中国工业合作协会机房技术专业委员会                  
                            北京工翔科技有限公司
  
玻璃池窑中电助熔供电方案论述                 夏玉森

一、前言

这几年随着我国能源结构的调整,安全、节能成为越来越重要的生产方式。在此基础上电助熔技术在玻璃熔制工艺中的优势,被整个玻璃行业所认可,特别是在窑炉改造过程中。因为电助熔工艺,在玻璃熔化时能提高玻璃熔化率,减少废气在生产过程中的产生和排放,有利于环境的保护,有助于企业节能降耗,减少生产成本,提高经济效益和生产效率。

二、电助熔原理简述

玻璃导电基本原理:当玻璃被加热时,其导电性能随着温度的升高而明显增强,将电极插入玻璃窑池中,电能将通过电极导入玻璃液体,使玻璃被加热及熔融。

玻璃的熔化是保证正常生产的关键,供电是提供热量的前提。电助熔供电在以往的玻璃厂供配电设计中,只把高压或低压电源送至系统的供电点,然后由设备厂家或玻璃生产企业自行完成,但随着老玻璃厂项目改造及做总承包项目对设计深度的提高的要求,完成电助熔供电设计成为当前形势的迫切要求。

三、电助熔系统设计概述

1、电助熔供电调压变压器

电助熔供电系统设计是通过控制供电电流和供电电压,调节输入功率来实现的,附图一为几种电助熔调压变压器基本方案

当电能通过电极导入玻璃时,在玻璃被加热及熔融时,因为玻璃是从冷态到热态变化的,因此其电阻是变化的,当玻璃本体温度较低时电阻率较高,如此时电压跟不上变化,电流就会较小,此时玻璃的温度就更低,因此当玻璃温度降低时,立即升高工作电压,通过电极输入玻璃的功率将随之升高,使玻璃的温度降不下来,因此对电助熔钼电极配电的变压器,应具有调节电压的功能。

无载抽头调压变压器(见附图一 中的图A)

抽头调压变压器为有级调压,可以是一次抽头,也可以是二次抽头。大多采用有载电动调节,也可以是无载手动调节。抽头调节装置是该变压器的重点。

该方案优点是:设备简单,投资少、功率因数高,占地较少,节省投资。缺点是:该方案为有级调节,不易实现较好的自动控制,维护量大,比较适合于要求不高的电助熔窑池。

磁性电抗调压变压器(见附图一 中的图B)

本方案采用饱和电抗器串、并联在主变压器的一次侧,利用直流励磁改变电抗器的饱和程度,从而改变变压器一次侧的受电电压,达到连续、平稳调压的目的。

本方案的优点是:调压连续稳定。缺点是:功率因数比较小,有二次谐波。

晶闸管调压器(见附图一 中的图C)

该方案即可控硅调节装置。采用晶闸管调节控制电助熔变压器一次侧。该方案目前在小功率玻璃电助熔与电料道中广泛采用。

本方案的优点是:调压无级连续,调压范围宽,体积小,效率高,造价较低。缺点是功率因数较低,抗电网冲击差,有高次谐波。

晶闸管串并联开关调压器(见附图一 中的图D)

该装置在变压器二次侧出线处用三对晶闸管组成一个串并联电路,直接对钼电极供电,装置可以是三相供电或是单相供电。晶闸管通过移相触发或是过零触发。

本方案的优点是:调节电压无级连续,调压范围宽,装置体积小,效率高,功率因数较高。缺点是:该设备目前需要进口,设备造价较高,维护备件不足,对电源电网有一定的污染。

带载无级调压变压器(见附图一 中的图E)

变压器为采用带载无级调压变压器,该变压器调压原理与抽头调压是一样的,是通过变压器自身结构改造,使其二次侧无级调压。该变压器制造成本比较高,目前主要靠进口。可以做成单相、三相。三相变压器可以是三个单相分别调节,也可以同步调节,功率在30kVA~3000KVA,电压380V~35kV,电流5kA~10kA。作为玻璃电熔窑池大功率调压设备是一个较好的方案。

本方案优点是:调压无级连续,调压范围宽,功率因数较高,无谐波干扰。缺点是该设备目前需要进口,造价较高。

综上所述以前普遍采用的磁性调压变压器, 通过改变电抗调节输入功率,调压无级连续,但功率因数比较小,转换效率较低。

选择变压器抽头用作粗调再以晶闸管移相实现微调,可以实现无级调压,并且可提高转换效率,是目前比较好且被广泛采用的方案。而带载无级调压变压器、晶闸管及串并联开关调节形式提高了控制技术水平,弥补了传统技术的操作不便之处,但设备目前需要进口,造价较高。

2、电助熔供电变压器容量的选择

电助熔用电量由以下几点确定

A、满足生产所需增加的玻璃量

B、配合料熔化所需的理论热量

C、利用电助熔增加的池窑出料量占整个窑池出料量的百分比

综合上述因素确定电助熔的用电总量,进而确定变压器的容量。

根据目前掌握的数据,在窑池电助熔改造过程中,根据生产不同的玻璃的需要,每多生产一吨玻璃耗电25~30kW,考虑电助熔变压器输出效率(~0.8),功率因数(0.9),可初步计算出用电助熔,每增加一吨玻璃需要变压器容量(25~30)/ (0.8*0.9)= 35~42kVA。

例如:某企业计划用电助熔技术改造窑炉,日产瓶罐玻璃增加25T,则需要选用变压器容量如下:

瓶罐玻璃单位耗电:28kW

计算变压器容量=25*[28/ (0.8*0.9)]=972kVA。

此时可选用1000kVA变压器。

四、电助熔设计实例

1、项目概况

a.玻璃生产工艺过程:配料、熔制、成型、退火。这个生产过程具有耗能高、工艺复杂、批量大、生产连续强的特点。并需要一系列配套的工程支持:如窑炉的燃烧系统、助燃系统、冷却系统、退火炉系统、压缩空气系统、给水、排水等。而其中窑炉的燃烧、助燃、冷却系统中设备, 为特别重要设备,一旦因故障停电,窑炉温度将下降,降至一定温度,整个窑炉将报废。给企业带来重大损失,还有可能造成重大安全事故。因此保证重要设备供电尤为重要。

考虑玻璃厂连续生产的特点,玻璃厂的一般生产及配套设备,负荷等级为二级负荷,部分特别重要设备如助燃风机、燃烧风机、冷却风机等为一级负荷。

b.天津奥联玻璃有限公司玻璃熔窑技改工程,为去年我部接手的总承包项目,该厂为90年代建成,以生产瓶罐玻璃为主,去年由美国OI玻璃公司收购后,对该厂窑炉进行电助熔改造,预期高效、环保的提高玻璃产量。

附图二 窑炉底部钼电极布置图

图中电极布置均为熔化池底部插入,分为三组,每组为四根钼电极。

该电助熔系统供电选用一台进口ABB公司生产的油浸抽头调压变压器,变压器容量为1000kVA,一次侧为10kV进线,二次侧电压为80~160V采用十七档可调,工作电流为2083~3000A。参见附图三 高压抽头、低压钼电极接线见示意图

2、变电所设置

因受现场条件限制,电助熔变电所为附设式10kV变电所,紧邻原车间外侧,内设变压器室,高压配电室,通过全封闭铜铝复合母线将低压线路直接引入窑炉钼电极。建议电助熔变电所靠近窑炉旁设。以便尽量减少低压供电距离。

3、高压系统配置

本厂原建有35/10KV高压配电室,由高压配电室引一路高压电源到电助熔变电所,保护电助熔变压器高压开关柜采用环网柜,内设高压负荷开关—熔断器组合电器,加高压接触器,熔断器作为系统短路、过负荷保护,因工艺生产要求,高压侧需频繁接通、分断电路,因此接触器利于做为高压一次侧起停用,同时也利于总控室远程操作。同时变压器温度保护,瓦斯保护接在高压接触器二次控制回路,对变压器进行保护。一次系统配电接线见附图四

 

因引至电助熔高压电缆,为该厂原有一路10kV高压电缆,10KV高压电缆过电流,速断保护由原高压断路器提供保护。

图中电压互感器为三相五柱式,二次星形绕组为测量仪表及继电保护提供电压,二次侧开口三角形绕组,两端并联两个120欧母电阻,以增大回路阻尼作用,防止谐振发生。因为当系统发生单相接地,或变压器向母线供电时,电压互感器的电感与母线和线路的电容可能构成振荡回路,引起过电压,使高压熔断器熔断,甚至将电压互感器烧毁。

为保证高压负荷开关—熔断器组合电器与对保护变压器正确配合,需对高压负荷开关 —熔断器组合电器进行转移电流校验。

额定转移电流:当采用撞击器操作负荷开关分闸时,在熔断器与高压负荷开关转换开断职能时的三相对称电流,为组合电器的额定转移电流。

高压负荷开关—熔断器组合电器实际转移电流,应按下式校验 :      Ir.zx≤ Ic.zy< Ir.zy  

Ir.zx  熔断器的额定最小开断电流,A 。 为1.3~3熔断器额定电流(或由设备厂提供)。

Ic.zy  计算的实际转移电流, A。

Ir.zy   负荷开关—熔断器组合电器的额定转移电流,A 。由设备厂家提供。

当用负荷开关—熔断器组合电器保护变压器时,当变压器二次侧端子直接短路时,变压器一次侧故障电流应由高压熔断器切断,不能由负荷开关开断,因此实际转移电流还应满足:

Ic.zy<Isc

Isc为变压器二次侧直接短路时一次侧故障电流,  A 。

实际转移电流确定,对于给定用途的组合电器,实际转移电流可由设备厂提供。也可以根据熔断器触发负荷开关的分闸时间在熔断器的时间—电流特性曲线上查出。熔断器触发负荷开关分闸时间为To

               Tm1=0.9To

Tm1: 三相故障电流时首先动作的熔断器在最小时间—电流特性曲线上的熔断时间。Tm1对应的电流值为实际转移电流。

因此实际转移电流小于额定转移电流,大于熔断器最小开断电流,小于变压器二次侧直接短路时一次侧故障电流,能保证负荷开关—熔断器组合电器使用安全。

4、低压系统配置

由变压器低压侧引至钼电极接线如下图:(附图五 钼电极低压配电接线图〕

因引至钼电极的低压电流很大,一般为几千安培,故设计考虑采用金属全封闭铜铝复合母排做为其连接线,该产品表面接触性能和抗腐蚀能力与铜排相同,由于趋肤效应的影响,导电率比铝排大的多,重量及价格比铜排低,即保证了大电流的输送又节约了投资成本。

系统中变压器低压三组线圈引出六排母线,分别带三组钼电极。母排与钼电极的连接处考虑采用软编织带或软电缆连接。利于钼电极调节,软编织带用塑料套管保护。

铜铝复合母排布置在窑炉钢平台下面,并在上方做耐高温隔离板,以防止上方钼电极口向外溢料,威胁母排运行安全。

现场钼电极系统电流及电压工作值如下:(附表一 钼电极系统工作电参数)

五、结论

综上所述,对玻璃瓶罐厂电助熔供电,可采用抽头式调压变压器,尽量靠近窑炉布置。变压器保护采用负荷开关—熔断器组合电器,高压接触器用于主回路分合。由变压器低压引出铜铝复合母排及软编织带接至钼电极。

目前在玻璃窑炉中通过电助熔方式提高熔化率和玻璃质量,降低生产成本,提高企业生产效率,减少环境污染的方法正方兴未艾。

国内有不少玻璃生产企业有意请我部从事玻璃窑池电助熔的设计改造、项目总承包及项目管理的要求。这将对我部提高在目前国内的玻璃生产企业中的设计、设计改造份额,有很大帮助。这就需要我们对电助熔的相关技术,设计有比较深刻的认识和理解,拿的出让业主满意的优秀的设计质量,超前的设计方法。