CN106123768B

CN106123768B - 一种矿热炉电极深度测量系统

Info

Publication number: CN106123768B
Application number: CN201610490475.2A
Authority: CN
Inventors: 张宗有
Original assignee: Qingdao Firstech Control Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Qingdao Firstech Control Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2018-11-30
Anticipated expiration: 2036-06-29
Also published as: CN106123768A

Abstract

本发明提供了一种矿热炉电极深度测量系统，由数据采集模块、功率模块和计算机处理模块组成。数据采集模块包括电压检测单元、电流检测单元及大电流互感器，通过电压检测单元测量一次侧电压、补偿侧电压、低压侧电压；通过电流检测单元测量一次侧电流、补偿侧电流；通过大电流互感器将低压侧的电流信号转化为电压信号输送至电压检测单元，获取低压侧电流；由功率模块根据获取的电压电流参数计算出电炉的有功功率、无功功率；通过485通讯协议将电压电流检测单元及功率模块的电气数据传输给计算机处理模块，经过计算机数据处理得出精确的操作电阻，再根据计算机仿真模拟得到电极深度与操作电阻的最优化函数曲线，得出最优化的电极深度参数。

Description

一种矿热炉电极深度测量系统

技术领域

本发明涉及一种矿热炉电极深度测量系统，属于冶金领域。

背景技术

矿热炉是典型的高耗能用电负荷，其单产电耗直接关系到经济成本。现有的操作方式主要通过一次电流、一次总有功、一次功率因数等参数控炉。由于得不到电极的实际工作参数，只能依据一次参数按经验估算成电极参数进行控炉，自然会造成较大的控炉偏差，当有中低压无功补偿时，偏差会更大，严重时甚至不能控炉。近年来，随着技术的发展，越来越多的矿热炉开始采取恒电阻原理即以矿热炉的操作电阻为基础的控制系统来控炉，通过操作电阻控炉可以有效控制三相电极操作，提高矿热炉的冶炼效率和质量。

矿热炉通过三相电极插入炉料进行埋弧操作,利用电弧的能量及电流通过炉料,因炉料的电阻而产生能量,使原料在一定温度下发生化学还原反应生成成品。一般来说，电极深而稳地插入炉料中，坩埚区大，炉内温度高而均匀；当电极插入过浅时，由于炉底功率密度不足，会造成结瘤和炉缸变冷，这对于需要大量热能的矿石还原过程是不利的；反之，电极深度插入过深，会引起炉底和熔体过热，金属烧损大，料面上部变凉，下料速度变慢。矿热炉三相电极深度参数直接影响炉内温度,决定了矿热炉的冶炼效率和质量。因此矿热炉电极深度这一参数对控炉尤为重要。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供一种矿热炉电极深度测量系统，通过测量电炉有功功率、无功功率及二次电压经过计算机的数据处理提供精确的操作电阻，再根据计算机仿真得到电极深度与操作电阻的最优化函数曲线，得出最优化的电极深度参数。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是:

一种矿热炉操作电阻测量系统，由数据采集模块1、功率模块2和计算机处理模块3组成。数据采集模块包括电压检测单元11、电流检测单元12及大电流互感器13；所述大电流互感器13将低压侧的电流信号转化为电压信号输送至所述电压检测单元11；所述大电流互感器13与所述电压检测单元11为电连接；所述电压检测单元11与所述功率模块2为数据连接；所述电流检测单元12与所述功率模块2为数据连接；通过所述电压检测单元11测量得到每相变压器一次侧电压、每相变压器补偿侧电压、每相变压器低压侧电压；通过所述电流检测单元12测量得到每相变压器一次侧电流、每相变压器补偿侧电流、每相变压器低压侧电流；由所述功率模块2根据获取的所述每相变压器一次侧电压、每相变压器补偿侧电压、每相变压器低压侧电压、每相变压器一次侧电流、每相变压器补偿侧电流、每相变压器低压侧电流计算出矿热炉的有功功率、无功功率；通过485通讯协议将电气数据传输给所述计算机处理模块3，经过计算机的数据处理计算出精确的操作电阻阻值；再由所述计算机处理模块仿真模拟得到电极深度与操作电阻的最优化函数曲线，得出最优化的电极深度参数。

所述操作电阻阻值的具体测算步骤如下：

1、测量每相变压器一次侧的有功功率及无功功率；

2、测量每相变压器补偿侧的补偿无功；

3、测量每相变压器低压侧的补偿无功；

4、计算得到每相变压器的有功功率及每相变压器的无功功率；

5、测量每相变压器二次电压；

6、根据每相变压器的有功功率、每相变压器的无功功率及每相变压器二次电压，计算出角接状态下每相变压器的功率因数角、每相变压器的阻抗值、每相变压器的感抗值及每相变压器的电阻值；

7、按照电工原理将角接阻抗换算成星接阻抗，即可得到每相变压器的操作电阻阻值。

8、再通过以下步骤计算电极深度：

1）矿热炉的操作电阻由三部分电阻并联组成：电极对炉底电阻，该部分电阻全部处于熔化区；电极间电阻，该部分电阻一部分处于熔化区，一部分处于非熔化区；电极对炉壳电阻，该电阻一部分处于熔化区，一部分处于非熔化区。

2）电极对炉底电阻计算公式：

R1=ρ1·f(D,H1)

式中：R1----电极对炉底电阻；

ρ1----熔化区炉料电阻率；

D----电极直径；

H1----电极至炉底距离；

3）熔化区电极间及电极对炉壳电阻计算公式：

R2=ρ1·f(D,D0,H2,DT)

式中：R2----熔化区电极间及电极对炉壳电阻；

D0----三相电极基心圆直径

H2----电极处于熔化区的长度（不含电极头）

DT----炉膛直径

4）非熔化区电极间及电极对炉壳电阻计算公式：

R3=ρ3·f(D,D0,H3,DT)

式中：R3----非熔化区电极间及电极对炉壳电阻；

ρ3----非熔化区炉料电阻率

H3----电极处于非熔化区的长度

5）总操作电阻为三个电阻的并联，其计算公式：

R=1/[(1/R1)+(1/R2)+(1/R3)]

式中：R----总操作电阻；

6）通过采集一段时间矿热炉的运行参数，并在已知电极的插入深度后得到统计平均值电阻率。

7）通过测量得到的操作电阻阻值采用计算机模拟仿真，得到最优化的电极深度。

本发明具有如下优越性: 提供精确的操作电阻，根据电极深度与操作电阻的最优化函数曲线，得出最优化的电极深度参数，提示操作人员按照深度值进行电极调整，从而保证电炉时刻工作在最佳状态，提高矿热炉冶炼效率，节省了成本，提高了企业的经济效益。

附图说明

下面结合实施例及附图对本发明进行更详细的说明。

图1是本发明的本实施例的矿热炉电路结构示意图；

图2是本发明的操作电阻等值电路图；

图3是本发明的操作电阻等值星接电路图；

图4是本发明的电极深度示意图；

图5是本发明的电极深度计算示意图；

图6是本发明的电极深度与操作电阻的函数曲线图；

图7是本发明的系统框图。

具体实施方式

实施例1

本发明的范围并不局限于本实施例。

一种矿热炉电极深度测量系统，由数据采集模块、功率模块和计算机处理模块组成。数据采集模块包括电压检测单元、电流检测单元及大电流互感器，通过电压检测单元测量一次侧电压、补偿侧电压、低压侧电压；通过电流检测单元测量一次侧电流、补偿侧电流；通过大电流互感器将低压侧的电流信号转化为电压信号输送至电压检测单元，获取低压侧电流；由功率模块根据获取的电压电流参数计算出电炉的有功功率、无功功率；通过485通讯协议将电压电流检测单元及功率模块的电气数据传输给计算机处理模块，经过计算机的数据处理计算出精确的操作电阻，再根据计算机仿真模拟得到电极深度与操作电阻的最优化函数曲线，得出最优化的电极深度参数。

计算操作电阻的具体步骤如下：

1、测量每相变压器一次侧的有功功率P_A1、P_B1、P_C1及无功功率Q_A1、Q_B1、Q_C1；

2、测量每相变压器补偿侧的补偿无功Q_A2、Q_B2、Q_C2；

3、测量每相变压器低压侧的补偿无功Q_A3、Q_B3、Q_C3；

4、测量变压器的实际负荷S；

5、计算得到矿热炉每相变压器的有功功率P_A 、P_B 、P_C及每相变压器的无功功率Q_A、Q_B 、Q_C；

P_A=P_A1-P_损，P_B=P_B1-P_损，P_C=P_C1-P_损

P_损=P₀+P_t*(S/S_M)²

Q_A≈ Q_A1+ Q_A2+ Q_A3, Q_B≈Q_B1+Q_B2+Q_B3, Q_C≈Q_C1+Q_C2+Q_C3

5、测量每相变压器二次电压U_A、U_B、U_C；

6、根据每相变压器的有功功率P_A、P_B、P_C、每相变压器的无功功率Q_A、 Q_B、Q_C及每相变压器二次电压U_A、U_B、U_C，计算出角接状态下每相变压器的功率因数角φ_A、φ_B、φ_C，每相变压器的阻抗值Z_A，Z_B，Z_C, 每相变压器的感抗值X_A，X_B，X_C及每相变压器的电阻值R_A，R_B，R_C；

Z_A=U_A ²/, Z_B=U_B ²/, Z_C=U_C ²/

φ_A=arctan(Q_A/P_A),φ_B=arctan(Q_B/P_B),φ_C=arctan(Q_C/P_C)

X_A=Z_ASINφ_A,X_B=Z_BSINφ_B,X_C=Z_CSINφ_C

R_A=Z_ACOSφ_A,R_B=Z_BCOSφ_B,R_C=Z_CCOSφ_C

（P_损为变压器损耗，P₀为变压器空载损耗，P_t为变压器额定容量下的线损，S为变压器的实际负荷，S_M为变压器额定容量，P_损中还应包括变压器消耗的无功，因其数值较小，不予以考虑， P_A、P_B、P_C为每相变压器有功功率，Q_A 、Q_B 、Q_C为每相变压器无功功率，P_A1、P_B1、P_C1为每相变压器一次侧有功功率，Q_A1、Q_B1、Q_C1为每相变压器一次侧无功功率，Q_A2、Q_B2、Q_C2为每相变压器补偿侧的补偿无功，Q_A3、Q_B3、Q_C3为每相变压器低压侧的补偿无功； X_A，X_B，X_C,为每相变压器的感抗值，Z_A，Z_B，Z_C为每相变压器的阻抗值，R_A，R_B，R_C为每相变压器的电阻值，φ_A、φ_B、φ_C为每相变压器的功率因数角）

7、按照电工原理将角接阻抗换算成星接阻抗，即可得到每相变压器的操作电阻阻值R₁、R₂、R₃。

R₁=(R_A*R_C)/(R_A+R_B+R_C)；R₂=(R_B*R_C)/(R_A+R_B+R_C)；R₃=(R_A*R_B)/(R_A+R_B+R_C)

8、通过操作电阻计算得到电极深度，经过计算机模拟仿真电极深度与操作电阻的最优化函数曲线，得出最优化的电极深度参数。

通过以下步骤计算电极深度：

2）电极对炉底电阻计算公式：

R1=ρ1·f(D,H1)

式中：R1----电极对炉底电阻；

ρ1----熔化区炉料电阻率；

D----电极直径；

H1----电极至炉底距离；

3）熔化区电极间及电极对炉壳电阻计算公式：

R2=ρ1·f(D,D0,H2,DT)

式中：R2----熔化区电极间及电极对炉壳电阻；

D0----三相电极基心圆直径

H2----电极处于熔化区的长度（不含电极头）

DT----炉膛直径

4）非熔化区电极间及电极对炉壳电阻计算公式：

R3=ρ3·f(D,D0,H3,DT)

式中：R3----非熔化区电极间及电极对炉壳电阻；

ρ3----非熔化区炉料电阻率

H3----电极处于非熔化区的长度

5）总操作电阻为三个电阻的并联，其计算公式：

R=1/[(1/R1)+(1/R2)+(1/R3)]

式中：R----总操作电阻；

8）电阻率的确定是通过采集一段时间电炉的运行参数，并在已知电极的插入深度后得到的统计平均值。

以25.5MW硅锰炉通过数学模型计算的操作电阻与电极深度关系曲线为例，计算条件为：电极直径：D=140cm

炉膛直径：DT=1100cm

基心圆直径：D0=380cm

炉料总深度：320cm

平均熔化物料电阻率：ρ1=0.75Ω·cm

平均非熔化物料电阻率：ρ3=15Ω·cm

假定测量得到操作电阻为1.02 mΩ，根据电极深度与操作电阻的最优化函数曲线，最优化的电极深度为130cm。

本发明通过操作电阻精确测量和电极深度与操作电阻的最优化选择，得出最优化的电极深度参数，提示操作人员按照深度值进行电极调整，从而保证电炉时刻工作在最佳状态，提高矿热炉冶炼效率，节省了成本，提高了企业的经济效益。

Claims

1.一种矿热炉电极深度测量系统，其特征在于: 其由数据采集模块、功率模块和计算机处理模块组成；所述数据采集模块包括电压检测单元、电流检测单元及大电流互感器，通过所述电压检测单元测量一次侧电压、补偿侧电压、低压侧电压；通过所述电流检测单元测量一次侧电流、补偿侧电流；通过所述大电流互感器将低压侧的电流信号转化为电压信号输送至电压检测单元，获取低压侧电流；由所述功率模块根据获取的电压电流参数计算出电炉的有功功率、无功功率；通过485通讯协议将电气数据传输给所述计算机处理模块，经过计算机的数据处理计算出精确的操作电阻，再根据计算机仿真模拟得到电极深度与操作电阻的最优化函数曲线，得出具体的电极深度参数。

2.根据权利要求1所述的矿热炉电极深度测量系统，其特征在于:操作电阻测量具体步骤如下：

1）、测量每相变压器一次侧的有功功率及无功功率；

2）、测量每相变压器补偿侧的无功功率；

3）、测量每相变压器低压侧的无功功率；

4）、计算得到电炉每相的有功功率及无功功率；

5）、测量二次侧每相的二次电压；

6）、根据测得每相有功功率、无功功率及二次电压，计算出角接状态下的电抗值及电阻值；

7）、按照电工原理将角接阻抗换算成星接阻抗，即可得到操作电阻。