45000硅铁炉节能技术改造设计方案20121111

1、4500OKVA硅铁炉节能技术改造方案GV-IV型矿热炉节电专家系统硅铁炉自动控制节能技术解决方案一、简介我们专业从事矿热炉和电弧炉过程优化控制节能技术和设备研究开发。1.1 崔先生具有三十余年矿热炉与电弧炉过程优化和综合节电的丰富经验，曾在专业权威刊物发表数篇节能论文，广获好评。基于在矿热炉过程优化和 控制及节电方面独到的研究成果，最新推出国际领先的独创产品：GV-IV 型 矿热炉节电专家系统。专家系统拥有授权发明专利（矿热炉电极升降自动控 制的方法，专利号：ZL200610035949.0）等13项和十多项已受理发明专利。GV系统涵盖了电极升降自动控制、电极做功点同一平面控制和电极焙烧压放

2、 以及长度控制三大核心技术群，解决了两大领域的国际性难题。1.2 GV系统能够大幅度降低各种产品矿热炉的冶炼电单耗，节电幅度达到 3%10%。使矿热炉的自动化控制实现了跨世纪进步，达到21世纪先进水平， 实现了真正的自动化，达到了增产、节电的双重目的。该系统已通过四川省科 技厅主持的省级技术鉴定，被国家工信部列为导向目录排名第一的推荐技术。同时，GV专家系统还集成了配料站控制管理、变压器档位控制、炉压控 制、电极压放自动控制及液压系统控制的功能。GV专家系统不再采用PLC上 下位机的传统控制模式，而是全部采用工控机直接控制模式，具有强大的智 能化控制功能，系统驱动能力强，可靠性高，运行平稳、安

3、全。二、行业现状2.1 电极升降控制现状及其难点：大型硅铁炉电极升降自动控制，仍然停留 在上世纪八十年代艾肯硅铁炉的水平，即PLC和上位机的控制模式，即使最 近几年新安装的硅铁炉DCS控制系统，依然停留在和PLC加上位机控制系统 的控制功能基本系统的水平。虽然上位机的控制画面形象华丽，但执行端控 制单元依然采用梯形图编程方式，仅能执行逻辑操作和简单的运算功能，控 制原理仍然停留 在 PID 或 一级、 二级闭环控 制的阶 段；有的控制 系统 虽然引 入了延迟控制，仍然无法解决电极升降动作过于频繁的难题，而电极升降动 作频繁正是所有硅铁炉（矿热炉）正常稳定运行所不能允许的。因为硅铁炉 冶炼石埋弧

4、操作，即电极插入料面下一米左右进行冶炼运行，电极频繁升降 会导致料层结构紊乱、冶炼过程的炉料预热、熔化和还原反应过程难以正常 进行。所以，硅铁炉冶炼过程中，电极升降频度必须控制在适度范围内，升 降频度范围约为 每分 钟 0.2 次左右。但是， 如果给 控制系统设定 能够 满足此 频度的时间延迟，又会出现三相电极电流或功率偏差过大、炉内三相电极坩 埚区温度偏差过大的问题，所以，三相电极功率平衡和电极升降动作频度构 成了一对难以解决的矛盾体。这就是到目前为止各类PLC、DCS控制系统在硅 铁炉控制上不能成功的原因所在。硅铁炉电极升降控制涉及到 电极电压、 电极电流变化、 功率因数、 炉料 比电阻变

5、 化、 电极操作电阻 变化 、 电极 做功点 位置 高低等 变量， 电极 升降运 行会直接改变这些变量及其相互之间的 关系，同时，这些变量中任意一个发 生改变，也会直接影响到其他变量及其关系，这些变量之间没有统一且可以 运算的直接方程式，他们之间的 关系客观上存在内在联系 ，这种关系 超出了 平面和三维范围，他们两两之间存在平面关系 ，不同变量之间的 不同排列组 合都存在关系，相互影响，这样复杂的关系用现有的各种PLC和DCS控制端 是根本无法实现有效控制的 ， 只有选择可以用 高级编程语言编程， 具有强大 逻辑、 运算和智能化控制功能的计算机直接控制系统， 方能取得成功。如果还要解决炉料波动

6、对电极做功点位置的影 响以及能够将三相 电极的 做功点控制在同一平面，提 高炉内温度场集中度、提 高电热转换效率的难题， 又增加了 电极 长度、 炉内熔 池电 阻、 半 成品厚 度大 小、 粒 度大小 、 碳 材固定 碳高低、 粒度 大小分布、 电 极焙 烧速度 、 电极 端部 区域石 墨化程 度高 低等变 量， 都会直接影响到电极做功点位置高低的变化， 如此多的变量关系 计算， 非功能强大的 计算机直接控 制模式不能满足。 这也是国内众多电石生产企业 生产运行难以达到设计水平的原因。2.2 用户 45 000KVA 硅铁炉现状: 因为 电极升降控 制系统 在控制理论上存在 误区， 系 统无法

7、实现自动控 制运行；电极工作端长度没有准确的 测量方法， 操作者无法获知电极工作点位置，三相电极工作点位置的高低和偏差，更是 无从控制。由于上述因素，设备运行率偏低，炉子运行状况波动较大，产量 偏低、电单耗偏高，生产成本偏高。2.3 自焙 电极压 放控制：硅铁炉电极结构选 用艾肯硅铁炉的组合 把持器或压 力环结构，但电极压放时间的确定，都是依据操作者的经验来确定的，经验 丰富操作者，可以较好的控制电极长度；经验少点的操作者则无法将电极长 度和电极的焙烧程度控制在工艺要求的范围内。这些因素导致硅铁炉运行过 程中，电极故障偏高，影响正常生产。三、我们的能力、服务和优势3.1 主营 世界领 先的 G

8、V-IV 型矿热 炉节电 专家 系统和相关电石炉、黄磷炉、铁合金炉整体配套控制技术，开发先进实用并 与冶炼工艺相结合的智能化控制技术。我们在中国矿热炉自动控制领域，正 凭借着自身的强大核心竞争力，已经逐步建立起它在该领域的领导地位。3.2 高威 节能关 切用 户切身 利益，对所 有矿 热炉自 动控制 和节能项目 认真负 责 ，服 务 到 家 ，确 保 控 制 可 靠 、平 稳 、安 全 运 行 并 达 到 国 内 最 好 的 节 能 效 果 ， 确保我们提供的矿热炉全套自动控制系统能为企业带来可靠、长久的效、益。3.3 GV-IV 系统的 优势3.3.1 GV 系 统成功 解决 了长期困扰硅

9、铁炉自 动控 制的难 题，即电极 升降动 作频繁和三相功 率平 衡之间的矛盾 ，既能 将三相功率平衡控 制在 1%以 内，有 能够满足硅铁炉对电极升降频度的要求。3.3.2 GV 配 有电极 长度 实时测量装置 ，能够 准确 测量电 极工作端长 度，从 而可以将三相电极的工作点控制在同一平面，提 高炉内高温区集中度，同 时， 可以将炉内高温区控制在最佳位置。3.3.3 GV 系 统 将 硅 铁 炉 的 运 行 操 作 由 依 靠 经 验 升 级 到 依 靠 运 行 数 据 操 作 的崭新阶段，将炉况的判断由依靠人为的经验型提升到依据一组运行数据判断 的水平。334 GV系统将硅铁炉的操作由技术

10、型成功带入熟练型操作，杜绝了炉况频繁波动、频繁波动、配比频繁调整的 传统经验型操 作模式。3.3.5 GV系统将硅铁炉的技术管理由传统的一人负责一座炉（或两座炉）升级为一人负责一个厂，甚至负责一个集团的水平，大幅度降低了密闭硅铁 炉生产对高级经验型技术人才的需求。336 GV系统能够将硅铁炉的运行长期（数月或数年）稳定在最佳状态， 大幅度延长了大修周期到6年以上。四、GV系统设备功能模块图：电极升降自动控制和做功点位置控制模块GV系统控'制模块电极焙烧温度实时测量、焙烧速度实时计算和电 极压放自动控制、电极软硬断预警和保护模块液压、风机、档位、高压分合闸、电极糊加热控 制模块冶炼过程数

11、据记录、曲线分析管理模块*炉料配比匹配计算、炉料输送控制模块*炉气净化和控制模块五、GV系统设备功能模块详细介绍5.1 电极升降自动控制和做功点控制模块5.1.1 电极升降自动控制：大型硅铁炉电极升降自动控制的难点，在于三相 功率平衡和电极动作频度之间的矛盾难以统一。如果控制系统追求三相功率 平衡度高，则电极升降动作必然频繁，对炉内反应坩埚区造成破坏；反之， 如果追求电极升降动作能够满足硅铁炉冶炼要求，则一定无法兼顾三相功率 平衡的要求。三相功率平衡度低，则电极做功点位置偏差较大，炉内功率因 数偏低，炉况波动会较大。结果造成产量低、电耗高、波动大的不良结果。IV型矿热八、炉节电专家系统d电极长

12、度智能控制技术群电极焙烧温度测量、计算模块电极长度计量模块电极消耗计算模块功能经过十余年、50余台（套）各种矿热炉现场的实地试验、验证、提高和改进， 终于研发出拥有十余项发明专利的矿热炉专用智能化自动控制系统：GV-IV 型矿热炉节电专家系统。成功解决了硅铁炉电极升降自动控制的难题，是一 种既能避免电极升降动作频繁，又能将三相电极功率偏差控制在1%以内的控 制计算方法，即发明专利矿热炉电极升降自动控制的方法等。GV-IV 系 统将硅铁炉电极升降控制涉及到的电极电流、电极电压、镍铁干矿品位、氧 化镁、氧化硅、粒度、碳材固定碳、粒度、电极做功点位置、操作电阻、熔 池电阻等变量全部纳入数组控制运算方

13、程组进行运算，最后形成硅铁炉电极 升降控制策略技术群，圆满解决了硅铁炉电极升降长期以来人工操作的难题。电极软、硬断计算模块炉料比电阻计算模块图一2所示，是研发成功的GV系统的硬件原理图。系统采样信号有：高 压电流互感器给出的电流信号，AC 05A 模拟信号，经过系统配置的隔离传 感器变换为DC 05V信号，再经A/D板进行转换为数字信号给计算机计算； 变压器低压侧电极电压信号，AC 0500V，经过系统配置的隔离传感器变换为 DC 05V信号，再经A/D板进行转换为数字信号给计算机计算；电极夹持器 位移信号，DC 05V，经A/D板进行转换为数字信号给计算机计算。针对硅铁炉内存在两个等效电回路

14、，而电气测量回路只有一个的特点， 运用特殊独到的工程处理方法，创造性地提出运用电流变化率控制电极升降 理论（见发明专利矿热炉电极升降自动控制的方法），成功解决了硅铁炉 三相功率平衡和电极动作频度之间的矛盾。已经投入运行的多套系统实践效 果表明，在电极插入深度适宜、稳定、三相电极功率偏差小于2%的前提下， 电极升降动作频度完全满足硅铁炉冶炼要求，炉内坩埚区稳定扩大，炉况平 稳。轨卄 ft AW*<jcmo 卄iwmf w* t W I hSTIHii H1做功占魏幄r".* fl产MJ G（十电 Ml IMbW2DIdfeWH“ 世>哥 1* nIMnvt* »

15、*HU黔貝1rpHinMil11 UMMHMlr i«.1*«斗1?7W做功点数据'EMrmLrrvvF档常 iin*w0 DWOGV 系统运行控制画面5.1.2 电极升降控制基本算法：计算方程式：F(x,y,z)= f1(x1,y1,z1) + f2(x2,y2,z2) + f3(x3,y3,z3)式中：f1(x1,y1,z1) = SQR (I Is ) /Is ) K1) + k2*( di / dt ) + Kx* t ;f2(x2,y2,z2) = KI * Rl + Kr * Rr + Kp * W + Ky * t ;f3(x3,y3,z3) = Kh

16、 * Hp + Kd * Ld + Kz * t;硅铁炉电极升降自动控制难以实现的难题是如何解决的呢？理论基础 建立在发明专利矿热炉电极升降自动控制的方法该理论解决了矿热炉 电极升降自动控制能不能用的问题，即解决了三相功率平衡要求和电极动作 频度之间相互矛盾的问题，独创性地提出运用电流变化率实现矿热 炉电极升降自动控制的概念，为各种矿热炉电极升降自动控制难题的解决， 奠定了坚实的理论和实践基础。运用该项专利发明理论，高威节能在前几年已成功解决的各种黄磷炉电 极升降自动控制和中小型硅铁炉电极升降自动控制难题成果的基础上，开创 性成功解决了大型硅铁炉电极升降自动控制的难题。5.1.3 电极做功点位

17、置控制(发明专利)：电极升降自动控制的第二个难点 是电极做功点位置的控制，此控制需要解决两个问题：一是三相电极做功点 如何控制在同一平面？二是这个平面的位置如何控制？依据三相电极电流变 化率相同时，三相电极的电弧功率相同的理论，可以将三相电极的做功点控 制在同一做功平面上。运用发明专利硅铁炉电极自动控制系统电极箝位的方法所提供的解 决方案，可以解决因为炉料波动影响带来的问题。此项专利提供的方法，能 够将三相电极做功点强行箝位在预先设定的两个平面之间，并设计具备自动 解锁和动态箝位功能，既可以将三相电极的做功点控制在设定范围内，也可 以避免因为炉内突然变化可能引起的过载跳闸现象。电极升降、压放部

18、分控制原理框图矿热炉变压器1!采样系统L丨显示器_ _计算机系统-4键 盘1图一3此项功能提高了炉料层电流集中度和温度场集中度，提高了料层电热转 换效率。同时，因为能够将三个坩埚区控制在同一高度位置，提高了三个电 极功率圆的交叉面积，提高了电弧热的集中度和有效利用率，从而取得增产、 节能的效果。5.2 电极长度动态测量、控制和电极压放控制模块硅铁炉电极长度，是一个长期困扰炉前操作工、炉长、车间主任、甚至总 工程师的高难问题。人们一直想测量电极的真实长度，由于各种条件限制， 除了将电极全部拔出料面，用钢尺直接测量外，至今没有有效的测量方法。GV系统借助本公司发明专利“矿热炉电极长度的检测方法”提

19、供的方法，可 以实时测量电极的真实长度，偏差小于100mm，依次可以精确计算电极做功 点位置，并据此计算炉内操作电阻及其变化情况，从而实现硅铁炉电极升降 和电极焙烧压放的高度智能自动化控制。电极长度测量示意图5.2.1 电极长度测量和控制的最主要目的。实时测量电极长度是为了满足控制电极在炉内放电做功点和压放的需 要，即满足电极插入炉料深度的需要。电极长度不能过短会使得功率送不满 和电极消耗过快，会导致导电元件触及料面，损坏导电元件，所以电极长度 有一个最小值。同时，为了避免电极长度过长导致电极消耗过慢和硬断的事 故，电极长度有一个最大值。因此，测量控制电极的长度在一个合理的范围 是必须的。GV

20、系统具有动态计算焙烧和消耗速度平衡、严格控制电极长度、 杜绝软、硬断事故的功能，解决硅铁炉电极焙烧和消耗难以平衡的世界性难 题。图一4522 GV系统的电极动态计算和管理功能。图一4是GV系统控制电极压放的硬件原理图，计算机直接驱动7685继 电器板，7685板驱动电极液压夹钳的松开、升起和下压动作，完成执行电极 压放的功能。实现该功能控制原理是：依据电极位置传感器数据和电极做功 点位置值的全部组合状态值，在满足四个边界条件前提下（满足电极焙烧累 计满足压放量、不会出现软断和硬断、电极升降油缸不触及最高位置和最低 位置），依据电极电流和电极功率大小实时计算电极焙烧速度，动态调整电极 压放时间周

21、期长短，将电极长度动态控制在冶炼需要的长度范围内，从而实 现对电极长度的实时检测和控制。经过反复验证，此功能可以将电极长度的 精度控制在100mm范围内，并且，可以保证电极不会出现软断和过烧硬断的 现象。5.2.3 现状：硅铁炉电极结构选用艾肯硅铁炉的组合把持器或压力环结构，但电极压放时 间的确定，都是依据操作者的经验来确定的，经验丰富操作者，可以较好的 控制电极长度；经验少点的操作者则无法将电极长度和电极的焙烧程度控制在工艺要求的范围内。这些因素导致硅铁炉运行过程中，电极故障偏高，影 响正常生产。由于影响电极焙烧速度的因素很多，如电极电流、功率、功率 因数、料面温度、支路电流和电极糊成分等因

22、素的变化都会影响电极的焙烧 速度，而且有些因素的变化没有规律可以因循，所以，各个硅铁冶炼企业迫 切需要比较准确的电极压放控制系统解决上述问题。524硅铁炉电极焙烧和压放自动控制解决方案GV系统依据电极电流、功率、电极长度自动计算电极焙烧累计长度，当累计焙烧长度等于20mm时，自动执行电极压放操作。电极焙烧计算公式：电极焙烧累计长度=l*l*4.3*K1*K2*10- 4（ mm/h）K1电极电流平均值，单位KA；电极长度影响因子经验值；电极功率因子经验值；K2 -图一5图一5为GV系统的液压系统、电极风机、变压器档位控制硬件原理图， 图一6是电极糊加热和高压分合闸操作控制的硬件原理图。由计算机

23、直接控 制7685继电器板驱动，完成控制功能。操作者可以进行远距离操作控制，便 于硅铁炉冶炼过程的安全监督。如果出现异常，能够在第一时间控制相关操12作，避免事故的发生。tarnIIUI7(1mu i i ill9 XkHttlt綁联IDoo0113#图一65.4 冶炼过程数据记录、曲线分析管理模块为了提高硅铁炉的操作和管理水平，GV系统设计了多个数据库，能够记 录全部运行过程的所有操作和运行状况，包括：电极升降手动操作、实时电 流值、实时电压值、日冶炼时间、班冶炼时间、日自动运行时间、班运行时 间、三相功率不平衡度统计值、电极位置值、日电极压放次数、原料配比数 据记录和存储，供企业管理者查询

24、和统计分析。GV系统设计了电极位置曲线显示功能和电流曲线显示功能，可以方便分析炉内坩锅区连通情况和硅铁炉做功的情况。依此功能，可以优化硅铁炉的 多项运行参数，为硅铁炉能够按照最佳参数运行提供了可靠保证。六、运用GV专家系统带给用户的经济优势1. 三相电弧功率平衡和电极动作频度同时满足硅铁炉冶炼要求，自动计算 识别炉内操作电阻并参与电极升降控制。2. 三相电极做功点控制在同一最佳平面内，热力场集中度高，电热转换效 率高，确保炉底高温度、高反应速度、高产量、高质量。3. 电极插入深，坩埚区面积大，连通状况好。电极长度智能化控制，电极焙烧速度和消耗速度动态平衡控制，杜绝了15电极欠烧和过烧、过长和过

25、短，杜绝了电极软断和硬断事故的发生。4. 炉底温度高 ，反应 速度快，产量高， 电耗低。5. 多项辅助管 理功能 ，提高炉前管理水 平。6. 炉压稳定、 料面温 度降低，原料利用 率高，节省 原料。7. 电极软、硬 断报警 和处理功能，确保 硅铁炉安全 运行。8. 硬件系统安 全、可 靠；软件系统运行 效率高、不 死机。9. 安装 调试、 维护简 便。10. 经济 效益高 取得 节能 、节 材 、增 产 的效果 显著，又 解决 了硅 铁炉功 率不平衡对企业电网安全的不良影响。七、技术改造方案7.1 标准 的 GV-IV 型 矿热炉 节电专 家系统 设备 ，用 于 45000KVA 硅铁炉自动

26、化技术改造，将 原有 PLC 装置内 电极升降控 制、电 极压放 、档位 控制 、高压 分合闸、液压、电极焙烧风机和加热电阻控制部分旁路，由GV系统直接控制 原有电磁 阀、 继电器等， 其 余原 有关的 电磁阀 、 液 压缸升 降机构 等不 做任何 改动。7.2 GV-IV 系统提供AC220V（或DC24V）驱动电源，用于控制电磁阀、继电 器等执行机构的 驱动 。本 系 统 分别 提供驱动信号 ，并 有防同时 动作保 护功 能。八、现场 实施 过程方 案8.1 停炉 、停 主 变压器供电，旁 路原 有 PLC 控制 柜相关 接线，标 记电 压（ 弧 压） 信号线 4 条（其 中 1 条为公

27、共线）、 电 流互 感器信 号线 4 条（ 其中 1 条 为公共线）、 电 极 升降控制 线 7 条、 电 极压 放控制 线 45 条以及高 压控 制 、 档 位控制等。8.2 将新 系统柜 体就 位并紧 固。将 电 压、电 流信号 线共 7 条接 入系统 ，电 流 信号线的公共端 接在 系 统地线；电 极升降 控制 线 7 条 、 电极 压放 控制 45 条 ， 以及高压控制 、 档位 控制 等线接入 本系统 对应 端子。8.3 系统 地线总 共有 3 条：计 算机专 用 保护 地线 须和 其 他地线 绝缘 ；系 统地 线须和 电 流互 感器信号线的 公共 端接在 一起， 专用 炉底体地线须 和 本 系 统的 弧压公共线接在 一起 ；三相四 线制 380V 电源 的零线须单独接入本 系统电 源端 子。计算 机专用 保护 地线和 炉体 专用线 应在停 炉前 预先完 成并接 至炉前 适当九、现场任务分工9.1 本公司负责系统安装所需全部技术资料的提供和现场安装技术指导，包 括计算机专用地线图纸、系统操作