CN101576737A

CN101576737A - 一种电弧炉节能控制方法及系统

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Publication number: CN101576737A
Application number: CNA2008100710363A
Authority: CN
Inventors: 肖艳义
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2028-05-08
Also published as: CN101576737B

Abstract

本发明公开一种电弧炉节能控制方法，包括如下步骤：第一步：取得电弧炉在冶炼过程中各阶段的控制值：(1)减少电弧炉冶炼过程中各阶段的烟气流量和冷却水流量；(2)计算各阶段的烟气带出热能变化值dQ_Y和冷却水带出热能变化值dQ_S；(3)根据dQ_D＝dQ_Y+dQ_S，得出各对应阶段输入电能的变化值dQ_D；(4)根据变化值dQ_D计算出各对应阶段所需的输入电能；(5)得出各阶段的控制值；第二步：依照第一步得到的控制值对电弧炉的冶炼过程中各阶段进行控制。此方法能够有效降低电能损耗，达到减排节能的效果。本发明还包括一种电弧炉节能控制系统。

Description

一种电弧炉节能控制方法及系统

技术领域

本发明属于电弧炉控制领域，特别涉及一种应用在黑色、有色金属冶炼中电弧炉的节能控制方法及系统。

背景技术

电弧炉在冶炼过程中主要用于物料(废钢、矿石或熔渣)的加热熔炼或保温。电弧炉内的热量是通过电极与物料之间的电弧产生的，电弧具有非常高的温度，能够快速熔化炉内物料，极大提高冶金过程的生产效率。

目前在电弧炉的生产过程中，电能的有效利用率一般只有百分之六七十，还存在着比较严重的电能浪费现象。其主要原因在于，电网提供的电能除大部分转化为电弧炉在熔炼过程中所必需的热能之外，还有相当一部分以热能的形式随烟气和冷却水排出。据对某型号电弧炉的测算，在冶炼过程中，冷却水所带出的热能占电源提供能量的15％，烟气所带出的热能占电源提供能量的21％，二者总共带走了所有电能的三分之一还要多。因此，尽量减少冷却水和烟气所带走的热量，来降低输入电能的提供，在电弧炉生产节能领域中具有很大的空间。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种电弧炉节能控制方法及系统，通过减少冷却水和烟气所带走的热量，来提高冶炼过程中总的电能利用率，达到减排节能的效果。

为了达成上述目的，本发明提出的解决方案是：

一种电弧炉节能控制方法，包括如下步骤：

第一步：取得电弧炉在冶炼过程中各阶段的参数控制值：(1)在冶炼过程的各个阶段中，根据以往经验，在保证电弧炉正常生产的前提下，由人工尝试适当减少烟气流量和冷却水流量；(2)根据变化后的烟气流量和冷却水流量，由计算机计算出对应阶段的烟气带出热能变化值dQ_Y和冷却水带出热能变化值dQ_S；(3)依据能量守恒原理，假设其他条件不变，则存在烟气带出热能变化值与冷却水带出热能变化值之和等于输入电能的变化值，即dQ_D＝dQ_Y+dQ_S，也可以称为能量增量守衡，由计算机计算出各对应阶段输入电能的变化值dQ_D；(4)根据输入电能变化值dQ_D和以往电能单耗(电能单耗，即炼每一吨钢所消耗的电能)的统计值计算出各对应阶段所需的输入电量，计算公式为：W₁＝W₀+dQ_D，式中：W₁表示各对应阶段所需的输入电量，W₀表示以往电能单耗的统计值计算出来的输入电量，其值为单耗与物料量的乘积；(5)得出各阶段的烟气流量和冷却水流量的参数控制值；

第二步：依照第一步得到的参数控制值对电弧炉的冶炼过程中各个阶段进行控制。

其中，第二步之前，先将得到的上述电弧炉冶炼过程中各个阶段的控制值绘制成曲线，电弧炉再依照该曲线中的参数控制值进行冶炼控制。

由于电弧炉生产不是一个连续的过程，而是以炉为单位进行间断生产，装满一炉生产一炉。根据这个特点，上述第一步中，各个阶段的参数控制值是通过n炉(次)电弧炉冶炼取得：(a)以现有冶炼参数控制值为基础，减少第1炉冶炼过程中各个阶段的烟气流量，并升高冷却水温度，得出第1炉各阶段的参数控制值；(b)在第1炉参数控制值的基础上，继续减少第2炉冶炼过程中各阶段的烟气流量，升高冷却水温度，并得出第2炉各阶段的参数控制值；(c)重复上述步骤；(d)至第n炉时，输入电能达到节能的期望值，则将第n炉各阶段的参数控制值作为电弧炉在冶炼过程各阶段的最终控制值。在这里，升高冷却水温度是通过减少冷却水流量来实现的，因为冷却水温度是表征电弧炉安全生产的重要参数。

利用上述方法的一种电弧炉节能控制系统，包括电抗器、电炉变压器、短网、电极及其升降驱动装置、电弧炉本体、计算机控制装置、冷却水温度及流量传感器、烟气温度及流量传感器、冷却水流量调节器和烟气流量调节器；电源通过电抗器、电炉变压器、短网、电极向电弧炉本体供电；计算机控制装置接受冷却水温度及流量传感器、烟气温度及流量传感器传入的信息，并控制冷却水流量调节器和烟气流量调节器来改变冷却水和烟气的流量大小，同时，控制电极升降驱动装置调节电极的高度位置来改变输入电弧炉本体的电能大小。

上述冷却水流量调节器及烟气流量调节器可以是驱动电机的变频调速器或管道的电动调节阀。

上述冷却水温度及流量传感器与烟气温度及流量传感器可以通过现场总线方式或模拟量方式与计算机控制装置相连。

采用上述方案后，本发明利用能量守恒原理，在冶炼耗能及其它损耗能量不变的情况下，烟气带出热能的变化量与冷却水带出热能的变化量之和等于输入电能的变化量。因此可通过降低烟气与冷却水带出的热能，来减少电能的输入，达到节能的目的；同时，由于降低了烟气的流量，也可以有效减小烟气对大气的污染；又因为减少了冷却水的使用量，还可以达到节约用水的目的。

附图说明

图1是本发明一种电弧炉节能控制方法的流程图；

图2是本发明一种电弧炉节能控制系统的结构图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明一种电弧炉节能控制方法的流程图，包括以下几个步骤：

第一步：取得电弧炉在冶炼过程中各阶段的参数控制值：

(1)根据以往经验，在保证电弧炉正常生产的前提下，由人工尝试适当减少电弧炉冶炼过程中各阶段的烟气流量，并升高冷却水的温度，因为冷却水温度是表征电弧炉安全生产的重要参数，在这里，升高冷却水温度是通过减少冷却水流量来实现的；由于在一般电弧炉冶炼过程中，为了保证生产过程的安全顺利进行，操作者会采取一种保守的控制策略，即将风机拖动电机的转速设为额定参数(也就是最大)，冷却水泵拖动电机的转速也设为额定参数(同样是最大)。这样排出的烟气就会带出大量的热能，由于流量大，冷却水的出口温度也比较低，同样也会带出大量的热能。因此，在生产过程中，就要试图降低电机转速和冷却水的流量，使其带走的热能尽量减少，达到节约输入电能的目的。首先测得电炉变压器的一次电流、一次电压、二次电流、二次电压等值，以及所排放的冷却水的温度和流量、烟气温度和流量，再根据这些值计算得到初始状态下电弧炉本体的输入电能Q_D0、烟气带出热能Q_Y0和冷却水带出热能Q_S0，根据能量守恒定律，可知输入电能除一部分转化为电弧炉冶炼所需要的能量Q_G0，以及烟气带出热能Q_Y0和冷却水带出热能Q_S0，还有一小部分机械损耗的能量Q_T0，且满足关系式Q_D0＝Q_G0+Q_Y0+Q_S0+Q_T0；

(2)当减少烟气流量、升高冷却水温度(此处冷却水的温度值只是冷却水流量的表征值，因此为了降低冷却水带走的热能，需要减小其流量，从而使得冷却水的温度升高)后，烟气带出热能和冷却水带出热能都会相应降低，根据变化后的烟气流量和冷却水流量，由计算机计算出此时的烟气带出热能Q_Y1和冷却水带出热能Q_S1，并与前一个状态相比较，dQ_Y＝Q_Y1-Q_Y0，dQ_S＝Q_S1-Q_S0；

(3)根据能量守恒原理，假设其他条件不变，电弧炉在同一冶炼阶段中，熔炼所需的能量Q_G0是一定的，机械损耗的能量Q_T0也不会随其它因素的改变而有所变化，因此，可知烟气流量与冷却水温度的变化所引起的能量减少只会影响到输入电能的变化，则存在烟气带出热能变化值与冷却水带出热能变化值之和等于输入电能的变化值，且dQ_D＝dQ_Y+dQ_S，由计算机计算出各对应阶段输入电能的变化值dQ_D；

(4)根据输入电能变化值dQ_D和以往电能单耗的统计值计算出来的输入电量W₀，按计算公式为：W₁＝W₀+dQ_D，计算出各对应阶段所需的输入电量W₁；

(5)得到该状态下的控制值，此处控制值主要包括输入电能Q_D1、烟气流量和冷却水的温度值，当然根据具体操作情况，还可以包括其它参数，如废钢装入量、环境温度等；

第二步：当电弧炉再次进行相同的冶炼工序时，即可依照第一步得到的烟气流量、冷却水温度值和此时的输入电能等控制值对电弧炉进行控制。

一般在电弧炉冶炼过程中，根据生产情况分为四个阶段：熔化阶段、氧化阶段、还原阶段和出钢阶段，而根据熔炼物料的不同，所需要的参数也有所差异，因此可将每个阶段的控制值与该状态相对应绘制成曲线，曲线的条数与电弧炉冶炼过程中所涉及的参数个数有关，电弧炉在进行冶炼时，根据所要熔炼的物料及生产阶段，调用曲线中相应的参数进行生产运作，在进行电弧炉冶炼控制时操作方便，既降低了排放到大气中的污染物颗粒、减少冷却水用量，还有效地减少输入电能的浪费，达到减排节能的目的。

在进行具体操作时，由于电弧炉生产不是一个连续的过程，而是以炉为单位进行间断生产，装满一炉生产一炉，仅将烟气流量和冷却水温度值改变一次甚至几次，很难得到最优控制值，因此在第一步中，可通过试炼n(n为整数，且n≥1)次电弧炉的方法得到最优控制值：(a)以现有冶炼参数控制值为基础，减少第1炉冶炼过程中各阶段的烟气流量，并升高冷却水温度，根据上述第一步中的小步骤(1)～(5)，得出第1炉各阶段的参数控制值；(b)以第1炉的参数控制值为基础，减少第2炉冶炼过程中各阶段的烟气流量，并升高冷却水温度，并得出第2炉各阶段的参数控制值；(c)重复上述步骤；(d)至第n炉时，输入电能达到节能的期望值(此处的期望值可随着冶炼技术的发展、控制技术的进步以及其它的因素而变化，但不论怎样改变，都可以按照本发明所述步骤得到对电弧炉的节能控制值)，将第n炉各阶段的参数控制值作为电弧炉在冶炼过程各阶段的最终控制值。

图2所示是一种电弧炉节能控制系统的结构图，包括电抗器1、电炉变压器2、短网、电极4及其升降驱动装置、电弧炉本体6、计算机控制装置7、冷却水温度传感器8、冷却水流量传感器9、烟气温度传感器10、烟气流量传感器11、冷却水流量调节器12和烟气流量调节器13。

电源通过电抗器1、电炉变压器2、短网(图中未示)、电极4向电弧炉本体5供电。

冷却水温度传感器8和冷却水流量传感器9设置在冷却水的出口处，分别用于实时测量冷却水的温度和流量，并及时将测得的冷却水温度数据传送到计算机控制装置7；烟气温度传感器10和烟气流量传感器11设置在烟气入口处，用于实时测量排出烟气温度和流量，并将数据实时传送到计算机控制装置7；此处可采用总线方式或模拟方式(4～20mA)实现各传感器与计算机控制装置1之间的通信。在本实施例中，为了保证通信的高速、实时性，确保生产过程的稳定性，各个传感器7采用总线方式与计算机控制装置1相连，选用RS485总线。

计算机控制装置7接收到冷却水温度传感器8、冷却水流量传感器9、烟气温度传感器10和烟气流量传感器11传送过来的信息，经过程序处理后，由计算机控制装置7内部的显示器进行显示，供使用者随时监控。

计算机控制装置7还包括键盘，用户通过键盘输入烟气流量与冷却水温度的设定值，由计算机控制装置7进行计算处理，根据前述方法计算出在设定值下所需的输入电能，并向相连的冷却水流量调节器12和烟气流量调节器13发出控制指令，改变冷却水和烟气的流量大小，同时，控制电极升降驱动装置调节电极4的高度位置来改变输入电弧炉本体5的电能大小。

其中，冷却水流量调节器12可使用调节阀，或其它可以改变冷却水流量的元器件，如在本实施例中，冷却水流量调节器12选用变频器，变频器连接到驱动冷却水泵的电动机，根据计算机控制装置7所发送的控制信号，通过控制冷却水泵的运转速率，从而调整冷却水的流量，达到调节冷却水温度的目的，调整冷却水在电弧炉冶炼过程中带出的热能。

计算机控制装置7还与烟气流量调节器13连接，此处烟气流量调节器13同上，使用可以改变烟气排出量的元器件，如调节阀或变频器，在本实施例中，选用变频器来控制烟气的排放，变频器与驱动排风机的电动机相连，根据计算机控制装置7的控制指令，调节排风机的旋转速度，控制烟气流量，从而调整电弧炉冶炼过程中烟气所带出的热能。

本发明使用时，首先使用者通过键盘输入烟气流量与冷却水温度的设定值，计算机控制装置7依据设定值计算得到在此种状态下的烟气带出热能变化值dQ_Y和冷却水带出热能变化值dQ_S，并根据dQ_D＝dQ_Y+dQ_S，得出输入电能的变化值dQ_D，并向电极升降驱动装置发出指令调整输入电能，向冷却水流量调节器12发出指令调节冷却水的温度至设定值，向烟气流量调节器13发出指令调节烟气流量至设定值；在下一炉同一阶段使用相同的物料进行生产冶炼时，使用者通过键盘再次给出一组设定值，重复上述做法，直至输入电能达到节能的期望值时，将该状态的状态参数、烟气流量设定值、冷却水温度设定值及输入电能作为该状态的控制值，保存在计算机控制装置7中；根据以上步骤，得到电弧炉本体6生产过程中每种物料的各个阶段的控制值，将这些值及对应的状态绘制成曲线，保存在计算机控制装置7中，则在下次进行冶炼时，只需调用相应的控制值，根据其调整好输入电能、烟气流量和冷却水温度，就可进行冶炼，减小烟气的排放量，降低输入电能，并节省再一次重新寻找控制值的时间，提高生产效率。

在现有的节能技术中，都是只考虑了图2中的电抗器1、电炉变压器2、短网3、电极4及其升降驱动装置和电弧炉本体6，即通过降低电路部分的损耗来节约能源，但仅凭单方面降低电路部分的损耗，而不同时降低等式Q_D0＝Q_G0+Q_Y0+Q_S0+Q_T0的右边部分，节能空间是有限的，而本发明充分利用能量守恒原理，通过降低烟气带出热能和冷却水带出热能，从而降低输入的电能，减小能量损耗，为电弧炉的节能减排开拓了一条全新的技术路线。

综上所述，本发明一种电弧炉节能控制方法，重点在于利用能量守恒原理，即烟气带出热能的变化量与冷却水带出热能的变化量之和等于输入电能的变化量，因此可通过降低烟气带出热能与冷却水带出热能，从而降低输入的电能，减小能量损耗，既可以减少冶炼过程中向大气排放的烟气流量，降低对大气的污染，还可降低输入电能，节省能量，达到减排节能的目的。以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1、一种电弧炉节能控制方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：取得电弧炉在冶炼过程中各阶段的参数控制值：(1)在冶炼过程的各个阶段中，在保证电弧炉正常生产的前提下，由人工减少烟气流量和冷却水流量；(2)根据变化后的烟气流量和冷却水流量，由计算机计算出对应阶段的烟气带出热能变化值dQ_Y和冷却水带出热能变化值dQ_S；(3)依据能量守恒原理，假设其他条件不变，则存在烟气带出热能变化值与冷却水带出热能变化值之和等于输入电能的变化值，即dQ_D＝dQ_Y+dQ_S，由计算机计算出各对应阶段输入电能的变化值dQ_D；(4)根据输入电能变化值dQ_D和以往电能单耗的统计值计算出各对应阶段所需的输入电量，计算公式为：W₁＝W₀+dQ_D，式中：W₁表示各对应阶段所需的输入电量，W₀表示以往电能单耗的统计值计算出来的输入电量，其值为单耗与物料量的乘积；(5)得出各阶段的烟气流量和冷却水流量的参数控制值；

2、如权利要求1所述的一种电弧炉节能控制方法，其特征在于：第二步之前，先将得到的上述电弧炉冶炼过程中各个阶段的控制值绘制成曲线，电弧炉再依照该曲线中的参数控制值进行冶炼控制。

3、如权利要求1所述的一种电弧炉节能控制方法，其特征在于：第一步中，各个阶段的参数控制值是通过n炉电弧炉冶炼取得：(a)以现有冶炼参数控制值为基础，减少第1炉冶炼过程中各个阶段的烟气流量，并升高冷却水温度，升高冷却水温度是通过减少冷却水流量来实现，得出第1炉各阶段的参数控制值；(b)在第1炉参数控制值的基础上，继续减少第2炉冶炼过程中各阶段的烟气流量，升高冷却水温度，并得出第2炉各阶段的参数控制值；(c)重复上述步骤；(d)至第n炉时，输入电能达到节能的期望值，则将第n炉各阶段的参数控制值作为电弧炉在冶炼过程各阶段的最终控制值。

4、利用权利要求1中所述方法的一种电弧炉节能控制系统，其特征在于：包括电抗器、电炉变压器、短网、电极及其升降驱动装置、电弧炉本体、计算机控制装置、冷却水温度及流量传感器、烟气温度及流量传感器、冷却水流量调节器和烟气流量调节器；电源通过电抗器、电炉变压器、短网、电极向电弧炉本体供电；计算机控制装置接受冷却水温度及流量传感器、烟气温度及流量传感器传入的信息，并控制冷却水流量调节器和烟气流量调节器来改变冷却水和烟气的流量大小，同时，控制电极升降驱动装置调节电极的高度位置来改变输入电弧炉本体的电能大小。

5、如权利要求4所述的一种电弧炉节能控制系统，其特征在于：冷却水流量调节器及烟气流量调节器是驱动电机的变频调速器或管道的电动调节阀。

6、如权利要求4所述的一种电弧炉节能控制系统，其特征在于：冷却水温度及流量传感器与烟气温度及流量传感器通过现场总线方式或模拟量方式与计算机控制装置相连。