RKZB矿热炉综合节能装置
一、矿热炉节能概述
矿热炉通过200多年的发展取得了飞跃式的进步：主流容量从早期几百千瓦到今天几万千瓦；给料从传统人工给料开放炉到现在机械给料配料的内燃和全密闭炉；炉型从传统开放炉到内燃和全密闭炉；送电和下放电极由铜瓦抱闸到导电元件和组合把持器等等。
随着社会进步和自动化以及计算机技术渗透结合和全球循环经济意识普及，冶炼密闭炉的装备水平在不断提高。总体单耗水平也有所降低，但就国内目前情况看，电石、硅铁、锰铁、硅锰、硅铬，铬铁等冶炼品种，相同的原料和产品，相同容量和装备水平，国内炉子差异很大，而符合准入政策的各种25000-33000KVA大型铁合金炉、电石炉虽装备水平很高，但是单耗普遍高于传统低装备水平的小炉子。
受人为因素和经验等因素长期影响，强调人为应对生产过程中所有外围发生的情况，将各种问题集中于炉膛解决，很多不可知论一直困扰着冶炼行业。矿热炉生产因其多个专业交叠（冶金、电化学、热力学、机械、液压、电气、自动化等），掌握不同知识水平和不同知识深度的专业人员因不同知识结构和经验，因而针对同一炉况和现象有各自不同的见解和处理方法，每种方法又兼有优缺点，又时常对错交叠变换，适度难定。
单纯凭经验以炉子操作来节能是不可能的，必须配备有较高水平的装备和材料水平控制。包括电力补偿与自动控制，电极自动平衡等装备水平的提高以及原料配料精度，以及原料的品位稳定，烘干除尘，以及粒径配比和不同还原剂的配比及力度筛分等等。
针对矿热企业来讲其主要用能设备有：输变电设备、熔炼设备、除尘设备、循环水系统、动力设备。节能节电的主要措施：
1．所有设备选型时要考虑设备之间和工作点的配套性。
2．生产冶炼装置及工艺流程节能优化与数字化控制。
3．生产原料品质、粒径指标同成本条件下的优化和选型。
4．电气节能：改善电能质量功率因数、提高二次电压、调整三相不平衡度、用电优化控制和电气安全保护等。
5．冶炼炉节能：炉体节能与优化、配料加料优化、电极控制优化等、粉料回用技术。
6．异常炉况处理和各设备定期预检确保正常运行和实现计划检修。
二、节能策略
大型变压器功率因数和效率降低，除了在设计之初对短网结构优化布置减少阻抗和优化电气设备外，还必须通过外围补偿来实现和改善。
大型矿热炉的低压无功补偿是单一专业角度人士争执很大的，部分断章取义的低压补偿企业，装置简单不负责任，又简单的割裂了矿热炉的总体因素影响，使低补效率低下、寿命短、抗冲击能力差或根本无法投用，严重影响了该技术的推广。
低压补偿要与操作方法和设计配套考虑，不能只是简单地并联电容器，瑞泰电力在了解多专业和长期矿热炉的实际运行分析中，针对不同冶炼炉型的研究，根据不同冶炼产品的品种、纯度，不同冶炼产品需要的时间，不同冶炼的常规单耗电水平，不同冶炼造渣量，混合原料导热性差异，电极特征，设计供电负荷，冶炼品种炉温等诸多连环的具体因素的计算分析，提供自动控制和数字化操作等综合整体解决方案。补偿自身设计科学严谨、保护齐全，不偷工减料，低压补偿的投用与矿热炉配套解决才是科学可行的唯一解决方法。
1. 用途
矿热炉无功补偿装置主要用于提高矿热炉的功率因数、调整网络电压、降低短网损耗、抑制及滤除矿热炉冶炼过程产生的特征谐波，达到节约能源、提高设备利用率、降低生产成本的和提高产量目的。
2.适用范围
适用于生产电石、金属硅、硅铁、硅锰、铬铁、黄磷等产品冶炼设备的进线处高压补偿及滤波装置、炉用变压器中压补偿绕组补偿及炉前短网补偿。采用工业计算机控制，可实现高、中、低压补偿装置自动及手动补偿功能。
高压补偿：6、10、35、110 kV。
中压补偿：通常电压10kV,随炉变补偿绕组电压决定。
3.补偿型式比较
目前在矿热冶炼企业大多采用电容器高压、中压补偿或在炉前进行低压补偿，其向量图如下:
高压集中补偿
高压集中补偿是将电容器安装在变电所（开关站）的10kV、35kV或110kV的母线上，这种补偿方法只能补偿母线电源侧线路的无功功率。
特点：
① 只提高关口处的功率因数，补偿高压线路的补偿，对炉用变压器的利用率提高很少。
② 加装滤波补偿装置，保证谐波不超标。
③ 只能进行三相同时补偿。
④ 投资较低压补偿少些。
中压集中补偿
一般适用于电炉变压器的一次侧电压等级为35kV以上的电炉，需特殊设计的电炉变压器，所带第三绕组与高压电容器适配比较简便。
特点：
① 对有补偿绕组的炉用变压器实现中压补偿。
② 从等值电路图中得知，无功电流流经整个高压电网及矿用变压器的二次绕组，较高压补偿效果好；但短网损耗较大，较二次侧低压补偿效果差很多(通电瓶颈没有解决)。
③ 成本较低压补偿少许多。
④ 电压高，装置额定电流小，补偿装置可远离矿热炉体，可在适合温度下运行。
⑤ 中压补偿通常采用三相集中补偿，起不到三相独立补偿的目的。
低压（短网）补偿
炉前低压补偿是将电容器安装在短网和电极铜瓦之间，它可以补偿铜瓦前所有高低压线路和变压器的无功压降，补偿范围大，效果好，是矿热炉无功补偿的优选方案。
特点：
① 可采用三相不等量补偿，使三相补偿点的运行电压保持一致，提高冶炼效率。
② 可提高矿热炉功率因数0.90以上，在二次释放视在功率，其有功部分直接输入到电炉内做功，提高炉变利用率10%以上，节能效果好。
③ 降低短网损耗，减少能耗。
④ 补偿装置可集中布置在电炉变压器的周围，占地面积较小。
⑴ 一般采用框架式结构，也可采用柜式结构。根据用户需要配置断路器。对于高压补偿装置由于兼有提高其它用电负荷功率因数的作用，故可按要求进行分组自动或手动投切。
⑵ 对几台炉子共用一个母线用户，可实现集中补偿及滤波，大大降低补偿成本。
⑶ 根据系统及用户的需要，装置可采用就地控制或主控制室，集中控制，或自动控制等方式；
⑷ 能在1.1倍额定电压的稳态过电压下长期运行；方均根值不超过1.3倍电容器组额定电流的过电流连续运行；
⑸ 装置采用干式空心电抗器或干式铁芯电抗器，用以限制合闸涌流，抑制高次谐波，改善网络电压波形；
⑹ 装置选用FD型放电线圈，可在5s内将电容器组的剩余电压自额定电压峰值降至0.1倍额定电压以下；
⑺ 装置装有氧化锌避雷器，以限制投切电容器组时产生的操作过电压；
⑻ 装置采用专用电容器熔断器保护为主保护，开口三角电压、电压差动、中线不平衡电流保护作为后备保护，此外装置还设有过流、过压、失压保护。这些保护的实现也可以选用较好性能的微机电容器保护监控装置，以实现对电容器继电保护的要求。
2.1技术特点
⑴ 分相分不同工况补偿
矿热炉低压无功补偿不等同于常规补偿，强弱相之分要求分三相分别检测电参数进行不等容补偿。同时，冶炼要经过熔化期、氧化期和还原期，不同的阶段无功功率不同，电极插入炉膛的深度也不相同。RKZB补偿装置在分相各自补偿的同时，还根据阶段无功需要设置“加料、常规和出炉”的不同阶段投切电容器组，与整个矿热炉电极系统，加料系统和操作工艺配合，发挥了极好的效果。
⑵ 采用特种工业计算机控制
采用工业用特种计算机管理信号采集单元、保护单元、自动控制单元、主控制单元等，使用寿命长，抗环境干扰能力强，采集信号准确，指令控制及时，通过RS485数据传输把工艺控制系统与补偿融为一体，满足炉变不同档位电压要求，充分发挥补偿的真正作用。
⑶ 解决容性负载发热和大电流磁干扰问题
选用大功率投切开关和高载流量的导线，防止容性电流的冲击，注重工艺改进，减少大电流线路上螺栓的连接，并加防松螺母，杜绝危险的发生。同时，为防止电磁干扰，金属结构如柜体采用隔磁材料，避免了涡流导致的元器件和导线发热及电磁对控制信号的影响。
⑷ 解决环境高温和导电灰尘对装置的影响
由于低压补偿成套装置的要求：短网短、节能效果好，故需靠近炉体所以温度要求比较高，防尘能力要求强，特别是老设备改造，环境有的很差，因此设计每相一套，防护隔热房，防尘隔热，配置户外引进冷风通风系统，使防护房内保持户外的环境温度，一般不超过45℃。
⑸ 电容器组衰减提示
装置分组数量多，各支路运行显示对应正确，各组电容器组电流及时显示在控制室内，可以很容易的判别电容器组的衰减或损坏，警示用户加以维护。
⑹ 矿热炉高中低压综合控制系统专利证书和专利软件
公司从事高低压电容器补偿及谐波治理装置研究开发生产了十多年，积累了多个行业的补偿及谐波治理的经验，针对矿热炉低压补偿专门研究开发了获得国家新型实用专利证书的控制系统和具有国家著作权的专用软件，数字化的整体解决了矿热炉单耗，设计，操作，装备投用问题，在国内处于领先水平。
⑺ 人性化操作内容
装置界面内容丰富，功能全面。控制界面根据数据科学分析计算的结果显示炉变二次大电流，给用户提供参数，为补偿装置、电极系统和操作工艺的结合提供参考。装置还实时记录电压、电流、有功、无功等数据和电容器组投入、切除、保护等内容，数据保存时间长，用户可以导出和打印数据，为生产效率提供数据分析依据。
2.2 结构特征
⑴ 矿热炉专用电容器
采用矿热炉专用电容器，抗谐波抗高温，场强低、过电流过电压能力强，产品能在+55℃长期运行。我厂产品能在标称电压1.3倍，电流1.3倍长期使用（国标要求标准在标称使用电压1.1倍，标称电流1.3短期使用），使电容在成套产品中起到可靠使用的有力保障。
（a）自愈式低压并联电容器，采用先进的国外进口金属化膜为原材料，严格按照国家标准及IEC标准组织生产。电容器损耗低、工作寿命长并具有良好的自愈性能，使用安全可靠、不污染环境。
（b）该电容器以金属化聚丙烯薄膜作介质，因而产品具有自愈性，其特点是介质损耗小、绝缘电阻高、温度稳定性好、耐热耐高温、耐压强度高、频率特性稳定。
（c） 电容器内部装有过压力保护装置和放电电阻，其可靠性和安全性高。
（d）采用无毒的植物油浸渍。
⑵ 低损耗低温升的大电流电抗器
设计低温升的电抗器有效地抑制电流冲击起到了有效作用。
（a）抑制电容投切时涌流及硅铁生产过程中电压和电流的非线性对装置的干扰。
（b）过载能力：1.35倍额定电流长期运行。
（c）抵消电容无功小，对电网阻抗负面影响小。
⑶ 大功率投切开关
（a）过电流能力3倍以上，功率大，投切稳定，投切次数多。
（b）投切稳定寿命长。
（c）投切速度完全满足冶炼需要。
（d）散热性能好，维护方便简单。
（c）投资节约回报快。
⑷ 微机控制及保护系统
采用了微机控制系统控制，具备对过电流、过电压、失压等保护，对设备配置及对高温故障自动报警，确保产品所有操作和监控都能在控制室内完成。设备操作方便，安全可靠。
五、补偿设备比较与选型建议
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比较内容 |
高压无功补偿 |
中压无功补偿 |
短网无功补偿 |
综合补偿 |
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1 |
补偿类型 |
固定或动态补偿 |
动态补偿 |
动态补偿 |
动态补偿 |
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2 |
节能效果 |
不节能 |
1～2% |
5%以上 |
5%以上 |
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3 |
提高产量 |
不提高 |
2～8% |
提高8%以上 |
提高8%以上 |
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4 |
功率因数 |
可到0.9～0.95 |
可达0.9～0.95 |
0.95以上 |
0.95以上 |
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5 |
提高电压 |
高压侧 |
变压器 |
短网侧 |
短网侧 |
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6 |
补偿范围 |
高压侧 |
变压器 |
短网及以前 |
综合优化 |
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7 |
炉况 |
不能稳定炉况 |
不能稳定炉况 |
改善炉况使其更稳定 |
改善炉况使其更稳定 |
|
8 |
三相衡度 |
不能 |
不能 |
调节能力好 |
调节能力好 |
|
9 |
产品质量 |
不可以改善 |
不可以改善 |
提高合格率和品位 |
提高合格率和品位 |
|
10 |
合闸涌流 |
大 |
大 |
小 |
较小 |
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11 |
操作过电压 |
高 |
较高 |
低 |
低 |
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12 |
使用寿命 |
10年以上 |
10年以上 |
10年 |
10年 |
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13 |
维护工作量 |
较少 |
较少 |
少 |
少 |
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14 |
投资 |
少、投资回收期长 |
较大、投资回收期较长 |
大、投资回收10个月左右 |
大、投资回收10个月左右 |
综上所述，矿热炉无功补偿方案有六种：高压集中补偿、中压集中补偿、低压集中补偿、短网补偿（低压分散补偿）、高压与短网综合补偿、中压与短网综合补偿。
从矿热炉的电气阻抗分配特点和冶炼要求出发，我们建议：25500kVA及以下的炉子采用短网补偿技术；30000kVA到40000kVA炉子可以采用短网补偿技术，也可以采用中压与短网综合补偿技术；40000kVA以上的炉子采用中压与短网综合补偿技术。
六、可提供的服务
1. 矿热炉综合节电整体解决方案，可实现同原料、同产品和同装置水平的较低单耗水平。
2. 供电系统与用电优化设计与优化控制产品
3. 矿热炉自控无法投用以及投用后电极上抬的技术解决方案。
4. 研究项目
⑴ 等电阻冶炼控制系统；
⑵ 矿热炉综合控制自动化系统；
⑶ 密闭炉与部分合金冶炼开放炉的粉料回用技术，包括各种还原碳材的粉料，矿石粉料，电极糊与废旧电机，除尘粉料回用技术；
⑷ 不同原料、不同冶炼种类的电极糊的科学选型方法和不同炉况下电极糊的使用和选择技术；⑸ 冶炼炉型设计与整体节能技术研究。
成功案例