富比生电石厂25500KVA电石炉方案.docx

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富比生电石厂25500KVA电石炉方案

7月25日富比生电石厂25500KVA电石炉方案

富比生电石厂

8500KVA×3电石炉变压器

低压无功补偿装置

技

术

方

案

北京思能达节能电气股份有限公司

2011年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有限公司根据电石炉的电气特性，本着节能增产，提高用电可靠性的原则，设计了本套无功补偿方案。

1.1电石炉

电石炉为矿热炉的一种，是一种耗电量巨大的工业电炉。

它主要用于还原冶炼矿石，碳质还原剂及溶剂等原料。

主要生产电石、黄磷、硅、锰铁、铬铁、钨铁合金等产品，是冶金业中重要工业原料。

其工作特点是采用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的炉料在电极下端产生电弧，在电弧的高温作用下加入炉料产生化学反应生成各种化合物如硅铁、电石、单晶硅等。

电极插入炉料进行埋弧操作，利用电弧的能量及电流通过炉料，因炉料的电阻而产生能量来熔炼金属，陆续加料，间歇式出铁渣，是一种连续作业的工业电炉。

1.2电石炉的电气特性

根据矿热炉的结构特点以及工作特点，矿热炉的系统电抗的70％是由短网系统产生的，而短网是一个大电流工作的系统，最大电流可以达到上万安培，因此短网的性能决定了矿热炉的性能，正是由于这个原因，因此矿热炉的自然功率因数很难达到0.85以上，绝大多数的炉子的自然功率因数都在0.7～0.8之间，较低的功率因数不仅使变压器的效率下降，消耗大量的无用功，电力部门要加收额外的电力罚款。

因此提高短网的功率因数，降低电网损耗就成了降低能耗，提高冶炼效率的有效手段。

矿热炉工作时功率因数低负载从系统吸收大量无功功率，大大增加了系统的线损和变压器的损耗。

由于矿热炉长期处于过负荷状态，使电网长时间高负荷（输送无功成份含量大）运行，降低了电网的电压水平，造成了系统电压的不稳定，不利于电网运行的经济性；由于短网感抗较大，使得流经矿热炉的电流大部分属无功成份，大大降低了变压器的有功出力，同时也增大了变压器的损耗，单位耗电量加大，产能下降，产品合格率也受到很大程度上的影响；上万安培的大电流流经短网，损耗更是高不可估，导体温升有较大幅度升高，更容易使导体受到腐蚀，使企业成本抬高。

矿热炉工作时无功功率流经布置长短不等的短网后加剧了了三相功率的不平衡，功率不平衡导致了功率中心和炉膛中心不重合，影响了产品的品质。

二、设计依据

2.1供电状况

◆电石炉变压器参数

根据设计院提供的数据，变压器技术参数，如下所示：

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

长期运行

在10-14档

◆电石炉运行特性

根据用户提供数据，在有功出力最大时：

Ø功率因数：

0.75

Ø有功功率：

20000KW

2.2国家相关标准

系统配置、设备制造遵守但不低于现行的、最新版本的国家标准及原电力部制定有关技术规范。

国标未列部分参照IEC标准执行。

有关国标及规范如下：

GB/T15576低压成套无功功率补偿装置；

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低压无功功率自动补偿控制器；

GB1497低压电器基本标准；

GB3797电控设备第一部分：

装有电子器件的电控设备；

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应达到的技术指标

◆考核位置为变压器高压侧

Ø功率因数：

平均≥0.93（66KV侧）

三、补偿方案

为了解决电石炉功率因数低下的问题，目前一般采用电容补偿的方式来解决。

3.1接入位置的选择

根据补偿装置的接入点分为两种型式：

高压补偿和低压补偿。

Ø电石炉高低压无功补偿结构简图：

Ø

电石炉高低压无功补偿装置技术经济对比

比较项目

高压补偿

中压第三绕组补偿

低压升压后补偿

低压直接补偿

接线原理图

功率因数

有提高

有提高

有提高

有提高

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

提高产品质量

无提高

无提高

有提高

有提高

产品造价

较高

低

较高

高

运行维护

高

较高

较高

低

Ø电石炉无功补偿方式比较：

1）高压补偿，电石炉变压器高压侧电压一般为10kV、35kV或110kV。

高压补偿是用相应电压等级的补偿装置（包括电力电容器、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（补偿装置接在电石炉变压器进线端），也可以直接接在变电站中高压母线上，单独或集中补偿。

其特点是：

设备简单，投资少；补偿装置出现故障时电流不通过电石炉变压器；补偿装置不受电石炉变压器接线变换及电石炉其它方面变化的影响。

高压补偿方式仅能够提高供电线路的功率因数，避免供电部门的力率电费罚款，不能改变无功电流的流向，无功电流依然流经电石炉短网和变压器，不能降低电石炉短网、变压器的损耗，不能提高变压器的有功出力，不能提高产量，不能改善三相不平衡的运行工况，不能提高产品品质。

2）低压侧升压补偿，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补偿。

该种补偿方式虽然降低了电石炉短网和变压器损耗，提高了电石炉变压器的有功出力，提高了产量，但由于安装了升压变压器和增加了短网而增加了很大损耗，起不到节能的效果。

3）低压短网直接补偿是利用现代控制技术和短网技术将大容量、大电流的超低压电力电容器接人电石炉短网的无功补偿方式。

该方式是无功功率补偿原理的最好体现，可以显著提高电石炉的功率因数，降低电石炉短网和变压器以及供电线路的无功消耗，提高变压器的有功输出能力，分相补偿方式可使三相功率不平衡度下降，达到三相功率相等，使电石炉的功率中心、热力中心和炉膛中心相重合。

使坩锅扩大，热量集中，提高炉面温度，使反应加快，达到提高产品质量、降耗和增产的目的。

综合上述情况，本着节能降损、提高产品产量、节约生产成本的原则，我们采用低压侧直接补偿的方式。

3.2补偿方式的选择

◆无功补方式

电石炉低压直接补偿中，根据电容器的投切控制方式不同电石炉低压直接补偿又有三种典型形式，不同的投切方式对电容器的寿命影响很大，分析如下：

电石炉低压无功补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

8～10年

8～10年

运行维护成本

高

较高

低

Ø接触器投切

该补偿方式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的变化，运行中具有严重的投切涌流和操作过电压，接触器的主触点烧损严重，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，使用寿命仅半年左右。

Ø晶闸管投切

该补偿方式采用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，电容器上的残压不影响投入性能，补偿容量自动跟踪负荷变化而变化，补偿效果好。

晶闸管的缺点是运行中发热严重损耗很大，要求环境温度在40度以下，还要求强制通风，否则，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

该补偿方式采用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，电容器上的残压不影响投入性能，能够实时跟随无功负荷的变化，补偿效果好。

组合开关模块触发单元具有光电隔离，充分实现一二次系统的隔离，采用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，具有很强的抗谐波干扰能力，谐波电流高达50％时仍可可靠准确的触发，充分弥补了传统固态继电器和光电过零投切技术的误触发的问题，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期运行时的过热问题，从而保证了装置能长期可靠的免维护运行，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，我们采用组合式开关投切，以提高装置可靠性及电容器寿命。

3.3补偿容量的确定

◆单台电石炉无功补偿容量

功率因数为

=0.75，目标功率因数为

=0.93，补偿后有功功率增加12%。

采用单相补偿方式，考虑运行过电压等因素宜选用额定电压为250V的电容器，安装容量应为13500kvar。

采用单相户内安装方式。

3.3单台电石炉补偿装置配置

低压补偿配置：

●安装容量：

4500Kvar×3；

●基波补偿量：

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，执行系统，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、化学腐蚀及无剧烈机械振动

●环境温度：

-35℃～55℃

●相对湿度：

月平均不超过90%，日平均不超过95%

●海拔高度：

≤3000m

●大气压力：

80KPa-110KPa

●耐污等级：

Ⅲ级

●地震基本烈度:

Ⅷ度

3.4安装

装置通过智能控制器控制晶闸管组合开关自动投切各补偿电容器组，选用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的速断保护，用塑壳断路器实现每组电容器的过载保护和检修隔离。

柜内主母线采用铜管母线，支母线采用铜母排。

柜内安装温度传感器，实时监测柜内温度变化，自动启动通风设备，保证设备处于良好的工作环境，并能够在温度超过设定值时电容器退出运行。

各组电容器循环投切，实时补偿系统无功，使功率因数提高到预设值，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，为工作人员工序操作提供便利。

根据电石炉现场的运行工况及安装位置，并针对严重污秽的冶炼现场环境，安装大功率通风设备和高通风量的除尘机组，该机组能够自动除尘，并能够根据柜内温度选择不同的运行档位，，确保箱内良好的通风散热条件保证箱内通过足量洁净空气冷却设备，除尘机组还具有专用集尘斗存储灰尘，定期清理除尘斗内灰尘即可保持柜内清洁，确保设备具有良好的运行环境。

3.4装置清单

单台25500KVA电石炉低压动态无功补偿装置配置表

序号

分类

数量

每面（台）大小（W*S*H）

1

补偿柜

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较佳的增产区间在10%-15%间，吨功耗可降低3-5%；

Ø减少了无功功率、增大了电极电流、增大了流压比，有利于电极插入炉料；

Ø分相补偿后平衡了三相功率，使功率中心和炉膛的几何中心重合；

Ø提高了电效率和热效率，节约了电能；

Ø由于输入炉膛的功率增大，可有效降低焦炭的配比，节约原料；

Ø电极电流增大后，可明显降低电极操作难度；

Ø输入炉膛的有功功率增加，炉温明显提高，提高了化学反应速度，提高了产品的品质和产量；

Ø减少了流经变压器及短网的电流，减少了损耗；

Ø增大了产量，降低了综合管理成本；

五、装置介绍

5.1系统构成

电石炉谐波无功综合治理装置主要由控制系统、监视系统、执行系统、保护系统和通风除尘系统等组成。

Ø控制系统

由一台基于DSP2812和RAM9所构成的硬件和一套特殊设计的软件所组成，以先进的动态无功补偿控制器作控制单元，采用光电隔离脉冲变压器触发的柔性投切技术控制触发单元按预设程序动态投切大功率组合开关模块（晶闸管模块与接触器组合开关单元）。

根据功率因数投切电容器组，兼顾电容器的端电压合格；

Ø监视系统

由一台通用计算机和一套专用软件所构成，实时显示运行电气参数，存储运行事件记录和故障事件记录，自动生成年、月、日运行报表，具有设定存储时间间隔功能，对故障事件发出声音报警并提示故障原因，指导运行人员操作。

Ø执行系统

由一台专用的组合开关（晶闸管模块与接触器组合开关单元）所构成，由晶闸管开关实现主回路过零投切接触器实现运行过程中主回路的低阻抗，彻底解决了电容器组投切过程中的合闸涌流和操作过电压以及补偿设备运行中大功率晶闸管开关过热损坏的问题，延长了设备的使用寿命。

Ø保护系统

具备过压、欠压、过流、速断、温度过高、不平衡及压力过高等保护；

Ø通风除尘系统

柜体整体密封，能防雨水、潮气侵入和小动物进入，能耐受一定的机械负荷和撞击。

针对严重污秽的冶炼现场环境，在密闭箱体内安装大功率高通风量的全自动智能化除尘机组，利用洁净空气冷却设备，避免灰尘进入柜体保持柜内清洁，有效降低柜体温度，确保设备具有良好的运行环境。

5.2主要特点

A、SNTA-300动态无功补偿控制器采用触摸操作式LCD液晶显示屏，运用先进的无功功率算法，根据电压、电流和所需无功，自动投切电容器组；具有自动手动投切转换功能。

可以实时显示系统电压值、电流值、无功值、功率因数值，并可实时显示补偿总电流及电石炉电极电流，方便值班人员操作。

可设置的参数值：

PT变比、CT变比、目标cosФ值、过压值、失压值、投切延时、投切顺序、投切模式；报警功能：

错误cosФ值报警、失压报警、过压报警并切除电容器组、超温度报警并切除电容器组；

无功控制器触摸屏

b、装置配有后台监控计算机，安装我公司自主开发的电石炉专用后台组态软件，能够将电石炉运行参数实时传送到电石炉操作平台，具有故障记录和自动生成报表的功能（日报表，月报表，年报表），为工作人员工序操作提供便利。

后台监控软件主界面

c、晶闸管模块响应速度快，能够实时跟随无功负荷的变化。

组合开关模块触发单元具有光电隔离，充分实现一二次系统的隔离，采用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，具有很强的抗干扰能力，充分弥补了传统固态继电器和光电过零投切技术的误触发的问题。

d、组合开关模块触发单元能充分有效的实现柔性触发，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期运行时的过热问题，从而保证了装置能长期可靠的免维护运行，显著延长了设备使用寿命。

e、自愈式低压并联电容器选用纯干式充气环保型填充介质，采用耐高温的进口金属化膜作为主要原材料，其主导电层由银组成，以铝表层防氧化，使导电层的载流能力大幅提高。

用意大利银锌铝镀膜机处理金属化膜，严格按照国家标准及IEC标准组织生产，有效提高了电容的载流能力，保证电容器较低的温升，确保了电容器长期安全使用。

该电容器选用一次拉伸成型的圆形铝外壳，无接缝，不生锈，不需喷涂，散热好。

在安全结构上，设置有压力保护装置，被证明是电容器行业最可靠的安全措施。

f、整套装置操作简单可靠，自动化程度高，保护功能齐全，能快速的根据负荷波动情况，实时补偿系统无功，能在外部故障和停电时退出系统，送电后恢复运行。

具有过电流保护，过电压保护，欠电压闭锁，速断及短路保护，超温保护等。

装置分级数多，单级容量小，补偿曲线更加平滑。

补偿过程中不产生投切振荡，不产生涌流，不产生谐波。

g、箱式结构，具有防尘和通风装置，确保设备处于良好的运行工况，整套装置工厂预装，现场安装快捷，避免了设备安装调试对生产的影响。

产品结构图：

六、项目质量保障

为保证整个项目的整体技术和质量，我公司保证按下述条例来实施本项目的操作，建立相应的技术和质量保证团队，具体方法按一下条例进行：

1）、建立以项目经理为首的各级技术、质量保证体系，明确各级质量责任制，技术、质量保证体系。

2）、严格按国家有关的“规范、规程、标准”及设计要求组织、指导、检查全过程的生产和施工。

3）、加强技术培训每一分部、技术、质量交底，提高整体技术素质。

4）、熟悉图纸，了解设计意图，组织参加图纸会审。

5）、在项目质量自检、互检、交接检的基础上，逐日组织质量报验，不合格工序不得进行下一工序施工。

6）、把好材料入库质量验收关，不合格产品严禁入库、使用

7）、建立技术、质量资料档案，随项目进度，及时认真做好有关记录的收集、整理、归档工作。

8）、成套设备及其主要部件均根据国家有关标准进行型式试验、出厂试验，种类试验均根据国家有关标准、规定进行。

七、产品服务

7.1售后服务

我们有专业人员专门负责该项目的各项工作，并负责该项目的全部售后服务工作。

产品提供终身技术服务，质保期为一年，一年内免费处理各种非人为故障，一年后若设备有问题，给予及时处理只收取设备材料费及差旅费。

7.2技术培训

在产品到货、安装、调试、投运、使用、维护、交接试验及人员培训的各个时期，我们免费委派专业技术服务人员到现场进行技术服务，协助指导。

我公司有专业人员专门负责该项目的各项工作，并负责该项目的全部售后服务工作。

产品提供终身技术服务，质保期为一年，一年内免费处理各种非人为故障，一年后若设备有问题，给予及时处理只收取设备材料费。

若系统在现场投入运行后出现问题，无不可抗拒因素，售后服务人员保证48小时到达现场。

在产品到货、安装、调试、投运、使用、维护、交接试验及人员培训的各个时期，我公司免费委派专业技术服务人员到现场进行技术服务，协助指导。

八、公司业绩

8.1部分业绩

思能达在近年来在矿热炉行业的部分业绩为

序号

规格

产品名称

数量

日期

用户名称

1

SNTA1006-16570

SNTA1006矿热炉低压无功补偿装置

1套

2009-11-27

宁夏西部聚氯乙烯有限公司

2

SNTA1006-6480

SNTA1006矿热炉低压无功补偿装置

1套

2009-12-1

元亨化工有限责任公司

3

SNTA1006-20475

SNTA1006矿热炉低压无功补偿装置

2套

2009-12-31

新疆中泰矿冶有限公司

4

SNTA1006

SNTA1006矿热炉低压无功补偿装置

7套

2010-2-1

宁夏西部聚氯乙烯有限公司

5

SNTA1006

SNTA1006矿热炉低压无功补偿装置

1套

2010-6-7

新疆天业集团有限公司

6

SNTA1006

SNTA1006矿热炉低压无功补偿装置

1套

2010-8-25

内蒙古鄂尔多斯电力冶金股份有限公司氯碱化工分公司

7

SNTA1006-10800

SNTA1006矿热炉低压无功补偿装置

1套

2010.11.10

鄂尔多斯市同源化工有限责任公司

8

SNTA1006-12600

SNTA1006矿热炉低压无功补偿装置

1套

2011.1.26

中宁县新世纪冶炼有限公司

8.2实例简述

英力特化工电石产能为每年50万吨，是国电英力特集团氯碱产业最主要的中间产品。

其中以4#（16500KVA）炉为例，节能率为：

测试项目

4#电石炉改造前

4#电石炉改造后

产品产量（t）

38.35238

41.27809

功率因数

0.836238

0.937905

平均每天冶炼电量（KWh）

130413.7

133675.3

拆标单耗（KWh/t）

3400.505

3241.1

节能率（%）

4.68

（注：

以上为4#电石炉平均24小时的数据，测量时间各七天）