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ABB变压器在钢铁工业中的应用

作者:lisa | 时间:2020-03-11 17:38:04

ABB变压器在钢铁工业中的应用

钢铁行业作为高能耗、高物耗、高污染的典型“三高”产业,将先进的电炉变压器用到炼钢工艺中,是实现增效节能的很好解决方案。ABB针对炼钢工艺的特殊要求专门开发了具有高能效高可靠性的大功率和超大功率电炉变压器,可为整个炼钢工序提供可靠能源保证。本文主要介绍ABB变压器的特点及在炼钢工艺中的应用。

钢铁行业是高能耗、高物耗、高污染的典型“三高”产业之一,资源消耗过大、环境污染严重、资源运输供给不足等问题成为钢铁行业发展的瓶颈,严重制约钢铁行业的发展。如何突破该瓶颈成为当代钢铁人员面临的主要课题。

增效节能是ABB的核心业务,针对钢铁行业目前面临的瓶颈问题,ABB给出了有效可行的解决方案:将其成熟的变压器技术应用到钢铁生产工艺中,利用电弧热效应来冶炼钢铁——常见的炉炼变压器有EAF(电弧炉)和LF(精炼炉)两种。这种冶炼方式比较耗电,但可彻底解决能源运输问题,同时减少CO2和其它废气废水的排放,降低能耗。

图 1 钢铁冶炼现场

电炉变压器是电炉冶炼工艺的关键部件之一,是整个工艺流程的能源节点,其作用是将电网提供的高压电转换成可控可调节的低压电供给熔炼炉电极使用:变压器的高压套管与电网连接,低压通过U型铜管或铜排经二次短网和熔炼炉的电极连接。

通过控制变压器的有载调压开关来调节熔炼炉电极的电流,满足炼钢的需要,图2是一个常用的电炉冶炼工艺流程布置图。电炉变压器都配备有高性能的有载调压开关,由于其切换频繁,触头拉弧现象经常发生,开关内变压器油污染严重,所以开关在线滤油机也是必备的。电炉变压器较常规电力变压器有以下几个特点:

图2 冶炼工艺布置图

1、频繁励磁:常规电力变压器是稳压运行,一年半载不断一次电;电炉变压器根据熔炼工艺要求,每天少则调压断电几十次多则几百次,变压器的每次合闸都会对其铁芯和线圈造成极大的冲击,这就要求设计时须充分核算变压器的涌流及抗短路力。

2、运行环境恶劣:电炉变压器通常放置在钢厂或铝厂的冶炼炉附近,那里不仅温度高粉尘大,而且空气中还含有大量的腐蚀性化学物质,这就要求设计时充分考虑变压器及其附件的选材,避免变压器被腐蚀而出现漏油甚至更大意想不到的问题

图3 ABB 超高功率电炉变压器

3、低压电流大:对于电炉变压器来说,几万安培的电流算是很普通的,这么大的电流,在其周围会产生一个相当大的交变磁场,极易在其附近的金属结构件中产生涡流损耗甚至产生热点,ABB通常使用fiberglass板和无磁钢板来代替常规的铁结构件以减少涡流损耗同时避免出现热点。

ABB电炉变压器和整流变压器占全球工业市场份额超过四分之一,过去五年中,ABB向中国钢铁客户提供了超过25台工业变压器,中山ABB还为国外钢铁公司提供5台电炉变压器。ABB变压器在价格方面同竞争对手相比并不占优势,但其在运行稳定性、可靠性、寿命、温升控制、抗短路能力、节能效率等方面优势相当突出。

这源于ABB变压器先进的设计工艺理念,强大的分析模拟平台,合理的结构布置。下面以HSSPZ-45000/35系列电炉变为例,简述一下ABB变压器的独特结构:

抗短路能力方面

为了使变压器拥有超强抗短路能力,首先,由于变压器内线圈在短路时会受到相当大的幅向应力,因此ABB在内线圈设计时,采用线圈自支撑理念,尽量选用大应力大尺寸的自粘换位导线来增大其抗短路能力。其次,ABB在线圈结构布置中使其机械和电气中心重合,安匝沿轴向均布来保证安匝平衡,减少幅向漏磁量,有效控制线圈的轴向短路力。第三,ABB采用优质高密绝缘件,保证线圈预压力大于短路临界失稳力, 有效控制在动态短路条件下出现线圈沿轴向松散的情况。

图 4 抗短路能力不足产生的严重后果

温升控制方面

ABB采用了一系列的措施来保证温升限值及防止热点出现:首先,为增大铁心有效散热面,降低温升,ABB采用独特的铁心油道设计方案--万向油道。其次,ABB的设计软件能准确计算出铁心不同区域的热点温升和损耗分布,并以此为依据优化铁心油道放置。第三,在线圈结构方面,ABB采用“Z”型冷却回路,避免出现冷却死角。第四,用三维有限元分析软件INFOLYTICA对变压器进行热点分析,防止出现局部过热。第五, 在变压器整体冷却方面,ABB可准确模拟其温度场分布,并按其来布置冷却回路,合理选取进出油口和冷却方式,电炉变压器通常使用强油水冷OFWF。

图 5 电炉变压器冷却系统

图 6 温度场模拟分析

噪音控制方面

首先ABB选用低噪音硅钢片,并合理选用铁芯搭接方式,减少内部电磁噪音。其次,使用独特的铁芯夹紧结构,避免器身松动。第三,使用专门的核算程序计算油箱尺寸,避免油箱发生共振。第五,采用独特的磁屏蔽结构,减少噪音传递及辐射。

图 7 共振核算程序

ABB变压器除了上述结构特点外,它在能效和外部结构方面也采取了很多有效的措施来保证变压器的整体性能。对变压器而言,原则性的理论都一样,材料决定性能的大方向,细节设计往往是性能保证的关键。

图 8 ABB工业变压器组

结语

ABB强大的技术优势得益于其统一设计软件,统一技术平台,全球资源共享。ABB所有设计方案都出于有依据的分析而不是凭空想象或完全由经验得来,这是ABB的工作模式,也是ABB的技术根基。

(本文选编自《电气技术》,作者吴永仁。)

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