矿热炉及低压无功补偿简介

矿热炉及低压无功补偿一、矿热炉1、 概述：矿热炉是电阻电弧炉的统称。它主要用于还原冶炼矿石，用碳素材料作还原剂。主要生产铁合金、电石、黄磷。其工作特点是采用碳质或镁质、高铝质耐火材料作炉衬，大多数使用自焙碳素电极，根据产品生产特性也有采用石墨电极、再生碳素电极的矿热炉，如工业硅、黄磷、钛渣等。电极插入炉料进行埋弧操作，利用电弧能量和电流通过炉料产生的电阻热来供给矿石还原反应所需能量来冶炼矿石，陆续加料，间歇出炉，连续作业。2、 矿热炉主要类别（1） 铁合金炉常见铁合金炉主要分为铭系、硅系、锰系。铭铁合金炉有高碳铭铁、中碳铭铁、微碳铭铁；硅系合金炉有硅铁、工业硅、硅铭、硅锰、硅钙、硅钡钙、铝硅等；锰系合金炉有高碳锰铁、中碳锰铁、低碳锰铁等。还有钨铁炉、碳化硼炉、炼钢电弧炉等。以各种合金矿、稀释剂和焦碳为原料。（2） 电石炉用石灰、焦碳、兰碳、无烟煤为原料。（3） 黄磷炉以磷矿、焦碳或兰碳为原料。以上是按产品性质对矿热炉进行分类，还可以按炉体结构进行分类，按结构可分为密闭炉、内燃炉、开放炉。密闭炉就是在炉体上部装设一个密封炉盖，炉气通过炉盖上的烟道进入炉气净化装置，炉气净化后可进行深加工或作为其它工业燃料用。这是目前最经济的炉型，也是国家鼓励大力发展的炉型，现在新建电石炉都属于密闭炉。内燃炉就是在炉体上部安装一个矮烟罩，在矮烟罩四周设置有六到九个小方孔作为观察炉况、加料、维护料面的通道，炉气在炉面上燃烧后再从烟道排走。炉气一般用于烘干原料。这种炉型在铁合金生产上最多，属于国家逐步淘汰的炉型。开放炉在炉体上部没有矮烟罩，只是在炉体的上方设置了一个大的集烟罩，集烟罩距离炉体上部一米左右，炉而高温、粉尘十分严重，操作环境很差，这种炉型在我国已基本淘汰。按矿热炉使用电源性质还可分为三相交流工频矿热炉、低频矿热炉和直流矿热炉。其中低频和直流矿热炉自然功率因素都能达到0.9以上，这是矿热炉的一个发展趋势。3、矿热炉系统结构矿热炉生产系统由炉体、烟罩、变压器、短网、电极把持器、压放装置、液压系统、电极升降系统、冷却水系统、出炉系统、原料给料和配料及原料预处理系统、炉气净化装置、产品包装及储存系统、高低压电气系统等。对矿热炉生产来说，首先必须具有符合生产工艺要求的精良的原料，这是基础。如现代大容量电石密闭炉，根据我国电石行业准入条件，单台炉容量不得低于25000KVA，项日最小装机容量不得低于10万KVA,而且必须是密闭炉。很多私营企业在建密闭电石炉时，为节约投资，对原料预处理系统投入很少，特别是烘干系统不到位，导致原料水份、粉末、粒度、化学成分等不能满足密闭电石炉的生产工艺要求，电炉不能实现真正意义上的密闭运行，使电炉投产后负荷升不上去、电炉工况较差、生产事故多，最后结果就是企业生产成本太高，产品没有市场竞争力，企业效益很差。在这方面很多企业都吃过苦头。优良的设备是电炉正常运行的根本保障。现代大容量密闭电石炉，由于各制造安装单位水平参差不齐，导致电炉投运后设备故障较多，特别是组合把持器和接触元件及冷却水系统和净化除尘系统的不完善对生产影响很大，经常造成电炉热停。现在国内电石炉设计、制造、安装单位实力最强的有大连重工和北京埃肯天立两家公司，在设备制造、安装方而大连重工最具优势，北京埃肯天立公司在电炉参数优化匹配方面比大连重工强。其次则是吉林中钢集团、西安电炉装备公司等也具备一定实力。4、我国目前电石炉设计、生产运行特点目前我国电石发展是世界上最快的，随着国家节能环保政策的强化，电石生产正朝着大容量、密闭化、自动化方向发展，到2015年我国将淘汰20000KVA以下的内燃式电石炉，整个行业装备水平正快速上升，我国现在正在建设的最大容量的电石炉已达到单台容量8万KVA，是内蒙君正集团建设的。但与此同时，在参数优化匹配方面却没跟上，大多数设计单位还是采用以前中小容量电石炉参数设计方式进行大容量电石炉的设计，而且没有充分考虑我国电石生产原料的实际状况，因此很多电炉设计投产后运行效果不能达到理想状态，具体表现为自然功率因素太低、产能不充分释放、电能利用率低下。在设计建设之初未考虑功率因素补偿，很多业主单位都是在电炉投产后才被动地上低压补偿，造成电炉运行参数发生较大变化，致使低压补偿投运后，电炉的电气、几何参数不能良好匹配，节能增产效果不明显，甚至还有在低补投运后造成电耗升高的现象，这个现象在大容量工业硅炉和硅铁炉上特别明显。二、矿热炉低压补偿1、矿热炉为什么要进行无功补偿？矿热炉因设计、原料性质等原因，造成运行时电炉自然功率因素较低，现代大容量及超大容量电炉的自然功率因素更是特别低下，而我国能源形势日趋紧张，电力部门对用户的电能利用率要求也越来越高，现在要求高耗能用户的功率因素不能低于0.9,否则用户将额外支付功率因素力调罚款。因此为提高电能利用效率，现代大容量矿热炉都必须上功率因素补偿装置。但也有自然功率因素在0.9以上的矿热炉，如黄磷炉、冰镍炉等，因其原料电阻特性很好，入炉原料比电阻特别大，利于电极深入稳定运行和使用较高的二次运行电压，这类矿热炉其二次电流相对要小得多，而无功与电流的平方成正比，因此无功较小，功率因素较高，这类电炉是不需要进行无功补偿的。2、矿热炉无功补偿分类矿热炉功率因素补偿有三种方式：高压补偿、中压补偿、低压补偿。高压补偿是一种传统的补偿方式，它只针对电网（即用户高压侧）进行无功补偿，对于负荷侧的无功则没有任何补偿，因此对用户来说它只是简单地避免了电力部门的功率因素力调罚款，而对用户生产没有任何好处。因我国变压器制造水平大大提高，现在变压器一次电压已从传统的35KV提高到220KV，110KV的进线电压已在矿热炉变压器普及，个别厂家甚至采用220KV的主次进线电源。对于这么高的电压，要进行高压补偿，因我国现在高压电容器的制造水平还不能达到使电容器额定电压达到16KV以上，因此在这种情况下要想进行高压补偿，就只有采用多只电容器并联的办法，但这样又容易形成一只电容器故障造成整个回路无法工作的现象。鉴于这种情况就诞生了中压补偿，这是近几年才形成的一种新型补偿方式，它是在变压器高、低线圈之间设置一个10KV的中压线圈，利用中压线圈引出10KV电源，以实现对电网的无功补偿。目前中压补偿还不很成熟，主要表现在投切补偿时，容易引起变压器的过电流、过电压而烧坏变压器。中压补偿与高压补偿一样，只对电网进行无功补偿，对矿热炉本身并没任何好处。低压补偿是在变压器二次侧进行无功补偿，一般是在矿热炉短网末端并联补偿装置，这样就对矿热炉本身产生的无功进行了补偿，在满足电力部门对功率因素不低于0.9的要求时，同时提高了变压器的出力，增大了矿热炉的入炉功率，从而使矿热炉达到增产节能效果。随着低压补偿的不断改进、完善，大多数矿热炉用户越来越多地更倾向于采用此项技术进行无功补偿。3、矿热炉低压补偿的优势：（1） 增产5%以上，电炉容量越大，增产效果越明显；对大极心园、低自然功率因素的矿热炉，不仅有明显增产效果，还有明显的降低单位产品电耗的效果。（2） 功率因素不低于0.9。（3） 提高变压器、二次大电流线路的利用率，增大变压器出力，使入炉有功大幅增加。矿热炉无功主要是二次大电流回路产生的，在二次短网末端接入无功补偿装置进行就地补偿，提高了二次运行电压，大幅减小同档位、同有功功率情况下的二次运行电流，无功与电流平方成正比，这样就大大减小了系统无功的产生，从而提高变压器有功输出，使输入炉内有功得到大幅增加，从而达到增产节能效果。（4） 有效改善三相交流工频矿热炉三相有功不平衡状态，消除强、弱相现象。由于三相短网系统布置、炉料不可能达到很平衡，这样三相电极就存在不同的电压、不同的功率，从而产生三相不平衡的强、弱相现象。低压补偿采用单相并联的方式接入补偿装置，可对各相所需补偿容量进行单独调节，从而使三相功率因素达到一致，平衡三相电极工作电压，均衡三相电极吃料速度，改善三相电极强、弱相现象，以实现增产降耗。在改善强、弱相现象的同时，改善了炉膛工作环境，使炉膛受热更均衡，从而延长了电炉工作寿命。（5） 对二次系统产生的高次谐波进行有效治理，减少了谐波对供电装置的危害，减小变压器及电网的附加损耗。（6） 提高了电能质量，改善矿热炉电气运行参数，提高产品产量。（7） 通过对功率因素、电流、电压等的比较和控制，能够及时、准确判断炉况，从而采取措施及时处理，以改善炉况，提高冶炼效果。4、矿热炉低压补偿运行环境电气运行条件较差，长期处于低压、大电流环境下，电流高达几万安培。电容器容易发热、漏液、爆裂，大电流条件下铁磁性材料产生强大涡流从而引起柜体、骨架发热，因此矿热炉低压补偿装置必须具备良好的散热、隔磁措施。现场运行环境差，长期处于高温、粉尘环境下。特别是铁合金电炉，生产过程中产生的粉尘具有较好的导电性，其中以工业硅和硅铁炉最为典型，严重危胁低压补偿装置的安全运行，对于采用品闸管投切的矿热炉低压补偿其运行的安全性和可靠性更差。三、低压补偿使用情况目前国内大容量电石炉低压无功电容补偿运行效果一般都不怎么好，只有极个别的厂家能发挥其有效作用。主要存在以下问题：1、低压补偿的设计、施工与电炉的设计、施工不同步。电炉在设计、施工时根本没考虑低压无功补偿的因素，都是按电炉自然功率因素来进行电炉设计的，这样当电炉投运后再上低压无功补偿时，电炉的电气参数（二次电压、极心园功率密度、电位梯度、炉底功率密度、电极电能强度）将发生大的变化，与当初的电炉设计理念发生冲突，这将严重影响电炉的正常运行。如现在的鄂尔多斯氯碱化工和东方希望的33000KVA电石炉有功负荷都只能带23000KW左右，这种现象在电石行业内十分普遍，不能充分发挥电炉变压器的有效出力，存在严重的产能浪费。2、低压滤波电容补偿标准需进一步完善内容有：（1） 电容器额定电压的选择标准未曾明确，应以充分发挥电炉最佳产能的电炉二次运行电压为设计参考。（2） 低压滤波电容补偿短网的接入点未明确规定，应以距离电极越近越好为原则。（3） 已投运电炉如需增设低压滤波电容补偿，应以电炉最佳运行有功功率参考设计电容额定电压及补偿容量，以适当提高电炉产能和电能利用效率。（4） 电容器必须采用干式阻燃介质，不能使用石蜡、凡士林、矿物油、环氧树脂等易熔可燃材料，以免造成恶性火灾。这一点尤其要引起重视，因为在四川和广西等均有因个别电容器故障引起低压补偿电容器整相烧毁的现象。（5） 电容器室的设计必须满足电容器安全运行对空间散热的要求，电空器柜内和电容器室内大环境都要有良好通风条件，使柜内运行温度不能超过室外温度15°C,在环境条件恶劣的地方必须采用强制通风，在旧炉改造时要特别重视这一点。（6） 对电容器柜内设备的设计、安装以及柜体之间、柜体与墙壁和房顶之间的安全散热标准必须明确，以保证电容器的安全可靠运行，在旧炉改造时要特别注意这点。3、 现在市场上矿热炉低压滤波电容补偿装置的设计、制作相当混乱，大多数设计制造厂都没有滤波电抗器，加上矿热炉业主对该装置没有科学的认识，这样就造成了按规范设计制作成本远高于不按规范设计制作的成本，而矿热炉业主可不管设计制作规范不规范，他们只管招标时谁家价格最低就采用谁家的产品，这样就造成了很多低压补偿装置投运后不能正常运行。而按规范设计制作的厂家成本相对高很多，只有那些个别大企业或对低压无功滤波电容补偿有高度认识的矿热炉业主才会采用，因此他们的市场反而没有不按规范设计制作的低压补偿厂家的市场大，，其中以四川乐山晟嘉电气有限公司和江苏宜兴宇龙公司为代表，他们正为矿热炉低压无功滤波电容补偿的良性发展艰辛努力。4、 我国目前大容量矿热炉发展很快，但技术力量的跟进还存在很大问题，矿热炉的系统设计不匹配，有很多电石炉都存在这种情况：低压补偿投入运行后，电炉有功负荷大大提高，但这时电炉的除尘净化系统、组合把持器系统、冷却水系统、原料制备系统等不能与现有工艺相匹配，从而使电炉不能正常运行。如内蒙包头东方希望和鄂尔多斯氯碱化工的电石炉都存在低压补偿投运后，随着电炉负荷的升高，当达到24000KW以上时，净化系统进气温度则太高且炉内气压也偏高。在这个方面，就要求业主在设计、建设时从技术上必须对整个系统有清晰的认识。四、在矿热炉低压补偿装置推销及售后服务时应了解的内容电炉运行电气、几何参数，主要包括变压器二次电压、电炉最佳二次运行电压、电极直径、电极极心园、炉膛深度、炉膛内径、炉壳直径等。电炉产品属性，电炉运行环境，整个生产系统除尘净化情况。原料状况：主要指水份控制、粉末、粒度、电阻特性等。对于新建矿热炉，在和业主及设计单位沟通时，最好建议在电炉设计时就把低压补偿因素考虑进去，主要是考虑电炉最大运行有功功率和最佳二次运