Руднотермические печи как источник реактивной мощности

 

В руднотермических печах электрическая энергия преобразуется в тепловую при прохождении электрического тока по шихтовым материалам, расплаву и частично по электрической дуге [18]. Электроды глубоко погружены в шихту, а электрическая дуга окружена шихтой или шлаком. Такая технология процесса обеспечивает в руднотермических печах достаточную стабилизацию тока в электродах и потребляемой мощности, а также отсутствие эксплуатационных коротких замыканий, вызывающих резкие броски реактивной мощности печи. Изменение электрического режима на этих печах, как правило, может происходить только периодически в связи с изменением качества шихтовых материалов или в связи с необходимостью изменения ее мощности, что вызывается стремлением регулировать мощность печи в соответствии с оптимальным графиком нагрузки энергосистемы. Ток и напряжение руднотермической печи имеют практически синусоидальную форму. Электрическая цепь руднотермической печи может быть представлена эквивалентной звездой с сосредоточенными параметрами (рис. 1.4).

 

Рис. 1.2. Схема питания руднотермической печи малой мощности

 

 

Рис. 1.3. Схема питания руднотермической печи большой мощности

 

На этой схеме приняты следующие обозначения:  - ток в электроде;  - реактивное сопротивление фазы;  - активное сопротивление участков потерь электроэнергии;  - активное сопротивление участков полезного выделения энергии;  - фаза.

Величина потребляемой реактивной мощности печи:

 

.(1.1)

 

Коэффициент мощности руднотермической печи определяется выражением [19]:

 

,(1.2)

 

где  - проводимость руднотермической печи, которая определяется из выражения:

 

, (1.3)

 

где  - среднее значение тока в электроде;  - среднее значение фазного напряжения печи;  - среднее значение полной фазной мощности печи;  - среднее значение реактивного сопротивления участков потерь электроэнергии эквивалентной схемы;  - среднее значение активного сопротивления участков потерь электроэнергии эквивалентной схемы;  и  - постоянные, характеризующие связь между полезным напряжением  и полезной мощностью печи  в выражении:

 

. (1.4)

 

Рис. 1.4. Эквивалентная схема электропечного контура

 

В [19, 20] показано, что величина  может колебаться для различных продуктов от 0,25 до 0,33. В этих же работах приведены результаты статистической обработки данных эксплуатации руднотермических печей, из которых получены средние значения  и . Для таких продуктов, как ферросплавы, чугун, карбид кальция, силикоалюминий, величины  и  таковы, что параметры  мощных печей имеют относительно большие величины, определяющие низкие значения . Для фосфорных печей, отдельных ферросплавных печей (феррохромовых и др.) и печей цветной металлургии значение  значительно меньше, и их коэффициенты мощности составляют величину 0,92 - 0,97.

По мере увеличения мощности печей, как следует из анализа выражения (1.3), величина  растет, что вызывает уменьшение их коэффициента мощности. Чтобы поддержать  мощных печей в требуемых пределах, необходимо соответственно уменьшить величину эквивалентного реактивного сопротивления фазы.

В работе [21] на основании изучения параметров действующих печей и специальных исследований на физических моделях коротких сетей показано, что даже применение наилучших схем и конструкций токопроводов не позволяет получить значения реактивных сопротивлений, обеспечивающих удовлетворительные значения cos j. Это объясняется в первую очередь тем, что увеличение числа проводников в фазе короткой сети сверх определенного значения не приводит к существенному уменьшению реактивного сопротивления печной установки вследствие так называемого внешнего скинэффекта (неравномерного распределения тока по отдельным проводникам короткой сети). В то же время значительную часть (40 - 60%) реактивного сопротивления составляют сопротивления электрододержателей, электродов и ванны печи, которые практически нельзя менять без нарушения нормального технологического процесса.

В диапазоне мощностей 7,5 - 30 МВ∙А конструкторам удавалось по мере роста мощности печи уменьшать реактивное сопротивление. Однако при увеличении мощности печей более 30 - 40 МВ∙А его величина приближается к предельному значению и остается постоянной и равной 0,75 - 0,8 мОм. Невозможность уменьшения реактивного сопротивления неизбежно приводит к уменьшению значения коэффициента мощности по мере укрупнения руднотермических печей.