中頻感應(yīng)加熱節(jié)能技術(shù)在鍛造生產(chǎn)線中的應(yīng)用

文／余國平，徐皓·安徽安簧機(jī)械股份有限公司

中頻感應(yīng)加熱節(jié)能技術(shù)在鍛造生產(chǎn)線中的應(yīng)用

文／余國平，徐皓·安徽安簧機(jī)械股份有限公司

余國平，副總工程師，承擔(dān)節(jié)能、重點(diǎn)新產(chǎn)品、生產(chǎn)線技術(shù)改造等6項(xiàng)國家項(xiàng)目和多項(xiàng)省市技術(shù)攻關(guān)、技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)改造項(xiàng)目，獲國家專利4項(xiàng)(其中發(fā)明專利1項(xiàng))、省科技成果獎4項(xiàng)、市級科技進(jìn)步獎3項(xiàng)。

鍛造行業(yè)作為機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，一直存在高能耗問題。中頻感應(yīng)加熱爐的控制電源是一種將工頻50Hz交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l(300～20000Hz)的電源裝置，把三相工頻交流電整流后變成直流電，再把直流電變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)的中頻電流供給電容和感應(yīng)線圈，中頻交變電流在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生高密度的磁力線并切割感應(yīng)線圈里盛放的金屬材料，在金屬材料中產(chǎn)生渦流從而產(chǎn)生大量的熱量。

中頻感應(yīng)加熱爐是一種耗電量較大的加熱設(shè)備，通過配備專用變壓器，可在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中節(jié)約電能10%左右。通過配備專用諧波治理裝置，可實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償、提高功率因數(shù)、凈化電網(wǎng)污染的目的。

降低能耗、減少污染、應(yīng)用新工藝技術(shù)、進(jìn)行裝備改造和淘汰現(xiàn)有高能耗設(shè)備是我國鍛造行業(yè)技術(shù)改造的重點(diǎn)，我公司針對鍛件坯料800kW/1000Hz中頻感應(yīng)加熱爐的高能耗問題，研究了中頻感應(yīng)加熱節(jié)能技術(shù)，并將其應(yīng)用到現(xiàn)有鍛造生產(chǎn)線的坯料加熱工序，取得了良好的效果。

節(jié)能技術(shù)方案分析

變壓節(jié)能技術(shù)

通過銅損的計(jì)算公式PCu＝I2RCut分析，電源的輸出功率是一定的，若電壓升高，則電流I就會相應(yīng)減小，而銅管的規(guī)格是不變的，即阻值RCu為恒定，故若電壓升高，銅損PCu就會下降。中頻感應(yīng)加熱爐通過配備專用變壓器，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中節(jié)約了10%左右的電能。

專用諧波治理節(jié)能技術(shù)

中頻感應(yīng)加熱爐在工作時產(chǎn)生高次諧波電流，造成電網(wǎng)母線電壓畸變，當(dāng)超過一定極限值時，電壓畸變將加劇可控硅觸發(fā)角的不對稱，使可控硅整流裝置的非正常諧波電流含量增大，導(dǎo)致電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使其絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電網(wǎng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。諧波會造成對電網(wǎng)的污染，并對所有用戶造成嚴(yán)重危害。根據(jù)國標(biāo)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》要求，此諧波必須進(jìn)行治理。

傳統(tǒng)的治理方法是裝設(shè)濾波器(交流濾波裝置)，即電抗器與電容器組成的LC串聯(lián)回路，并聯(lián)于供電系統(tǒng)中，在電網(wǎng)母線上設(shè)立數(shù)個不同諧振頻率的單調(diào)諧波支路和高通濾波支路，這樣能濾除大部分諧波。但傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置由于不能完全抵抗并消除諧波的干擾，且存在短時間內(nèi)燒保險、爆電容等安全隱患，因此不能長時間正常使用。

圖1 新型諧波治理裝置的工作原理圖

新型諧波治理裝置是由LC回路組成的調(diào)諧式無源濾波裝置，采用智能自動控制，既能治理諧波又能補(bǔ)償無功功率，并可實(shí)時綜合補(bǔ)償諧波、進(jìn)行無功電壓波動治理等。該裝置可以提高電網(wǎng)功率因數(shù)，調(diào)節(jié)穩(wěn)定電壓，提高供電質(zhì)量和供配電設(shè)備的安全性，還可降低母線電流，使用戶的線損降低，提高配電變壓器的承載效率。

新型諧波治理裝置的工作原理圖如圖1所示。

濾波參數(shù)配置見表1，535V額定電壓計(jì)算值見表2，660V額定電壓計(jì)算值見表3。

新型諧波治理裝置投入運(yùn)行后，能消除如5、7、11次等特征性諧波，濾波效果明顯，對改善中頻感應(yīng)加熱爐加熱過程中沖擊負(fù)載引起的電流沖擊、減少電壓波動、提高電壓及波形穩(wěn)定性都有明顯的作用，用電質(zhì)量得到明顯改善。中頻感應(yīng)加熱爐加熱過程中負(fù)荷有大有小，濾波裝置可分成若干組，用智能控制器根據(jù)負(fù)荷無功功率的變化自動跟蹤、快速投切，實(shí)現(xiàn)實(shí)時自動補(bǔ)償，確保運(yùn)行穩(wěn)定可靠。經(jīng)諧波治理后，功率因數(shù)從0.79最高可提高到0.95。

Aventador SVJ限量版車型以SVJ 63命名，以紀(jì)念蘭博基尼汽車的成立年份—1963年，該車全球僅限量生產(chǎn)63臺。Aventador SVJ 63搭載了擁有全新升級進(jìn)氣口和氣流通道設(shè)計(jì)的ALA 2.0系統(tǒng)，極盡擷取有關(guān)最高速度、極致動感和卓越空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)的每份靈感。強(qiáng)大的V12自然吸氣發(fā)動機(jī)，在最高轉(zhuǎn)速8500轉(zhuǎn)/分時能夠爆發(fā)出770馬力。配合四輪驅(qū)動、四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，特別配置和大量碳纖維材質(zhì)，Aventador SVJ 63將超級跑車的定義提升至全新高度。

表1 濾波參數(shù)配置

表2 535V額定電壓計(jì)算值

主要電氣元件的選擇方案分析

新型諧波治理裝置的主要元器件有濾波電容器、濾波電抗器和電容器投切開關(guān)。

濾波電容器

改造前，使用的是自愈式金屬化膜電容器。金屬化膜電容器的優(yōu)點(diǎn)是價格便宜、體積小，缺點(diǎn)是不耐過載電壓、過熱等而導(dǎo)致金屬化膜損壞。雖然金屬化膜具有較強(qiáng)的自愈功能，但自愈后電容器的容量會發(fā)生改變，這會使濾波裝置調(diào)諧頻率失諧，從而導(dǎo)致濾波效果變差，甚至還會放大諧波，引起系統(tǒng)諧振，使電網(wǎng)運(yùn)行處于不可控制的狀態(tài)。中頻感應(yīng)加熱爐在工作時會產(chǎn)生大量的5、7、11次等特征性諧波電流，5次諧波電流含量達(dá)20%～30%，7次諧波電流含量達(dá)12%～15%，11次諧波電流含量達(dá)8%～10%，而普通的自愈式金屬化膜電容器過載電流倍數(shù)低，一般在1.1～1.3倍之間，當(dāng)諧波電流過大時，電容器容易因?yàn)檫^電流而造成損壞。因此，本項(xiàng)目決定不選擇使用金屬化膜電容器，而是對現(xiàn)有生產(chǎn)線的諧波裝置進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造。

表3 660V額定電壓計(jì)算值

新型濾波電容器選用全膜介質(zhì)(雙膜)型，即二芳基乙烷浸漬的單相雙套管電容器，其過載能力更強(qiáng)，可承受2倍過載電流；電容量穩(wěn)定，在濾波裝置中能有效、穩(wěn)定地吸收諧波。應(yīng)用效果證明，該電容器性能穩(wěn)定，可靠性高。

濾波電抗器

濾波電抗器選用三相鐵芯電抗器，電抗器采用國內(nèi)先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和制作工藝來制成，由我公司設(shè)計(jì)的制作工藝技術(shù)，解決了普通鐵芯電抗器在濾波裝置中的發(fā)熱和噪聲問題，電抗器溫升在35℃左右，噪聲≤50dB，噪聲和溫升均遠(yuǎn)低于國標(biāo)中對電抗器的要求，且性能參數(shù)穩(wěn)定可靠，電抗值可調(diào)。

電容器投切開關(guān)

電容器投入時會產(chǎn)生涌流，涌流的大小與線路阻抗有關(guān)，還與電容器投入時電容器與電源間的電壓差有關(guān)。在極端的情況下，涌流可超過100倍的電容器額定電流，這會對電容器的壽命產(chǎn)生很大的影響，而且還會對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。電容器投切開關(guān)選用專用的真空接觸器，合閘涌流小，斷弧能力好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

改造前后的經(jīng)濟(jì)效益對比

改造前的2011年，鍛造生產(chǎn)線的坯料加熱工序全年用電量為2528萬千瓦時，用電費(fèi)為1997萬元。改造后的2012年的綜合效果敘述如下。

變壓節(jié)能方面

經(jīng)現(xiàn)有工藝能耗數(shù)據(jù)驗(yàn)證，通過變壓節(jié)能改造，坯料的中頻感應(yīng)加熱工序的耗電量減少了10%左右，坯料的中頻感應(yīng)加熱工序的節(jié)電量、節(jié)電費(fèi)及折合節(jié)約的標(biāo)煤為：

專用諧波治理節(jié)能方面

水利電力部、國家物價局頒布的《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》規(guī)定，以功率因數(shù)0.90為標(biāo)準(zhǔn)值的用電單位，功率因數(shù)在0.71～0.90時，每下降0.01增收用電單位當(dāng)月電費(fèi)總額的0.5%，在此區(qū)間最多可增收用電單位當(dāng)月電費(fèi)總額的9.5%。而當(dāng)功率因數(shù)大于0.90時，每上升0.01減收用電單位當(dāng)月電費(fèi)總額的0.15%(當(dāng)功率因數(shù)在0.95～1.00之間時，都統(tǒng)一減收用電單位當(dāng)月電費(fèi)總額的0.75%)，最高可減收用電單位當(dāng)月電費(fèi)總額的0.75%。鍛造生產(chǎn)線的坯料中頻感應(yīng)加熱工序年繳納電費(fèi)按1997萬元計(jì)算，改造前每個月平均的功率因數(shù)是0.79，改造后每個月平均的功率因數(shù)是0.93，則僅此部分一年便可節(jié)約費(fèi)用1997萬元×5.5%＋1997萬元×90%×0.45%＝117.92萬元。

結(jié)束語

通過以上兩項(xiàng)節(jié)能技術(shù)改造，每年新增效益317.62萬元，節(jié)電252.8萬千瓦時，折合節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤799.45t，取得了顯著的節(jié)能效果，并且滿足供電網(wǎng)安全運(yùn)行要求。