高职冶金技术专业“有色冶金电力负荷计算原理”教案

高职冶金技术专业“有色冶金电力负荷计算原理”教案一、教学基本信息【基础】课程名称：有色冶金电力负荷计算原理【基础】授课对象：高职冶金技术专业三年级学生【基础】授课学时：2学时（90分钟）【基础】教学地点：多媒体教室或冶金仿真实训室【基础】先修课程：电路基础、工厂供电、有色冶金学【基础】后续课程：冶金过程控制与自动化、毕业设计二、课程标准与教材分析【重要】本课程是有色冶金技术专业的核心专业课程，其前序课程为学生奠定了必要的电学基础，后续课程则依赖于对本节课负荷计算结果的准确应用。本节课内容在整个人才培养方案中起到承上启下的关键作用，是连接冶金工艺与电气工程技术的桥梁。教材选用方面，除传统高职高专规划教材《冶金工厂供电》外，强烈建议参考行业权威工具书《有色冶金企业电力设计手册》中的相关章节，以贴近工程实际。课程内容紧密对接“变配电运行值班员”、“冶金机电设备点检员”等国家职业技能标准，确保教学内容与岗位需求无缝衔接。三、学情分析【基础】授课对象为高职三年级学生，他们已完成大部分基础课和专业课学习，具备一定的抽象思维能力和专业知识储备。学生对有色冶金的主要工艺流程（如铜闪速熔炼、铝电解、锌湿法冶炼等）有基本认知，也对简单的直流电路、交流电路计算较为熟悉。然而，【难点】学生往往将工艺与供电视为两个独立的系统，缺乏将二者耦合分析的工程视野。对于实际工厂中设备种类繁多、工作制复杂、负荷曲线波动大等情况下的系统化计算能力较弱。同时，学生对枯燥的计算公式容易产生畏难情绪，需要将其与生动的生产场景紧密结合，方能激发学习兴趣。四、教学目标设计根据职业教育的培养目标和本课程的课程标准，制定以下三维教学目标：（一）知识目标1.【基础】准确阐述有色冶金企业电力负荷的基本概念、分类（一级、二级、三级负荷）及其对供电可靠性的要求10。2.【基础】深刻理解并掌握需要系数法、二项式法、单位产品耗电量法等三种主要负荷计算方法的原理、适用范围及优缺点。3.【重要】牢记典型冶金设备（如电铲、通风机、整流变压器、电弧炉等）的需要系数、功率因数等关键参数3。4.掌握单组用电设备和多组用电设备计算负荷的通用公式推导过程310。（二）能力目标1.【核心】能够熟练运用需要系数法，对一个给定的有色冶金车间（如选矿车间、电解车间）进行有功功率、无功功率和视在功率的计算。2.【核心】能够根据计算负荷的结果，初步选择变压器的容量和台数。3.能够运用单位产品耗电量法，在方案设计阶段估算企业的年电能需要量和最大负荷110。4.培养查阅《有色冶金企业电力设计手册》等工具书及相关国家标准（如GB506732011）的能力，获取所需参数48。（三）素质目标1.通过严谨的负荷计算过程，树立精益求精的工匠精神和科学严谨的工作态度。2.理解电力负荷计算对保障生产安全、节约投资、降低能耗的重要意义，增强节能降碳的绿色环保意识和安全生产责任意识。3.【非常重要】培养跨学科的系统思维能力，能够从工艺与电气相结合的角度分析和解决工程实际问题。五、教学重点与难点（一）教学重点1.【高频考点】需要系数法的基本原理、计算步骤及其在多组用电设备负荷计算中的应用。2.不同工作制下用电设备额定功率的统一换算方法10。（二）教学难点1.【难点】如何根据生产工艺流程和设备运行特点，合理选择需要系数和同时系数（最大负荷同时系数）。2.【热点】理解大功率非线性负荷（如电弧炉、大型整流设备）对电力系统电能质量的影响，以及在负荷计算中如何考虑其对无功补偿和谐波抑制的需求79。六、教学准备多媒体课件（含动画演示冶金工艺流程）、《有色冶金企业电力设计手册》（电子版或纸质版节选）、国家规范《有色金属冶炼厂电力设计规范》（GB506732011）相关条文、虚拟仿真软件（用于模拟负荷变化）、典型工程案例资料。七、教学实施过程（90分钟）（一）创设情境，导入新课（5分钟）【教师活动】通过多媒体展示一个现代化大型铜冶炼厂的鸟瞰图，重点突出原料库、熔炼车间、吹炼车间、电解车间以及与之紧密相连的总降压变电站和密布的输电线路。提出问题：“同学们，你们面前是一座年处理100万吨铜精矿的现代化工厂。如果让你作为工厂的电气技术员，要为它设计供电系统，你面临的第一个问题是什么？”引导学生思考，最终指向核心问题：“这个工厂到底需要多大的电？也就是说，它的‘电力负荷’是多少？”由此引出本节课的主题——有色冶金电力负荷计算原理。强调这不仅是数字游戏，更是决定整个工厂供电系统安全性、经济性和可靠性的基石。（二）知识铺垫：冶金负荷特点与分级（10分钟）【教师活动】结合之前的工艺知识，引导学生总结有色冶金企业电力负荷的显著特点：【重要】一是设备容量大、总用电量高（如一台大型电解槽的电流可达数百千安，一个电解铝厂的负荷可达数百兆瓦）；二是生产连续性强，对供电可靠性要求极高；三是存在大量冲击性负荷和非线性负荷（如大型电铲、电弧炉、轧钢机等），会引起电压波动和谐波污染710。在此基础上，系统讲解根据供电可靠性要求划分的负荷分级：1.一级负荷：指突然中断供电将造成人身伤亡、重大设备损坏、重大产品报废或给国民经济造成重大损失的负荷。如【非常重要】铝电解系列供电、铜冶炼闪速熔炼系统、铅鼓风炉系统、炼钢转炉的倾动机构、矿井通风机、事故照明等。此类负荷必须由两个独立电源供电，且对于特殊重要的一级负荷，应由两个独立电源点供电。2.二级负荷：指突然中断供电将产生大量废品、大量减产、企业内运输停顿等，在经济上造成较大损失的负荷。如炼铁高炉的上料系统、轧钢机的主传动等。此类负荷应由双回路供电。3.三级负荷：不属于一级和二级的负荷，如机修车间、辅助附属车间等。对供电无特殊要求10。（三）核心技能（一）：设备容量的确定与换算（15分钟）【教师活动】强调这是负荷计算的“原材料”准备阶段，至关重要。1.【基础】长期工作制电动机：设备容量直接取铭牌上的额定功率（Pe）。2.【难点】反复短时工作制电动机：如冶金工厂中常见的起重机、某些辅助机械的电动机。讲解其工作特点，并引出负载持续率（FC，又称暂载率）的概念。明确计算原则：需要系数法和二项式法计算时，必须统一换算到标准负载持续率FC=25%下的额定功率。公式：Pe=PnFCnFC25=2PnFCnP_e=P_n\sqrt{\frac{FC_n}{FC_{25}}}=2P_n\sqrt{FC_n}Pe​=Pn​FC25​FCn​​<pathd="M98390l00c4,6.7,10,10,18,10Hv40H1013.1s83.4,268,264.1,840c180.7,572,277,876.3,289,913c4.7,4.7,12.7,7,24,7s12,0,12,0c1.3,3.3,3.7,11.7,7,25c35.3,125.3,106.7,373.3,214,744c10,12,21,25,33,39s32,39,32,39c6,5.3,15,14,27,26s25,30,25,30c26.7,32.7,52,63,76,91s52,60,52,60s208,722,208,722c56,175.3,126.3,397.3,211,666c84.7,268.7,153.8,488.2,207.5,658.5c53.7,170.3,84.5,266.8,92.5,289.5zMhv40hz">​=2Pn​FCn​<pathd="M95,702c2.7,0,7.17,2.7,13.5,8c5.8,5.3,9.5,10,9.5,14c0,2,0.3,3.3,1,4c1.3,2.7,23.83,20.7,67.5,54c44.2,33.3,65.8,50.3,66.5,51c1.3,1.3,3,2,5,2c4.7,0,8.7,3.3,12,10s173,378,173,378c0.7,0,35.3,71,104,213c68.7,142,137.5,285,206.5,429c69,144,104.5,217.7,106.5,221l00c5.3,9.3,12,14,20,14Hv40H845.2724s225.272,467,225.272,467s235,486,235,486c2.7,4.7,9,7,19,7c6,0,10,1,12,3s194,422,194,422s65,47,65,47zM83480Hv40hz">​其中，Pn为电动机铭牌额定功率，FCn为与其对应的铭牌负载持续率。3.【难点】电焊机及电焊变压器：设备容量指统一换算到FC=100%下的有功功率。公式：Pe=Sncos⁡ϕFCnFC100=Sncos⁡ϕFCnP_e=S_n\cos\phi\sqrt{\frac{FC_n}{FC_{100}}}=S_n\cos\phi\sqrt{FC_n}Pe​=Sn​cosϕFC100​FCn​​<pathd="M98390l00c4,6.7,10,10,18,10Hv40H1013.1s83.4,268,264.1,840c180.7,572,277,876.3,289,913c4.7,4.7,12.7,7,24,7s12,0,12,0c1.3,3.3,3.7,11.7,7,25c35.3,125.3,106.7,373.3,214,744c10,12,21,25,33,39s32,39,32,39c6,5.3,15,14,27,26s25,30,25,30c26.7,32.7,52,63,76,91s52,60,52,60s208,722,208,722c56,175.3,126.3,397.3,211,666c84.7,268.7,153.8,488.2,207.5,658.5c53.7,170.3,84.5,266.8,92.5,289.5zMhv40hz">​=Sn​cosϕFCn​<pathd="M95,702c2.7,0,7.17,2.7,13.5,8c5.8,5.3,9.5,10,9.5,14c0,2,0.3,3.3,1,4c1.3,2.7,23.83,20.7,67.5,54c44.2,33.3,65.8,50.3,66.5,51c1.3,1.3,3,2,5,2c4.7,0,8.7,3.3,12,10s173,378,173,378c0.7,0,35.3,71,104,213c68.7,142,137.5,285,206.5,429c69,144,104.5,217.7,106.5,221l00c5.3,9.3,12,14,20,14Hv40H845.2724s225.272,467,225.272,467s235,486,235,486c2.7,4.7,9,7,19,7c6,0,10,1,12,3s194,422,194,422s65,47,65,47zM83480Hv40hz">​其中，Sn为电焊变压器铭牌视在功率（kVA），cosφ为铭牌额定功率因数。4.电炉变压器：设备容量是指额定功率因数下的有功功率（Pe=Sn·cosφn）。5.照明设备：白炽灯取灯泡标出功率；对于荧光灯、高压汞灯、金属卤化物灯等，因镇流器也消耗功率，设备容量应为灯管额定功率的1.1~1.2倍10。（四）核心技能（二）：需要系数法——最经典的方法（40分钟）【教师活动】系统讲授需要系数法，这是有色冶金企业负荷计算中最常用、最核心的方法。【高频考点】1.基本原理与公式：讲解“需要系数”Kx的物理意义——它是用电设备组在最大负荷时需要的有功功率与其设备容量的比值，综合反映了设备的运行效率、同时率等多种因素。【基础】单组用电设备计算负荷：Pjs=Kx⋅PeP_{js}=K_x\cdotP_ePjs​=Kx​⋅Pe​Qjs=Pjs⋅tan⁡ϕQ_{js}=P_{js}\cdot\tan\phiQjs​=Pjs​⋅tanϕSjs=Pjs2+Qjs2S_{js}=\sqrt{P_{js}^2+Q_{js}^2}Sjs​=Pjs2​+Qjs2​<pathd="M98390l00c4,6.7,10,10,18,10Hv40H1013.1s83.4,268,264.1,840c180.7,572,277,876.3,289,913c4.7,4.7,12.7,7,24,7s12,0,12,0c1.3,3.3,3.7,11.7,7,25c35.3,125.3,106.7,373.3,214,744c10,12,21,25,33,39s32,39,32,39c6,5.3,15,14,27,26s25,30,25,30c26.7,32.7,52,63,76,91s52,60,52,60s208,722,208,722c56,175.3,126.3,397.3,211,666c84.7,268.7,153.8,488.2,207.5,658.5c53.7,170.3,84.5,266.8,92.5,289.5zMhv40hz">​【基础】多组用电设备计算负荷：这是确定车间变电所总负荷的关键步骤。必须引入“同时系数”K∑（最大负荷有功同时系数）和K∑q（最大负荷无功同时系数），以考虑所有设备组不会在同一时刻达到最大负荷。Pjs.Σ=K∑p⋅∑(KxPe)P_{js.\Sigma}=K_{\sump}\cdot\sum(K_xP_e)Pjs.Σ​=K∑p​⋅∑(Kx​Pe​)Qjs.Σ=K∑q⋅∑(KxPetan⁡ϕ)Q_{js.\Sigma}=K_{\sumq}\cdot\sum(K_xP_e\tan\phi)Qjs.Σ​=K∑q​⋅∑(Kx​Pe​tanϕ)Sjs.Σ=Pjs.Σ2+Qjs.Σ2S_{js.\Sigma}=\sqrt{P_{js.\Sigma}^2+Q_{js.\Sigma}^2}Sjs.Σ​=Pjs.Σ2​+Qjs.Σ2​<pathd="M98390l00c4,6.7,10,10,18,10Hv40H1013.1s83.4,268,264.1,840c180.7,572,277,876.3,289,913c4.7,4.7,12.7,7,24,7s12,0,12,0c1.3,3.3,3.7,11.7,7,25c35.3,125.3,106.7,373.3,214,744c10,12,21,25,33,39s32,39,32,39c6,5.3,15,14,27,26s25,30,25,30c26.7,32.7,52,63,76,91s52,60,52,60s208,722,208,722c56,175.3,126.3,397.3,211,666c84.7,268.7,153.8,488.2,207.5,658.5c53.7,170.3,84.5,266.8,92.5,289.5zMhv40hz">​【重要】讲解如何查阅相关设计手册获取K∑p和K∑q的值，例如对于车间变电所二次侧，K∑p通常取0.8~0.9，K∑q取0.93~0.973。2.工程案例实战：【非常重要】案例背景：某铜冶炼厂的一个新建转炉车间，主要用电设备如下表。要求用需要系数法计算该车间的总计算负荷，并初步选择车间变电所变压器的容量和台数（设变压器负荷率取0.8）。（此处应模拟一份表格，列出设备组名称、设备容量Pe(kW)、需要系数Kx、功率因数cosφ）设备组名称设备容量Pe(kW)需要系数Kxcosφtanφ转炉倾动装置4×1500.250.80.75风机6×2500.80.850.62余热锅炉给水泵3×2000.80.80.75起重运输设备5×500.150.51.73车间照明1000.90.90.48教学步骤：（1）分组计算：引导学生根据公式，逐一计算每个设备组的Pjs、Qjs。指导学生查阅手册，确认各组设备的Kx和tanφ取值是否合理。（2）求和计算：将所有设备组的Pjs求和，Qjs求和。（3）引入同时系数：取K∑p=0.9,K∑q=0.95。\[P_{js.\Sigma}=0.9\times\sumP_{js}\]\[Q_{js.\Sigma}=0.95\times\sumQ_{js}\]（4）计算总视在功率：\[S_{js.\Sigma}=\sqrt{P_{js.\Sigma}^2+Q_{js.\Sigma}^2}\]（5）变压器选型：\[S_{nt}\geqS_{js.\Sigma}/0.8\]根据计算结果，引导学生查阅变压器型号，选择合适容量的变压器（如选择两台SCB13型干式变压器，互为备用，满足一级负荷供电要求）。3.参数选取技巧讨论：【难点】组织学生讨论，为什么转炉倾动装置的Kx取值较低（0.25）？为什么起重运输设备的cosφ较小？引导他们从工艺流程（倾动动作不频繁，短时工作）和设备本身特性（起重机电动机反复短时工作，且轻载时功率因数低）的角度去理解，深化对“需要系数”本质的认识。（五）其他方法介绍与比较（15分钟）1.【基础】单位产品耗电量法：适用场景：在工厂规划、初步设计阶段，缺乏详细用电设备资料时用于估算1。核心公式：（1）企业年电能需要量：Wn=Wd·M（kWh）1（2）企业的最大负荷：Pmax=Wn/Tmax（kW）1其中，Wd为单位产品耗电量（kWh/t），可参考《有色冶金企业电力设计手册》中的数据表13；M为年总产量（t）；Tmax为年最大负荷利用小时数（h），不同类型的企业（如采矿、选矿、冶炼）其Tmax差异很大，也需查阅手册3。举例：估算一个年产10万吨的电解铝厂的用电最大负荷。查阅手册：铝电解综合交流电耗约13500kWh/t（此处仅为示例，实际数据需根据最新工艺调整），Tmax取7500h。则：Wn=13500×10万=1.35×10^9kWh，Pmax=1.35×10^9/7500=180,000kW=180MW。通过这个案例，让学生直观感受到电解铝厂“电老虎”的特性。2.【拓展】二项式法：简要介绍其原理：考虑了设备组中容量特别大的少数设备对计算负荷的影响，Pjs=b·Pe+c·Px（Px为x台最大容量的设备总容量）。指出其适用于机械加工车间等设备台数较少、容量差异大的场合，但在冶金企业大面积应用不如需要系数法广泛10。（六）知识拓展与前沿视野（5分钟）【教师活动】结合当前行业发展趋势，简要介绍负荷计算