第３５卷（２０１３）第２期 柴油机 Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ ………～１ ｛系统与附件； ……。。 电弧炉炼钢配套发电机组容量选择 林坚树 （宁波中策动力机电集团有限公司，浙江宁波３１５０３２） 摘要：针对柴油发电机组电站用于电弧炉炼钢配套，采用不同的计算方法，对电站装机容量及 单机功率进行了计算和验证，得出了合理的装机容量配置。实际应用表明：所配置的发电机组电 站在满足电弧炉炼钢需求的同时，投资和效益优化。 关键词：柴油机发电机组；电站；电弧炉；负载 中图分类号：ＴＭ３１４ ．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—４３５７（２０１３）０２—００３９—０４ Ｃａｐａｃｉｔｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｒｃ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ｓｅｔｓ Ｌｉｎ Ｊｉａｎｓｈｕ （Ｎｉｎｇｂｏ Ｃ．Ｓ．Ｉ．Ｐｏｗｅｒ＆Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｎｉｎｇｂｏ ３ １５０３２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｄｉｅｓｅｌ ｇｅｎｓｅｔｓ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ， ｖａｒｉｅｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ’Ｓ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ ｇｅｎｓｅｔ ｐｏｗｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｅｎｓｅｔｓ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｃａｎ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ，ａｎｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｎｃｏｍｅ ｒａｔｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｇｅｎｓｅｔｓ；ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ；ｌｏａｄ Ｏ 引 言 在非洲．特别是一些已有初步工业基础的国家。 相对较小的电网，会对电网和其他负载产生不利影 响，主要有：无功冲击及闪变；三相负荷不平衡； 产生谐波电流。对于由柴油发电机组组成的电站， 由于当地的发电设备不完备，电力供应不能做到稳 定可靠，柴油发电机组一直是作为电力能源的补充。 也有一些有实力的企业财团，为了企业生产正常运 转，自建电站。公司自二十世纪九十年代末，致力 于柴油发电机组和整套电站建设，针对各种不同的 用电需要，在电站容量和发电机组规格选择方面， 积累了较多实际经验。本文结合实例，介绍柴油发 电机组在电弧炉炼钢设备上的配套容量选择。 柴油发电机组电站用于电弧炉炼钢，与电站应 电弧炉的不稳定负载对发电机组是一个极大的考 验，一个有限容量的电站，既要保证电弧炉炼钢正 常运行，还要保证炼钢所需要的外围辅助设备的运 行，及其他生产、办公、生活用电。因此，在电站 容量及单机容量的选择上，要做到既不追求冗余功 率，又能使发电设备得到充分利用，以较少的备份 得到最优的配置。 １ 技术方案 在实际的电站容量计算过程中，选用三种不同 的计算方式及一种验算方法。即：（１）按冲击容量 用于其他领域有所不同，最大的特点是负载变化幅 度大。冲击负载变化频繁。大功率电弧炉接在容量 收稿１３期：２０１２４）８—１５；修回日期：２０１３－０１—１１ 作者简介：林坚树（１９５９－），男，工程师，主要研究方向为柴油发电机组设计及控制，Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｎｊｉａｎｓｈｕ＠ｎｉｎｇｄｏｎｇ．ｃｏｎ。 柴油机 第３５卷第２期 小于４０％，（２）按电弧炉的短路电流为额定电流的 三倍，（３）按主变压器容量与电炉变压器容量比的 关系进行计算；以短路容量进行验算。以下以实际 案例说明计算过程。 非洲某公司准备在原有的基础上增加炼钢能 力，拟建一台２０ｔ电弧炉。由于当地实际供电能力 不足，考虑自建一座电站。根据部分已知数据．对 该座电站的设计容量进行初步测算。 １．１ 部分已知数据 原电弧炉及新电弧炉部分参数见表１。 表１ 原电弧炉及新电弧炉部分参数 参数 新电弧炉 原电弧炉 限流电抗器容量／Ｍｖａｒ ０．４５ 限流电抗器额定电流／ｋＶ ０．５２５ 电弧炉变压器容量／ＭＶＡ １０ ８ 电弧炉变压器一次电压／ｋＶ ｌｌ １１ 电弧炉变压器二次电压范围／ｋＶ ０．１７～０．３ ０．１２７～０．２９ 电弧炉变压器短路电抗 １０％ ｌ０．０２％ 短网阻抗／１２ ２．５Ｘ１０Ｉｊ 补偿前功率因素估计值 ０．８ １．２ 负荷计算 电弧炉实际电流变化曲线见图１。电弧炉工作 电流统计（高压侧）：最大电流， ＝７６６Ａ（取３点 平均值）；最小电流， ＝３３０ Ａ（取３点平均值）； 工作电流， ＝４４０ Ａ（取稳定平均值）。 与电弧炉配套的负载设备由以下组合： 炼钢系统：除尘电机，交流３９１ ｋＷ：除尘电 机，直流ｌ ０００ ＨＰ（７３５ ｋＷ）；３．３ ｋＶ空压机 ５００ ｋＷ；空压机２００ ｋＷ；氧压机１１０ ｋＷ。以上为 １＃变压器所带的负荷，均为２４ ｈ连续运行设备， 合计负荷为１ ９３６ ｋＷ。 其它回路上负荷：２＃变压器带的负荷：轧钢生 产线负荷６００ ｋＷ，预计增加到２ ０００ ｋＷ；３＃变压 器带的负荷：最大负荷２ ５００ ｋＷ，预计增加到 ４ ０００ ｋＷ。 负荷合计：Ｐ＝１ ９３６＋２ ０００＋４ ０００￣－－８ ０００（ｋＷ） ／、 Ｉ ＾ ｌ／／ 、 ＼／ ｌ、 ／ ｙ＼ Ａ ｆ、 ／＼ ｜Ｖ ， 、／ ／、 ｆ ＼ ／ ＼， Ｊ 图１ １．３运行目标 发电机组以并联组网方式向电弧炉及附属设备 供电，在运行中，能适应电弧炉的电流冲击，突加 负荷、突减负荷控制在机组容量的４０％以内：电 弧炉的最大电流（短路电流）应与机组额定电流相 当：发电机组短路容量大于电弧炉变压器的短路容 量。 １．４发电机组容量配置测算 发电机组容量配置以下述三种不同方法进行测 算。 （１）按冲击容量小于４０％考虑 根据ＧＢ／Ｔ ２８２０．５—２００９《往复式内燃机驱动 的交流发电机组第五部分交流发电机组》中的 ９．４“负载接受”及ＧＢ／Ｔ２０１３６—２００６《内燃机电 站通用试验方法》试验项目４１０．６，公司的Ｇ３００ 系列柴油机驱动的发电机组最大容许突加负载为机 组额定容量的５０％。对于电弧炉这类负载，运行 中需长期经受突加、突减负载的冲击，为保证机组 性能，适当降低突加极限负载值。约定：４０％的突 加负载既能发挥机组的性能．又适应柴油发电机组 运行特点，不至于影响机组运行质量。 由图１计算得：８ＭＷ的电弧炉冲击电流为 ， ｉｌ＝，～＝……７６６—３３０＝４３６ Ａ 考虑以最大电弧炉的冲击电流为测算对象，按比例 折算１０ＭＷ电弧炉的冲击电流增加１．２５倍 ，ｑ２＝１．２５，ｑ１＝１．２５￣４３６＝５４５ Ａ 按机组工作电流的４０％为冲击电流计算，机组的 计算工作电流 为 ， ＝， ＋４０％＝５４５÷０．４＝１ ３６２ Ａ 折算为发电机组计算工作容量５ 为 Ｓ， ＝４３ ，， ＝４３×１１×１ ３６２＝２５ ９５０（ｋＶＡ） 发电机组运行负荷控制在７０％，并折算功率因数 为０．８，得到机组配置容量Ｐ 应为 Ｐ。＝Ｓｊ。×ｅ０ｓ ÷７０％＝２５ ９５８×０．８÷７０％＝ ２９ ６６６—３０ ０００（ｋＷ） 即发电机组配置的容量约为３０ＭＷ。 从负载的构成分析：电弧炉的总负荷由基本稳 定负荷和动态冲击负荷组成，加上其它辅助设备、 轧钢设备和其它生产负荷，其合计值即为发电机组 的负荷。计算如下： 电弧炉的基本稳定负荷 ５ｊ＝ ＝ ×１１ｘ４４０￣８ ３８０（ｋＶＡ） 电弧炉的动态冲击负荷 Ｓ ＝ ｉ２＝ ×１１ ｘ５４５ １０ ３８０（ｋＶＡ） 林坚树：电弧炉炼钢配套发电机组容量选择 其它稳定负荷 Ｓ Ｉ＝（１ ９３６＋２ ０００＋４ ０００）÷０．８ ８ Ｏ００ｘＯ．８＝ １０ ０００（ｋＶＡ） 合计 Ｓ＝Ｓｊ ｉ ｗｄ：８ ３８０＋１０ ３８０＋１０ ０００＝２８ ７６０（ｋＶＡ） 按功率因数０．８折算，发电机组功率 Ｐ＝Ｓｘｃｏｓ ＝２８ ７６０ｘ０．８ ２３ ０００ ｆ ｋＷ） 实际运行时冲击负荷所占的比例为 誓×１００％＝ ×１００％＿３６％ 冲击比例小于设定的４０％。 冲击负荷占发电机组容量的比例为 Ｐｃｊ×１００％＝ ×１００％＝２７．７％ 同样，冲击比例小于设定的４０％。 （２）以电弧炉的短路电流为额定电流的三倍并 加上其它负荷计算发电机组容量配置 电弧炉的短路电流为额定电流的三倍是由电弧 炉配置所决定的。目前国内的电弧炉与主变压器之 间装有一台固定电抗器，目的就是为了防止出现直 接短路，短路电流。电弧炉在熔化期，电流变 化很大且随机出现短路（即闪变现象，此时功率因 数不高），为大电流对网络的冲击，设计时已 经考虑到将电弧炉短路电流为额定电流的三 倍，即机组要适应三倍额定电流的冲击。 由图１得到电弧炉工作电流， ＝４４０ Ａ（取稳定 平均值） ，ｄ＝３ｘｌｅ＝３ｘ４４０＝１ ３２０Ａ 折算为电弧炉供电容量５ 为 Ｓｄｈ＝．／３ ＵＩｄ＝，／５ｘｌ１Ｘ１ ３２０＝２５ １４９（ｋＶＡ） 其它稳定负荷 Ｓ ｄ＝（１ ９３６＋２ ０００＋４ ０００）÷０．８ ８ ０００ｘ０．８＝ １０ ０００（ｋＶＡ） 合计容量为 Ｓ＝Ｓｄｈ＋Ｓ ｄ＝２５ １４９＋１０ ０００＝３５ １４９（ｋＶＡ） 换算为发电机组容量为 Ｐ＝Ｓｘｃｏｓｑ）＝３５ １４９ｘ０．８＝２８ １２０ ｆ ｋＷ） 即发电机组配置功率约２８ ＭＷ左右。 （３）按主变压器容量为电炉变压器容量２．５ 倍 ］并加上其它负荷计算发电机组容量配置 原电弧炉变压器容量Ｓ ＝８ ＭＶＡ，新电弧炉变 压器容量Ｓ ＝１０ ＭＶＡ，合计电弧炉变压器容量Ｓ ＝ ｓ｜ ｌ＋Ｓｒ２：８＋１Ｏ＝１８ ＭＶＡ。供电配置容量Ｓｄｈ为 Ｓｄｈ＝２．５ｘＳｒ＝２．５Ｘ１８＝４５（ＭＶＡ） 折算为发电机组功率为 Ｐ＝Ｓｘｃｏｓ ＝４５ｘ０．８＝３６（ＭＷ） 由于二台电弧炉错时运行，即使同时运行，冶 炼阶段也不重叠，所以本计算方法余量很大。 （４）以短路容量验算 短路容量验算目的是验算在用电设备发生最严 重短路故障时．供电设备是否因过热或受电动力作 用而遭到损坏。 电炉变压器的短路容量估算：在有限网络中按 简单折算法，短路容量为额定容量与短路比的比 值．即 １ｎ ５ｄ ００（ＭＶＡ） 由于有串联电抗器的存在．实际短路容量要小于计 算值。若采用２ ０００ｋＷ的发电机组，当纵轴电抗 Ｘ ＝０．９９３ ０２，发电机电压 ＝１１ ｋＶ，其单台的短 路容量Ｓ 为： ｒｒ２ １ １ ２ Ｓｄｆ－－ ２１（ＭＶＡ） 若电站由１５台２ ＭＷ发电机组成，总短路容量为 Ｓ ｄ＝∑Ｓ ：１５ｘ１２１ １ ８００（ＭＶＡ） Ｓ 远大于Ｓ ，足够满足短路容量要求。 根据上述计算得到三种不同的结果，即： （１）按冲击容量考虑，电站的配置容量Ｐ＝ ３０ ＭＷ；（２）按电弧炉的短路电流考虑，电站的 配置容量Ｐ＝２８ ＭＷ；（３）以主变压器容量为参 考，电站的配置容量Ｐ＝３６ ＭＷ。其中，主变压 器容量为电炉变压器容量２．５倍的配置，是比较 宽松的，应视为总安装容量的上限。实际容量应 该在２８～３０ ＭＷ之间，取３０ ＭＷ比较合理。考虑 备用机组２～３台（检修维护时补充），则总装机 容量为３４ ＭＷ较合理，即２ ＭＷ １ １ ｋＶ发电机组 １７台为宜。电站的发电机组选择公司的２０００ＧＦ８ 系列２ ＭＷ １１ ｋＶ ５０ Ｈｚ重油型柴油发电机组。在 电弧炉炼钢时，按实际需要投入３０ ＭＷ；在平 时，根据实际负载有选择地开启机组，减少损 耗。采用２ ＭＷ单机容量的发电机组，可更灵活 地组合运行台数，控制每台机组均能处于最佳的 负荷率，提高燃油的经济性。 ２实际使用效果 采用三种不同的计算方式．同时兼顾柴油发电 机的能力、电弧炉的特性及参考变压器的容量配 置，得出互相都能兼顾的总装机容量。电站设备试 运行时，对机组的性能进行了测试。电弧炉工作在 融化期，电极电流波动极大，相当于发电机组在重 柴油机 第３５卷第２期 复突加负载和突减负载，为此选取最初的电极电弧 启动作为类似突加负载；在断弧阶段作为类似突减 负载；电弧炉处于精炼期，作为稳态负载。测定的 结果如下。 入精炼期负载明显下降，退出多余机组，正常只要 保持８～１０台机组运行，稳态性能非常突出。 ３ 结 论 综上所述，针对柴油发电机组电站用于电弧炉 突加负载时，瞬态频率调整率为一８％、瞬态 电压调整率为一１０％；突减负载时，瞬态频率调整 率为１０％、瞬态电压调整率为１０％。稳态性能方 面，由于采用了电子调速器．处于有差运行模式时 可以随意控制调速率在０～２％之间，无差运行模 式完全做到恒频；稳态电压调整率在０．５％，频率 和电压波动率均在０．２％以内。多台并联运行时， 炼钢配套，根据具体需求和负载情况，采用不同的 计算方法，得出了合理的装机容量。实际应用表 明：所配置的装机容量完全满足生产需求，且投资 效益优化。 参考文献 ［１］俞有为．电弧炉的工作特性及对电网的影响［Ｊ］． 电力，２００２（１）． 有功负载不平衡Ａｐ仅为５～１０ ｋＷ。在电弧炉和辅 助设备开机运行下，融化期由于电极电弧不稳定． 负载波动大，ｌ４台机组并联运行，提供２８ ＭＷ供 电能力，最大负载达到１００％，持续时间较短；进 ［２］梁正敏．高阻抗电弧炉的供电电路［Ｊ］．电源技术应片ｊ， ２００５（９）． （上接第２５页） ４ 结论 在新泻８ＰＡ５型柴油机曲轴连杆组件动态仿真 的基础上，得到一个完整Ｔ作循环内连杆受到的交 变载荷，以该载荷作为有限元分析的力学边界条 参考文献 ［１］林建生，张宝欢，付伟成，等．一种新型多杆内燃机的机 构运动学与动力学的虚拟仿真研究『Ｊ］．内燃机学报， ２００６，２４（６）：５６５—５６８． ［２］张云侠，申立中，毕玉华，等．有限元模型在发动机上的 应用［Ｊ］．昆明理Ｔ大学学报，２００１，２６（３）：４３—４６． 件，建立连杆有限元模型进行了有限元分析。该模 型考虑了连杆螺栓的预紧力，并通过与预紧工况下 ［３］ＧＢ／Ｔ ２２８—２００２，金属材料室温拉伸试验方法［Ｓ］． ［４］周芝庭，冯建芬，谷春笑．基于ＡＢＡＱＵＳ螺栓接头的接 实测的应变值进行对比验证了模型了正确性。最后 基于有限元分析结果，采用Ｓ－Ｎ法计算了连杆切口 触有限元分析［Ｊ］．金陵科技学院学报，２００８，２４（４）：９ ｌ２． 部位的疲劳寿命。由于在齿形处存在比较严重的应 力集中，导致局部尤其是齿根处的寿命较低，建议 在运行１２ ０００～２４ ０００ ｈ后就应注意疲劳裂纹的 检查 ［５］Ｈｅｙｅｓ Ｐ Ｊ．基于有限元的疲劳设计分析系统ＭＳＣ／ＦＡ— ＴＩＧＵＥ［Ｊ］．中国机械工程，１９９８，９（１１）：１２一ｌ６． ［６］谢里阳，林，徐源，等．复杂载荷情况下平均应力修 正方法［Ｊ］．航空学报，１９９３，１４（１２）：６３９—６４１．
