
有
无
无
操作过电压
有
无
无
运行损耗
少
多
少
响应时间
慢
快
快
产品造价
低
较高
高
产品寿命
1～2年
8～
8～
运行维护成本
高
较高
低
Ø接触器投切
该赔偿方法电容器组每次投入前需要放电，响应时间较长，不能实时跟随负荷无功需求改变，运行中含有严重投切涌流和操作过电压，接触器主触点烧损严重，涌流和过电压使电容器使用寿命显著降低并可能发生电容器爆炸，产品故障率很高，使用寿命仅六个月左右。
Ø晶闸管投切
该赔偿方法采取无触点开关等电位投人，无合闸涌流，电流过零断开，无操作过电压。
响应时间短，电容器上残压不影响投入性能，赔偿容量自动跟踪负荷改变而改变，赔偿效果好。
晶闸管缺点是运行中发烧严重损耗很大，要求环境温度在40度以下，还要求强制通风，不然，晶闸管元件也会很快烧坏。
无触点开关和电容器使用寿命长，维护工作少，维护成本较低。
Ø组合开关投切
该赔偿方法采取无触点开关等电位投人，无合闸涌流，电流过零断开，无操作过电压。
响应时间短，电容器上残压不影响投入性能，能够实时跟随无功负荷改变，赔偿效果好。
组合开关模块触发单元含有光电隔离，充足实现一二次系统隔离，采取柔性输变电投切技术以脉冲变压器触发晶闸管接触器组合开关模块，触发功率大，含有很强抗谐波干扰能力，谐波电流高达50％时仍可可靠正确触发，充足填补了传统固态继电器和光电过零投切技术误触发问题，真正实现投切时无涌流和无操作过电压，又避免了大功率晶闸管长久运行时过热问题，从而确保了装置能长久可靠免维护运行，显著延长了设备使用寿命。
组合开关模块和电容器使用寿命长（1O年以上），维护工作少，维护成本低。
综合考虑，我们采取组合式开关投切，以提升装置可靠性及电容器寿命。
3.3赔偿容量确实定
◆单台电石炉无功赔偿容量
功率因数为
=0.75，目标功率因数为
=0.93，赔偿后有功功率增加12%。
采取单相赔偿方法，考虑运行过电压等原因宜选择额定电压为250V电容器，安装容量应为13500kvar。
采取单相户内安装方法。
3.3单台电石炉赔偿装置配置
低压赔偿配置：
●安装容量：
4500Kvar×3；
●基波赔偿量：
3600Kvar×3；
●电容器电压：
0.25kV；
●接线形式：
a-xb-yc-z；
●每组容量：
450Kvar；
●每相组数：
10组；
●每相容量：
10*450=4500；
●体积：
每相是由1000*1200*2200（宽*深*高）5面柜体和一台800*1200*2200控制柜及一台900*1200*2200除尘机组组成；
●每组组成：
每组安装塑壳断路器一台，隔离开关一台，熔断器3只，过电压保护器3只，电流表3只，互感器3只，一套大容量组合式开关，充气式电容器18只，触发器1台；
●系统组成：
控制系统，保护系统，实施系统，除尘散热系统，后台监控系统；
3.3装置应用环境
●安装地点：
户内，无易燃、易爆、化学腐蚀及无猛烈机械振动
●环境温度：
-35℃～55℃
●相对湿度：
月平均不超出90%，日平均不超出95%
●海拔高度：
≤3000m
●大气压力：
80KPa-110KPa
●耐污等级：
Ⅲ级
●地震基础烈度:
Ⅷ度
3.4安装
装置经过智能控制器控制晶闸管组合开关自动投切各赔偿电容器组，选择BGMJ0.25-25-1型自愈式电容器，用专用快速熔断器实现对晶闸管和电容器速断保护，用塑壳断路器实现每组电容器过载保护和检修隔离。
柜内主母线采取铜管母线，支母线采取铜母排。
柜内安装温度传感器，实时监测柜内温度改变，自动开启通风设备，确保设备处于良好工作环境，并能够在温度超出设定值时电容器退出运行。
各组电容器循环投切，实时赔偿系统无功，使功率因数提升到预设值，配置电石炉专用后台监控设备，将电石炉运行参数实时传送到电石炉操作平台，为工作人职员序操作提供便利。
依据电石炉现场运行工况及安装位置，并针对严重污秽冶炼现场环境，安装大功率通风设备和高通风量除尘机组，该机组能够自动除尘，并能够依据柜内温度选择不一样运行档位，，确保箱内良好通风散热条件确保箱内经过足量洁净空气冷却设备，除尘机组还含有专用集尘斗存放灰尘，定时清理除尘斗内灰尘即可保持柜内清洁，确保设备含有良好运行环境。
3.4装置清单
单台25500KVA电石炉低压动态无功赔偿装置配置表
序号
分类
数量
每面（台）大小（W*S*H）
1
赔偿柜
15面
1000*1200*2200
2
控制柜
3面
800*1200*2200
3
通风除尘柜
3套
600*1200*2200
4
后台机
1套
5
柜体支架
3套
6
大电流测量系统
1套
四、经济效益分析
Ø较佳增产区间在10%-15%间，吨功耗可降低3-5%；
Ø降低了无功功率、增大了电极电流、增大了流压比，有利于电极插入炉料；
Ø分相赔
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