高钛渣电炉冶炼中影响功率因数的原因及其抑制方法.pdf

第 2 9卷 第 6期 2 0 0 7年 6月 水利 电力机械 W ATER CONS ERVANCY & ELECTRI C P OW ER MACHI NEI Y Vo 1 2 9 No 6 J u n 2 0 0 7 电 气 与 控 制 高钛渣电炉冶炼中影响功率因数的原因及其抑制方法 Th i n g s a f f e c t i n g p o we r f a c t o r s d u rin g h i g h t i t a n i u m s l a g r e f i n i n g i n t h e e l e c t ric f u r n a c e a n d c o n t r o l me t h o d s 付 乔 ( 攀枝花学院 电气信息工程学院， 四川 攀枝花6 1 7 0 0 0 ) 摘 要： 分析 了高钛渣电炉冶炼中影响功率因数的原 因， 提 出了提高功率因数的方法， 并详细介绍了高钛渣 生产中可用于改善功率因数的措施。经实践验证， 提高自然功率因数效果十分明显。 关键词： 高钛渣电炉 台 炼； 功率因数； 抑制方法 中图分类号： T F 5 3 8 ： T M7 1 4 1 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 6 6 4 4 6 ( 2 0 0 7 ) 0 60 0 5 1 0 3 高钛渣冶炼工艺是一种 以大功率 电炉 为主设备 的冶金工艺 ， 其对电能的消耗量非常大 ， 而且设备 中 感性负载较多， 自然功率因数较低 ， 因此， 选择一套 最佳的提高功率 因数的措施 可以节约大量 的电能 ， 是降低生产成本的重要环节 。 1 功率因数 1 1 提高功率因数的意义 在企业供 电系统 中， 绝大 多数 用电设备都具有 电感 的特性 ， 例如感应 电动机 、 电力变压器 等 ， 这些 设备不仅需要从 电力系统吸收有功功率 ， 还要 吸收 无功功率 以产生这些设备正常工作所需要的交变磁 场。在负载吸收的有功功率为定值时， 其功率因数 越低 ， 线路上的电能损耗越大 ， 设备的容量利用率也 越低。因此 ， 功率 因数是衡量工厂供 电系统 电能利 用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重 要指标 。 1 2 供 电系统中常用的功率因数 ( 1 ) 瞬时功率 因数 。功率因数是随设备类别 、 负 荷情况、 电压高低而不断变化的。其瞬时值可由功 率 因数表测得 ， 或根据电流表 电压表及功率表在 同 一 时刻的读数间接地按下式得到 c o s 尸 ( 3u t ) ， ( 1 ) 式 中：P功率表的读数 ， k W； 电压表的读数 ， k V； ， 电流表的读数 ， A。 瞬时功率因数通常用来判断工厂的无功功率需 要量是否稳定 ， 以便分析影响功率因数变化的各项 因素。同时可用来观察了解电气设备的工作状况， 以便在运行上采取相应的措施。 ( 2 ) 平均功率 因数。均权平均功率 因数是指某 一 规定时间内功率因数的平均值 ， 平均功率因数可 用下式表示 c o s =1 1+( v v ) ， ( 2 ) 式中： 瑟 时间t 内 有功电度 袭的读数， W= P t ； 某段时间t 内 无功电度表的读数， V = Q t 。 ( 3 ) 自然功率因数。凡未装设人工补偿装置时 的功率因数称为 自然功率因数。 ( 4 ) 总功率因数 。设置人工补偿后 的功率 因数 称为总功率因数。 2 高钛渣电炉冶炼相关工艺 该工艺是铁铁矿在电炉内进行的一种还原反 应 ， 是一种通过除铁的冶金富集工艺 ， 是通过半密闭 电炉 ， 分批次冶炼来完成 的。其主反应可表示为 ： 收稿 日期 ： 2 0 0 7 0 3一l 9 作者简介： 付乔( 1 9 7 0一) ， 男， 四川成都人， 攀枝花学院电气信息工程学院讲师， 电子科技大学在读硕士研究生， 主要从事电气 自动化方面的教 学和研究工作。 维普资讯 5 2 水利 电力机械 2 0 0 7年 6月 Fe Fe n F e o 该铁渣项 目拟选的铁渣冶炼工艺以乌克兰半密 闭电炉为主设备 ， 采用装备有 2 5 MV A变压器的 电炉 ， 将变压器二次侧的三相分别接在 3根石墨电 极上 ， 并将铁铁矿和还原剂采用分批 间歇式加料的 方式送人 电炉冶炼。电炉采用三相 和三 电极 的类 型 ， 将 圆柱形的电极在熔池 内均匀分布 ， 希望可为熔 炼区提供为均匀的功率分布。 该工艺冶炼高钛渣的具体内容为首先在电炉底 预铺上一层铁 ， 然 后按 比例 加入钛 精 矿和 还原剂 5 0t 。首先 ， 将电极插入炉料 中通 电进行埋 弧冶炼 ， 此时， 冶炼能量来 自电极通 电后发热的热传递 。当 温度升高到电极 附近 的炉料 已经熔 融形成小坩 涡 时 ， 快速提升电极转为 明弧冶炼 ， 此时 ， 冶炼能量来 自电极向炉料放电击穿空气时产生的电弧能量。 当炉 料 在 炉 中冶 炼 到 工 艺 所 需 时 间 时， 每 1 0m i n 就需要 向炉中投入下一批的2 5 t 物料 ， 此时的 冶炼就已全为明弧冶炼 ， 此后 的反应过程还需要根 据工艺的规定不断地变换电压等级。 当铁渣 中的氧化亚铁反应 达到预设的 比例后 ， 进行渣铁分离 ， 完成一次完整的高钛渣冶炼 。 3 影晌功率因数的原因及理论分析 三相功率因数的计算公式为 c o s q = ( I UAP) ， ( 3 ) 式 中：c o s q 功率因数 ； P 有功功率 ， k W； 用电设备的额定电压 ， V； ， 用电设备的运行电流， A； aP 功率损耗 ， k W。 由工艺、 设备、 操作等造成对功率因数的影响有 以下几点 ： ( 1 ) 运行中由变压器、 感应电机等感性负载产 生的无功功率降低功率因数。由上式可以看出P 增大时， c o s q 减小。 ( 2 ) 由变压器二次侧到电炉电极上的输 电短 网 因大电流而产生的无功功率降低功率因数。由上式 看出， ， 增大时 ， c o s q 减小 。 ( 3 ) 因钛渣本身的高电导率而决定的电炉开弧 冶炼特性中感应电弧产生的无功功率降低功率因 数。由上式可以看出， P增大时 ， c o s q 减小 。 ( 4 ) 因钛渣本身的短渣特性及塌料造成单相短 路引起三相功率不平衡， 导致无功功率的增加而降 低功率因数。由上式看出， ， 增大时， c o s q 减小。 ( 5 ) 在冶炼工艺操作过程 中因转换 电压等级而 产生的无功功率导致功率因数降低。( 3 ) 式中的 增大时， c o s q 减小。 4 提高功率因数的方法 4 1 提高 自然功率因数 不添置任何设备 ， 采取措施减少供电系统中无 功功率的需要量， 称为提高自然功率因数。它不需 要增加投资， 是最经济的提高功率因数的办法。这 其 中包括 ： ( 1 ) 合理地选用感应电机， 找到它最佳的负荷 系数 ； 合理地运行感应 电机 ， 限制轻载 、 空载 ， 对负荷 轻的电机采用降低外加电压的办法提高功率因数； 提高旧电机的检修质量。 ( 2 ) 合理地选用变 压器 ， 找 到它最 佳的负荷系 数 ； 考虑变压器的经济运行方式 。 ( 3 ) 尽量采用同步电机以提高自然功率因数。 4 2 功率因数 的人工补偿方式 4 2 1 补偿容量的确定 供电单位在企业进行初步设计时对功率因数要 提出一定的要求 ， 它是根据企业电源进线 、 发电厂的 相对位置以及工厂负荷的容量决定的。根据 全国 供用电规则 规定， 要求一般工业用户的功率因数 在 0 8 5以上。要达到如此之高的功率因数 ， 必需装 设无功补偿装置， 对功率因数进行人工补偿。 对新建工厂 ， 在初步设计时 ， 补偿容量可按下式 确定 Q B=aP ( t a n q l t a n q 2 )=aP q B ， ( 4 ) 式中：t a n q 补偿前自然平均功率因数角 ， 对 应的正切值 ； t a n q 补偿后功率因数角 对应的正切 值 ； a 考虑到提高 自然功率因数的可能 ， 使补偿装置容量能够减小的系数 ， 一 般取 0 8 0 9 ； P 设计时求得的平均负荷 ， k W； P 设计时求得 的计算负荷 ， k W； q 无功功率补偿系数， k V a r k W。 4 2 2 补偿装置的选择 提高功率因数的补偿装置有同步补偿器和静电 电容器 。 ( 1 ) 同步补偿器 。同步补偿器是一种无功功率 的发电机 ， 它的突出优 点是可 以均匀地调节电网的 电压水平 ， 可在不同情况下以过励和欠励 2种不 同 维普资讯 第2 9卷第6期 付乔： 高钛渣电炉冶炼中影响功率因数的原因及其抑制方法 5 3 状态工作。但造价很高， 安装、 运行维护的要求也很 高。 ( 2 ) 静 电电容器。静电电容器是 目前在 国内外 工矿企业广泛采用 的补偿装置 ， 它价格便宜 ， 安装维 护 简 单 灵 活。但 静 电 电 容 器 运 行 温 度 范 围 是 一 4 O 4 0， 一旦接近这个温度就应将电容器 从电网中切除； 且静 电电容器对电压 的波动 比较敏 感， 运行中应严格监视加在电容器上的电压高低及 其频率 ； 另外如用静电电容器进行补偿 ， 系统中就不 能有大功率 的整流 、 逆变等电力电子设备 ， 否则会产 生高次谐波 ， 导致母线电压畸变。 5 高钛渣生产中可用于改善功率因数的措施 ( 1 ) 运行 中由变压器 、 感应 电机等感性负载产 生的无功功率降低功率因数可用上述提高 自 然功率 因数的几点办法加以改善。 ( 2 ) 由变压器二次侧 到电炉 电极上 的输 电短网 因大电流而产生的无功功率而降低功率因数的现象 可采用以下方法 ： 1 ) 炉底出钢尽量缩短短 网电缆长度 ； 2 ) 采用水冷铜管 以及载 流能力大 的水冷 电缆 作短网。 从式 ( 3 ) 中可 以看 出， 缩短短网 电缆长度 和采 用水冷铜管以及载流能力大的水冷电缆实际就是减 小了P， 所 以， 可以提高 c o s g o 。 ( 3 ) 因钛渣本身的高电导率而决定的电炉开弧 冶炼特性中， 感应电弧产生的无功功率降低功率因 数是造成高钛渣冶炼中功率因数较低的主要原因， 改善的办法有 ： 1 ) 设计上可用提高二次侧电压以获得较长电 弧的方法， 因高电压可减少部分补偿功率， 故可获得 较高功率因数； 在向电炉内输入热量相等的情况下， 较长的电弧能产生较大的电弧热， 故在高电压情况 下， 式( 3 ) 中的P较小， 所以能提高 c o s p 。 2 ) 可对该 冶炼 炉在计算其补偿功率 后用静 电 电容器进行人工个别补偿 ， 还可在变压 器二次侧进 行集中补偿 ， 以获得较高功率因数。 ( 4 ) 因钛渣本身的短渣特性及塌料造成单相短 路引起三相功率不平衡 ， 导致无功功率的增加而 降 低功率 因数 的情况是钛渣 冶炼 中的一 种非正常现 象 ， 另外还有运行中三相功率不平衡的非正常现象 ， 如三相负载不平衡或两相一地等 ， 其改善的办法有 ： 1 ) 短网采用水冷电缆 ； 2 ) 缩小短网中间相导体直径； 3 ) 将短网的二次侧母线电缆接线接为三角形； 4 ) 将变压 器实行单相调节 ， 即将 三相 的 电压、 电流分别控制在不同的最佳值上； 5 ) 将炉 内电极 由中间相较短 的正三角平面布 置改为中间相较长的逆三角平面布置。 以上 的办法对照式 ( 3 ) 实际就是为了减小 ， ， ， AP，从而来增大 c o s o 。 ( 5 )在冶炼工艺操作过程中， 因转换电压等级 而产生的无功功率导致功率因数降低的情况影响较 小 ， 可加入一个在线 电压转换 器以实现迅速转换 电 压等级和灵活的功率输入以提高操作功率 因数 。 6 结论 由于钛渣项 目必须安装无功补偿装置 ， 通过以 上措施后可以大大节减补偿 的容量 ， 节约 了生产成 本。在没安装补偿装置 以前 ， 自然功率因数为 0 6 左右 ， 采用上述措 施后 自然功 率因数可