矿热炉负荷监测系统的应用

陈喜根，朱亚东，王飞

（无锡北科自动化科技有限公司研发部江苏无锡 214101）摘要：通过无锡北科自动化科技有限公司的矿热炉负荷监测系统对矿热炉二次侧电气系统参数的实时监测，分析低压无功补偿运行后各电气参数的变化情况，提供更加准确合理的操作依据，帮助用户合理使用低压无功补偿以及操控电极。

关键词：矿热炉负荷监测系统；低压无功补偿；电极操控；应用

矿热炉是把电能转换为冶炼热能的高能耗设备，电的成本已经成为产成品的重要成本，电石产品电的成本甚至占产成品成本的60%以上。因此对电能的科学管理，合理节能尤为重要。

矿热炉负荷监测系统（请参阅《第21届全国铁合金学术研讨会论文集》第461页《基于炉口电气参数测量的矿热炉负荷监测系统》）目前能够实时监测矿热炉变压器二次侧、炉口以及电极的几乎全部电气参数。该系统为炉子和电极操作提供精确真实的数据，使得低压补偿投运调试方便，电极操作稳定可靠，达到良好的节能效果，实现炉子的科学管理，减少故障率，为矿热炉向自动化控制发展积累丰富全面的经验。通过两年来的十几个用户，近30台不同产品的矿热炉实际运行，总结出下面两方面的应用，具体介绍如下：

1矿热炉负荷监测系统在低压无功补偿方面的应用

随着矿热炉容量越来越大，冶炼系统的自然功率因数越来越低。较低的功率因数不但使变压器的效率降低，消耗大量电能，而且会被供电部门处以巨额的力率罚款，大大增加了电费成本，因此矿热炉冶炼系统需要进行有效的无功功率补偿。

同时，变压器每个月还存在固定的基本电费，提高用电量就能降低产品的基本电费成本。因此，矿热炉冶炼在不增加单耗的同时必须尽可能提高产量。

1.1无功补偿原理

电网输送的功率包括两部分：一是有功功率，二是无功功率。有功功率直接消耗电能，把电能转变为机械能、热能、化学能或声能，利用这些能作功；无功功率不消耗电能，只是用于电气设备磁场的建立和维持，能量在电场与磁场进行周期性转换。

把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路；当容性负载释放能量时，感性负荷吸收能量；而当感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量；能量在两种负荷之间交换。感性负荷所吸收的无功功率，可以从容性负荷输出的无功功率中得到补偿，不再需要电网提供，这就是无功补偿的基本原理。

1.2 矿热炉无功补偿方式

1.2.1高压补偿

高压补偿是在矿热炉变压器的一次侧电网加装高压无功补偿装置，达到提高功率因数的目的。可以降低一次侧供电线路的损耗，提高高压功率因数，但对矿热炉的运行和生产没有帮助。

1.2.2中压补偿

中压补偿是在变压器设置的中压线圈加装无功补偿装置，主要是解决高压侧电压太高不易补偿的问题，作用和高压补偿近似。中压补偿运行时，变压器高、中压线圈电流减少，低压电流不变，因此变压器的负载损耗小幅下降。

1.2.3 低压补偿

低压补偿是在矿热炉短网末端加装低压无功补偿装置。低压补偿有以下几个优点：（1）大量无功电流将直接经低压电容器回路流转，不再经过补偿点前的短网、变压器及供电网路，在提高功率因数的同时，提高变压器的有功输出率，降低变压器、短网的无功损耗。

（2）变压器负荷降低后，就有能力再提高负荷，增加入炉有功，提高产量。

（3）能够提高短网电压，便于电极适度插深，特别有利于在埋弧状态下扩大熔池体积，提高熔池温度，在增加产量的同时减少热耗散。

（4）采用分相动态补偿，能够有效地调节三相电极不平衡状态，提高生产效率。

低压补偿无论在增产降耗、改善指标的效果上，都有着高压、中压补偿无法比拟的优势，而且这种优势越来越为广大业主认同和采纳，最近几年间已在国内数以百台的矿热炉上得以应用，相关的技术和产品已经成熟。国内有多台容量为40500kV A矿热炉采用了全低压补偿，功率因数均值保证在0.92以上且稳定可靠地运行两年有余，目前容量高达48000kV A的矿热炉采用全低压补偿已将进入实施阶段。

1.3低压补偿对矿热炉电气系统的影响

低压补偿是矿热炉实现增产节能的必要措施之一，但使用了低压补偿装置后，如果还是依据原来的一次侧电流或三次侧电流换算成的二次电流数据来操控矿热炉，炉子难以、炉况不稳定以及三相不平衡的现象就会时常发生；同时低压补偿增产节能的效果也得不到充分发挥。其原因在于投入低压补偿后矿热炉电气系统的各参数均发生相应的变化：

1.3.1低压补偿装置对炉变一次电流和三次线圈侧电流数据的影响

投入低压补偿后无功电流减小，有功电流增大。同时每相投入的电容器数量不等，每相无功补偿电流也就不会相等，因此每相无功电流电流减小的幅度不会相等。由此可见一次侧电流（或者由三次线圈侧按变比换算成的二次视在电流）已经不能真实反映电极处的炉子电流。矿热炉负荷监测系统测量的数据直接来源于电极处，完全不受低压补偿投切的影响，可以更为客观真实地反映矿热炉运行的状况，有效解决矿热炉低压补偿后操控难的问题。

1.3.2低压补偿装置对电极电压的影响

电容器以储存电压的形式储存电能，电容器作为容性负载，根据变压器的负载外特性可以看出，低压补偿装置投入会提高电极电压，视不同的冶炼品种、具体的炉子大小，通过实际检测可提高电极电压3V—10V之间。因此矿热炉低压补偿后也就不能依据低压补偿前的炉变档位来冶炼（炉料刺火现象），必须依据矿热炉负荷监测系统检测的矿热炉炉内真实的电极电压和其他的各种电气数据来重新确定炉变的电压档位。

1.3.3低压补偿装置对矿热炉其它主要电气参数的影响

低压补偿投切电气参数变化表（表1）是某企业使用矿热炉负荷检测系统对低压补偿装置进行手动投切时所测得的数据，根据上述测得的数据表看以看出，低压补偿投切前后：一次有功功率提高25.4%；一次无功功率减小44.0%，一次功率因数从0.76增大到0.94；电极

电压提高4V－9Ｖ；电极有功功率提高28％；电极功率因数基本不变。

1.3.4 矿热炉负荷监测系统使低压补偿效果得以充分发挥

上述3点说明低压无功补偿装置的运行使矿热炉电气系统产生了很大的变化，因此必须要配套使用矿热炉负荷监测系统，全面掌握炉内的主要电气参数，根据实测到的精确数据，结合原有的操作经验，适当调整工艺，采用检测到电极数据，达到调整电极平衡，在不间断运行记录中，掌握炉变档位，探索电极在炉料内的最佳深度，使炉况平稳，调整低压补偿每相的合理投切，取得最佳的增产节能效果。

全面掌握炉内主要电气参数矿热炉，使矿热炉平衡、平稳运行，可以使矿热炉故障

率将大大降低，电极断裂、停电检修次数减少，起到安全生产的效果。

1.4 低压补偿的节能效果

在某企业使用矿热炉负荷监测系统对低压补偿装置投切前后所测得的数据进行对比： 电气参数 投低补前 投低补后 增长率

一次总有功功率（kW） 10340 11450 10.74%

电极总有功功率（kW） 9410 10681 13.51%

有功功率传输率（kW） 91.01% 93.28% 2.27%

有功功率损耗（kW） 930 769 -17.31% 有功损耗占一次有功比例 8.99% 6.72% -2.27% 数据显示，低压补偿投运后，一次总有功功率及电极总有功功率均有所增长，增长率超过10%。另外有功功率的传输效率从投入低补前的91.01%增长到投入低补后的93.28%，传输过程中有功功率的损耗从投入低补前的930kW降低到到投入低补后的769kW，所占一次有功功率的比例也从投入低补前的8.99%降低到到投入低补后的6.72%。该数据表明在供电系统输入有功功率固定的情况下，炉子能有效利用的有功功率随着低压补偿的投入而有一定的增长，传输过程中的有功功率损耗有一定的下降，体现出低压补偿真正的节能效果。 1.5 典型案例

1.5.1 陕西北元集团锦源化工

该单位两台40500kVA的电石炉均采用全低压补偿。矿热炉负荷监测系统运行后显示的电极电流与一次电流相比明显偏高，主要是一次电流受低压补偿投入的影响，而矿热炉负荷监测系统监测的电极电流测量位置在补偿点后，数据更为准确。采用矿热炉负荷监测系统的数据后炉况比较稳定，平均吨耗在3000~3100度。

1.5.2 陕西奥维佳能焦电化工

该单位两台33000kVA的电石炉均采用全低压补偿，运行稳定可靠，吨耗在2900~3000度。

2矿热炉负荷监测系统在电极操控方面的应用

矿热炉负荷监测系统包含测量、显示、记录、报警等基本功能，监测数据多达二十余种六十多个，可为冶炼工艺研究工程师及电炉操作者提供矿热炉运行中的实时、可靠的电气参数，以便科学合理地操控矿热炉，或者对于矿热炉的异常状况提供分析依据。

◆测量数据取自“炉口”，更真实反映矿热炉的运行参数，比现今普遍采用的模式科学合

理

◆电气参数品种丰富，更全面把握炉况，可借助不同参数操控设备以寻求最佳控制策略◆测量精度高：电流电压优于０.５％，其它电量优于１％，分辨率０.０２％

◆炉况数字化，操控科学规范，减少对操作经验的依赖，减少对操作人员的培训时间

◆相比简单仪表有更丰富实时曲线，据其变化趋势可更好把握炉况的变化

◆凭借历史记录寻求矿热炉最佳工作点，为设备高效经济运行提供数据支持

◆从根本上解决装设低压无功补偿后矿热炉难以操控的问题

◆24小时不间断监测，越限报警，矿热炉的“贴身护士”

◆不同操作者的操作水平或责任心一目了然

◆人机界面图形化，系统操作傻瓜化，监测记录自动化，操控经验数字化

2.1对矿热炉辅助的效果及操作建议

三相电极平稳平衡地运行在最佳工作点是矿热炉操作所追求的根本目标。

平稳描述的是在排除人为因素或特殊原因的操作外，矿热炉正常运行期间的电参数在一段时间内波动状况的指标。良好的平稳状况表现在曲线图上是一条比较平直、波动很小的曲线。

平衡描述的是在排除人为因素或特殊原因的操作外，矿热炉正常运行期间的三相同一电参数的差异指标。良好的平衡状况表现在曲线图上是一组（红、绿、黄）三根曲线的紧密拧合。

最佳工作点指的是根据某种指标（比如产量、单耗、品质或多种因素的综合指标）所评定的最期望的或最满意的矿热炉的运行状况，与电参数及炉料直接相关。在炉料不变的前提下，炉况通过电参数反映并借助电参数对矿热炉进行调整和优化，以寻求和达到最佳工作点。

平稳和平衡两个指标可以通过监测系统简单直观地监测，通过控制三根电极的插深可以方便地调节三相平衡状况。最佳工作点这个指标受矿热炉容量、设备本身状况、炉料、电参数等多种因素影响，除进行实时观测不断调整、摸索和优化外，更重要的和更有效的手段是查看历史数据或历史曲线。根据一段时间内所评定的最佳炉况出现的时间反查该时段的各种电参数，将各项实时参数与该参数进行比对并缩小二者间的差距，这是恢复或维持最佳炉况的直接手段。

矿热炉工作电参数由外因和内因决定，“炉口电压”是矿热炉工作的外因；“电极阻抗”（以每相电极的等效负载）是矿热炉工作的内因，主要受炉料、电极插深、电极电流大小影响。调平“电极阻抗”是调平电炉的内在的和基础的保证，此参数不平衡将严重影响其它电参数。

下面以本负荷监测系统在某公司运行前后的“电极阻抗”参数对比状况为例：

图1是某公司矿热炉在没有参照本负荷监测系统数据运行时电极阻抗记录曲线。可以看出：

（1） 三个电极阻抗均有较大波动，即够不平稳，局部时段波动超过10%；

（2） 三相电极阻抗曲线拧合不紧，即不够平衡，局部时段相差超过10%；

（3）在既不平稳又不平衡的状况下，无法为寻求最佳工作点提供严谨的数据支撑。

图1 未参照负荷监测系统时的电极阻抗曲线

图2为同一台矿热炉参照本负荷监测系统数据进行调节的状况。在16:30之前该炉炉况波动较大，16:20左右开始调节电极，三相参数逐渐趋于平衡，约半小时后，即17:00左右，三项参数基本平衡，17:00之后，三根线条紧密拧合且几乎无波动，操作员对电极的操作次数大幅下降，矿热炉的平稳及平衡状况令人满意。此后该公司的技术人员借助本负荷检测系统不断摸索，该矿热炉的各项指标均得到不同程度的改善，本负荷监测系统获用户高度好评。

图2 参照负荷监测系统后的电极阻抗曲线

2.2根据不同的参数操控设备以寻求最佳控制策略

矿热炉品种规格丰富，因炉型不同、容量不同、冶炼品种不同、原材料不同、补偿容量不同、运行时段不同及运行参数设置不同等诸多现实原因，对其操控理应由不同的措施，而且不同的操控策略间，定然有好坏优劣之分，这涉及到产量、电耗和冶炼产品的品质等多种技术指标，并最终表现为综合经济指标。纵观国内外矿热炉研究的相关文献，除了最常用的电极电流外，不乏有将其它电气参数作为操作依据并从理论层面进行分析研究的，比如：电极工作电压、电极有功电流、电极有功功率、电极阻抗、电极电阻等，但这依然是基于一次侧检测数据的有限度探索。受限于国内矿热炉冶炼行业现有电气测量的装备水平，矿热炉冶炼工艺工程师们难有有效的手段进行更为广泛和深入的研究，这成为一个矿热炉冶炼发展的瓶颈问题。

作为一种事实，电气参数已经被广泛地作为矿热炉冶炼的工艺参数。本系统提供了矿热炉运行过程中几乎所有的现场电气参数，让操作者时刻精准把握冶炼炉况，曲线丰富直观，操控效果一目了然，具备海量数据记录功能及极为便利的历史查询操作，对于不同的矿热炉可以通过不断的调整和比对，从而获取针对目标矿热炉的最佳操控策略。在电能占产品成本居高不下、电价不断走高以及竞争激烈的现实状况下，最佳操控策略的摸索和获取显得尤其重要。

2.3 典型案例

中钢集团吉林铁合金30000kVA的硅锰炉

该单位采用矿热炉负荷监测系统实时监测到的电极阻抗调整电极，炉况非常平稳、平衡，故障率降低，停电事故大为减少。而且低压无功补偿装置全部投入，产量稳定在较高水平，产品的品位有所上升，单耗保持稳定，达到增产节能的效果。

3结语

矿热炉负荷监测系统为用户提供了矿热炉直接参与冶炼反应的炉口各项电气参数，数据稳定可靠而且不间断数据保存。不但能协助用户更加顺利地调试投运低压补偿装置，还能帮助用户合理操控电极，实现增产节能的效果。而且还能使炉况稳定，减少故障率以及停电

事故，在安全生产的同时也为用户创造了经济效益。随着矿热炉负荷监测系统更加深入的应用探索，其效果会更加明显，也会越来越发挥更大的作用。

参考文献：

[1]赵利，负载性质对变压器外特性影响，山西工业职业技术学院，机械管理开发2004第三期

[2]焦振宇，基于炉口电气参数测量的矿热炉负荷监测系统，第21届全国铁合金学术研讨会论文集

作者简介：陈喜根，1983年出生，毕业于浙江大学电气工程及其自动化专业，现于无锡北科自动化科技有限公司担任研发部负责人。