電弧爐控制基礎(chǔ)系統(tǒng)專題方案

1、五礦（湖南）鐵合金有限責(zé)任公司103#硅錳合金冶煉爐優(yōu)化控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)說明書中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院二00年三月一、開發(fā)背景五礦（湖南）鐵合金集團(tuán)有限公司103#10000KVA礦熱爐重要用于熔煉 硅錳合金和碳錳合金，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)由爐體、供電變壓器及保護(hù)系統(tǒng)、配 加料系統(tǒng)、電極卷揚(yáng)升降控制系統(tǒng)、電極壓放子系統(tǒng)和爐體水冷系統(tǒng)等構(gòu) 成。目前，配加料子系統(tǒng)采用了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制；電極壓放子系統(tǒng)依托人 工憑經(jīng)驗(yàn)綜合考慮爐況、二次電壓、一次電流、熔煉時(shí)間等因素，輸入控 制信號(hào)給PLC,由PLC來完畢電極日勺定長壓放；電極升降是依托人工憑經(jīng) 驗(yàn)綜合考慮二次電壓、一次電流及爐蓋溫度等因素進(jìn)行調(diào)節(jié)；供電變壓

2、器 二次側(cè)電壓級(jí)別靠人工根據(jù)爐況和電壓、電流、功率等因素憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào) 節(jié)。這種靠人工憑經(jīng)驗(yàn)來控制冶煉過程日勺措施難以保證礦熱爐穩(wěn)定持續(xù)地 工作在最佳工作范疇內(nèi)，調(diào)節(jié)過程相對(duì)滯后、工人操作強(qiáng)度大、工作效率 低，容易浮現(xiàn)電極燒結(jié)不好、耗電量大、爐況不穩(wěn)定等問題，難以保證產(chǎn) 品日勺產(chǎn)量和質(zhì)量。二、設(shè)計(jì)規(guī)定針對(duì)五礦（湖南）鐵合金集團(tuán)有限公司103#礦熱爐熔煉過程控制自動(dòng) 水平低下帶來日勺多種問題，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和與工藝技術(shù)人員交流溝通，結(jié) 合生產(chǎn)日勺實(shí)際需要，搭建103#礦熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)，以達(dá)到如下目日勺：通過建立電極位置模型，在線檢測(cè)電極日勺升降量和壓放量，實(shí)現(xiàn)電 極自動(dòng)升降和自動(dòng)壓放；并通過采用合

3、理日勺算法，計(jì)算電極長度及其位置， 控制電極處在最優(yōu)位置區(qū)域內(nèi)，使三相有功功率平衡度在原有基本上提高 2-3%，提高功率因數(shù)。通過建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)采集熔煉過程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦熱爐控 制系統(tǒng)日勺運(yùn)營監(jiān)視、事故報(bào)警與記錄、記錄分析和報(bào)表打印、平常生產(chǎn)管 理以及安全管理等功能，并實(shí)現(xiàn)變壓器日勺繼電保護(hù)。通過對(duì)礦熱爐供電網(wǎng)電能質(zhì)量在線檢測(cè)與監(jiān)視，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電極升降 壓放等操作和供電電流電壓、功率因數(shù)日勺相應(yīng)狀態(tài)，分析三相不平衡、無 功損耗及其對(duì)用電設(shè)備日勺影響，分析諧波損耗及其波形畸變用電設(shè)備日勺影 響，使電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)日勺監(jiān)測(cè)精度達(dá)到2%以上。在保證產(chǎn)品質(zhì)量日勺前提下，根據(jù)用電制度和造渣制度，綜

4、合考慮原 料成分和品位、產(chǎn)品成分、礦熱爐設(shè)備參數(shù)、熔煉過程狀態(tài)參數(shù)等因數(shù)日勺 影響，建立生產(chǎn)過程優(yōu)化控制模型，優(yōu)化供電電壓級(jí)別及電極插入深度， 提高穩(wěn)定運(yùn)營率5%以上。三、設(shè)計(jì)方案3.1系統(tǒng)總體構(gòu)造五礦（湖南）鐵合金集團(tuán)有限公司103#礦熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)由電極位 置自動(dòng)控制子系統(tǒng)、生產(chǎn)過程參數(shù)集中監(jiān)視子系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備故障監(jiān)測(cè)與 預(yù)警子系統(tǒng)、生產(chǎn)過程優(yōu)化控制子系統(tǒng)、電能質(zhì)量在線檢測(cè)與綜合分析子 系統(tǒng)五部分構(gòu)成，系統(tǒng)日勺整體構(gòu)造如圖1所示。圖1 103#礦熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)總體構(gòu)造3.2系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介3.2.1電極位置自動(dòng)控制子系統(tǒng)電極位置自動(dòng)控制涉及電極位置檢測(cè)和電極位置控制兩大部分。電極 位置檢測(cè)

5、日勺目日勺是建立電極位置模型，通過在線檢測(cè)電極日勺升降量和壓放 量，計(jì)算電極長度及其位置。電極位置檢測(cè)和長度日勺計(jì)算采用間接測(cè)量法 求得，電極位置模型為L = L0 + 以.+ AL -以九-AL 電極長度模型為：L廣匕 +ALyAL/% 式中，L 0為電極日勺初始位置；AL,為實(shí)測(cè)電極升降量；ALy為電極日勺壓放量；七 為電極日勺正常損耗量；七為電極異常損耗量；L為電極日勺長度；%為電極日勺初始長度。L0 +以，由絕對(duì)式光電編碼器檢測(cè)得到；氣由次數(shù)*固定壓放量記錄得到；AL由爐料消耗量、生產(chǎn)過程狀態(tài)參數(shù)、產(chǎn)量等推斷可得到一種較精確 日勺消耗速率（此速率可以根據(jù)路況不同更改），累積超過30mm

6、提示壓放。AL雙可由手動(dòng)輸入估計(jì)日勺異常消耗量，超過30mm提示壓放。電極位置控制日勺重要涉及電極升降控制和電極日勺壓放控制。電極升降 控制日勺目日勺是保持電極插入位置最佳，實(shí)現(xiàn)三相熔池有功功率平衡、有功 功率大、功率因數(shù)高、線路電流小，保持較好日勺爐況。電極壓放控制日勺目 日勺是通過壓放電極來補(bǔ)充電極日勺消耗量，以保持電極工作端日勺長度最佳。1.電極升降控制礦熱爐冶煉過程中，由于工況復(fù)雜，干擾較多，三相電極日勺最優(yōu)位置 會(huì)實(shí)時(shí)變化。為使電極穩(wěn)定工作于最優(yōu)位置區(qū)域內(nèi)，可通過升降電極來實(shí) 現(xiàn)三相熔池有功功率平衡、有功功率大、功率因數(shù)高、線路電流小，并維 持最佳日勺爐況。電極升降控制分為手動(dòng)控制和

7、自動(dòng)控制兩種方式，自動(dòng)升 降控制系統(tǒng)構(gòu)造如圖2所示。圖2電極自動(dòng)升降系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)造圖但由于礦熱爐冶煉過程復(fù)雜，在冶煉過程中也許會(huì)浮現(xiàn)某些特殊狀況。為了能應(yīng)對(duì)礦熱爐冶煉過程中也許浮現(xiàn)日勺多種狀況，設(shè)立不同日勺電極調(diào)節(jié)措施：爐況正常時(shí)，采用最優(yōu)位置控制此時(shí)控制信號(hào)由電極目前所處位置、最優(yōu)插入深度和控制算法求得。最優(yōu)電極位置可由人工憑經(jīng)驗(yàn)來設(shè)定，也可通過對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)（如電壓、 電流、有功功率、功率因數(shù)、爐氣成分、爐膛溫度等）分析，綜合專家經(jīng) 驗(yàn)知識(shí)，經(jīng)建模和優(yōu)化計(jì)算得到。電極最優(yōu)位置穩(wěn)定控制構(gòu)造如圖3所示，電極的消耗量、壓工況參數(shù):原料組分、配比、產(chǎn)量、能耗、電壓、電流、功率因數(shù)圖3電極最優(yōu)位置穩(wěn)定控制構(gòu)造圖其中al為電極設(shè)定日勺最優(yōu)升降量，虹為電極實(shí)際升降量?？刂破鞲?據(jù)實(shí)際升降量與電極設(shè)定最優(yōu)升降量差值日勺大小來給定頻率和升降時(shí)間， 當(dāng)差值較大時(shí)采用較高速度升降電極；當(dāng)差值較小或爐況不穩(wěn)定期，采用 較低速度升降電極。當(dāng)電流下降或上升幅度過大時(shí)，采用恒電流控制此時(shí)控制信號(hào)由一次側(cè)電流決定，以便使電路中日勺電流迅速地恢復(fù)到 正常工作范疇之內(nèi)。不可抬升電極日勺狀況解決出鐵時(shí)，為避免浮現(xiàn)塌料，出鐵口附近日勺電極不能上抬；電極浮現(xiàn)異 常時(shí)，如中間凹陷，則一般不能抬升。故障狀況下電極日勺解決當(dāng)?shù)V熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)浮現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)給出有關(guān)狀態(tài)信息并報(bào)警， 提示操作人員切換到手動(dòng)控