撰稿人：ABB 高级产品经理 Falk Scheinhardt
大量工业设施依靠化石燃料开展加热、玻璃和金属熔化、退火及干燥等工艺，给环境带来了巨大挑战。随着成本不断攀升，供应不稳定，二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物排放引发各种环境问题，我们急需寻找可持续替代品。
本文将探讨电加热的变革性力量，这种加热方式不仅能够减少对环境的影响，还能提高加热精准度和工作效率。
化石燃料加热系统存在的问题
传统化石燃料加热系统虽然应用普遍，但缺点很多。比如，难以实现精准温度控制，相关设备往往效率低、安装和维护成本高，工作环境危险且噪音大。此外，化石燃料成本攀升，地缘政治不确定性，更加表明我们需要更具可持续性和弹性的解决方案。
电加热是一种更好的替代方案，具有三重优势：能源成本低，对地缘政治的依赖少，效率高。停止使用可燃气体有助于提高工作环境的安全性，缓解环境问题。如果使用可再生能源供电，电加热系统将彻底实现可持续供应。除此之外，这些系统维护需求低，也进一步降低了运行成本。高级控制器支持热量控制自动化，可确保温度保持不变，尽可能减少能源浪费。
电炉控制的发展历程
传统电炉一直采用基于可变电抗变压器（VRT）和可饱和磁芯电抗器的电源。
然而，这些技术的运行功率因数（PF）低，表明电能利用率不高。面对这一问题，一些现代替代方案（如晶闸管控制系统）开始备受瞩目。这类系统具有降低峰值功率需求、改善负载管理和增强用户友好性等优势。
现代晶闸管加热控制器拥有高精度输入和输出，并采用高级控制算法，不仅可以最大限度提高能效，还能解决一些常见的加热问题。对于配有多个加热元件的设施，控制不足可能导致高峰电力需求、能源成本上升，并可能造成电网不稳定。配置可编程逻辑控制器（PLC）和比例积分微分（PID）控制器可显著优化负载管理，防止电力需求激增。
保持电能质量依然重要。ABB DCT880 支持多种控制方式，如相位角控制、全波/脉冲控制、半波控制以及 I-、I2-、U-、U2- 和 P 控制。这样可以确保对于上升时间短或冷热比较高的严苛应用也能轻松适应。
即使采用全波/脉冲模式，仍可能影响电网稳定性。同步通断多台 DCT880 设备可能产生较大的周期性功率峰值，影响能源供应的稳定性。ABB 推出的 DCT880 功率优化器有效解决了这一问题。通过合理布局峰值，功率优化器可为电网提供稳定负载，这在加热应用中尤其适用，因为定时变化不会对加热元件产生影响。
上图显示了配置功率优化器前后的曲线波动对比。在本例中，峰值功率消耗降到了装机容量的 50% 以下。
上面的第二幅图显示了 8 台耗热设备在 100 千瓦（kW）至 200 千瓦（kW）功率下的运行情况。这些耗热设备一秒内的实际功耗在最大可用功率的 30% 到 70% 之间波动。因功耗分布不均，300 毫秒（ms）后出现一个峰值，600 毫秒后又出现一个低谷。
最后一张图显示了同样的 8 台耗热设备在配置功率优化器，采用数字优化解决方案后的运行情况。此次优化将耗电量保持在了 500 kW，稳定了电网负载。
在更具挑战的中等负载下，同样可以实现这种性能优化。例如，当多台设备以超过 50% 的利用率运行时，运行周期内的某个点会出现峰值。然而，通过拆分一些接通周期，并在一个优化周期内两次通断一台用电设备，可以显著改善功耗。
Vafos Pulp 成功案例
晶闸管控制技术在挪威未漂浆纸浆生产商 Vafos Pulp 的 Kragerø 工厂发挥了重要作用。2022 年，Vafos Pulp 决定将原来的九兆瓦燃油锅炉换成电加热器。为保障安全性和运行效率，同时尽可能缩短停机时间，他们选择配置 5 台 ABB DCT880 功率控制器，每台控制器的额定功率为 2.2 MW。
控制器安装在 Kragerø 工厂的集装箱内，便于精确控制干燥过程，性能超越之前的燃油系统。除了运行方面的改进，改为用电后不再需要现场储油。配置 DCT880 功率优化器不仅稳定了当地电网负载，还减少了电力中断问题。
利用可再生水力发电，Vafos Pulp 每年的二氧化碳减排量达到约 14,000 吨，相当于 7,000 辆燃油车的行驶排放量，由此表明晶闸管电加热系统对环境的改善作用非常显著。
结论：精密控制系统具有长期经济效益
虽然精密电加热控制系统的初始投资可能较高，但由于节能效果好，其长期总拥有成本（TCO）显著较低。此外，这些电子控制系统还可以精准、快速地控制温度，有效提升产品质量。
晶闸管功率控制技术是实现精准、可持续和高效电加热的关键解决方案。配置 ABB DCT880 ，可以帮助设施优化能源利用，降低峰值电力需求，为建设更环保的未来贡献力量。这些控制器采用用户友好型界面，具有全面控制能力，是各种工业应用的理想选择。
