CN204841957U - 一种转炉静电除尘工艺的高压控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种转炉静电除尘工艺的高压控制系统。该转炉静电除尘工艺的高压控制系统包括依次电连接的第一控制模块、第二控制模块、IGBT执行机构和高压整流变压器，其中：第一控制模块用于根据预设的控制模型对收到的一次电流反馈值、二次电压/电流运行值、电场粉尘浓度和转炉冶炼工艺操作状态进行处理，并输出相应的控制范围至第二控制模块；第二控制模块用于通过比对收到的一次电流反馈值和控制范围的关系，改变IGBT执行机构开关频率的高低，进而控制电流的大小。采用本实用新型的方案，能够有效提高转炉静电除尘系统的除尘效果和除尘效率，在满足粉尘排放达标的前提下，输出最低的电场电功率，提高节电水平。

Description

一种转炉静电除尘工艺的高压控制系统

技术领域

本实用新型涉及转炉电除尘技术领域，特别涉及一种转炉静电除尘工艺的高压控制系统。

背景技术

目前，随着钢铁行业的结构性调整，炼钢转炉已趋于大型化(达到120吨～300吨)，钢铁企业大多采用转炉全三脱冶炼工艺以提高钢水纯净度，为降低生产成本，国内大型转炉炼钢普遍采用转炉造渣加石灰和白云石工艺，，由于造渣料中含有大量粉状CaO可导致瞬时回收烟气中粉尘成分剧烈变化，从而使粉尘排放的控制难度大大增加。目前，很多大型转炉都还使用湿法除尘，其粉尘最大排放大于300mg/Nm3以上，无法实现环保指标,节能环保形势严峻。

为了解决转炉粉尘净化问题，越来越多的钢铁企业采用转炉煤气静电除尘系统，该系统的核心技术是高压控制系统。目前，该高压控制系统均采用单向可控硅(可控硅又叫晶闸管，SiliconControlledRectifier,可控硅)调幅方式。

然而，在转炉冶炼周期内，尤其在加料、吹氧前期、后期、溅渣阶段，周期短、温度波动导致比电阻变化大，快速变化的粉尘比电阻会诱发闪络的电压限值不断改变。而现有的单相可控硅调幅控制方式的系统存在功率因数低(0.7以下)、谐波污染大、动态响应慢等因素，因而在以上工艺阶段已难以满足排放要求。另外，由于单向可控硅控制系统的电效率低(大约仅为64％)，因而只能采用大功率的单相系统，造成电耗大。

如何克服上述不足，开发即要满足大转炉冶炼过程粉尘排放达标，又能节省电耗的高端技术是本领域亟待解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提供一种针对转炉静电除尘工艺的高压控制系统，既能有效提高转炉静电除尘系统的除尘效率，又能节省电耗。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种转炉静电除尘工艺的高压控制系统，高压控制系统包括依次电连接的第一控制模块、第二控制模块、IGBT执行机构和高压整流变压器，其中：第一控制模块用于根据预设的控制模型对收到的一次电流反馈值、二次电压/电流运行值、电场粉尘浓度和转炉冶炼工艺操作状态进行处理，并输出相应的控制范围至第二控制模块；第二控制模块用于通过比对收到的一次电流反馈值和控制范围的关系，改变IGBT执行机构开关频率的高低，进而控制电流的大小。

进一步地，第一控制模块为智能控制模块，第二控制模块为工业嵌入式控制模块。

进一步地，高压控制系统还包括一次电流采集装置，用于采集IGBT执行机构输出的电流，并反馈至工业嵌入式控制模块。

进一步地，高压控制系统还包括二次电压/电流采集装置，用于采集高压整流变压器输出的二次电压/电流，并反馈至智能控制模块。

进一步地，高压控制系统还包括电场粉尘浓度检测装置，用于检测电除尘器除尘后的电场粉尘浓度，并反馈至智能控制模块。

进一步地，高压控制系统还包括转炉信号接收装置，用于实时接收转炉冶炼工艺操作状态等信息，并反馈至所述智能控制模块。

进一步地，高压控制系统中第一控制模块包括闪络电压限值自动跟踪子单元，用于在转炉除尘运行期间，系统依照变化的粉尘负载所诱发的闪络电压限值，进行闪络极限扫描，通过预设模糊逻辑跟踪这种变化，计算出新的闪络极限电压，使得在粉尘浓度大时，在保证不击穿的情况下尽可能输出高的除尘电功率。

进一步地，高压控制系统中第一控制模块包括闪络模糊判别与控制子单元，用于对获取的二次电压/电流运行值与前两次采样加权值比较后，触发预置的模糊闪络判别程序，并根据检测的闪络类型和密度，进行闪络自动控制。

进一步地，高压控制系统中第一控制模块包括最低功耗优化子单元，用于根据转炉冶炼工艺各阶段的操作状态下的电场电功率和实测粉尘排放量，获得粉尘的实际运行排放量、与目标排放量及电场输出功率的对应关系；根据粉尘排放量的变化趋势，计算出电场输出功率的调整量，进而确定对应的控制范围，实现排放达标与最低功耗协同控制。

进一步地，高压控制系统中第一控制模块包括调幅变频控制子单元，用于将所述电除尘器的除尘负载与第一预定值和第二预定值进行比较，当所述电除尘器的除尘负载大于第一预定值时，调节所述IGBT执行机构的开关频率快于9KHz，当所述电除尘器的除尘负载小于第二预定值时，调节所述IGBT执行机构的开关频率慢于9KHz，进而控制电流的大小。

与现有技术相比，本实用新型的方案是以转炉冶炼工艺的阶段和操作状态、电场粉尘浓度值、高压整流变压器的二次电压/电流运行值和一次电流反馈值作为动态输入变量，通过自动控制-炼钢-电除尘工艺相结合，建立除尘专家系统高压控制模型，采用这种控制方案，解决了由于除尘工艺比电阻变化大所引发的除尘效率低的问题，尤其可以有效解决了第一电场在吹炼时粉尘量过大引起的系统掉电现象，保证了比电阻动态变化大时的除尘电功率，显著提高了除尘效率。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为实现本实用新型实施例的高压控制系统的控制过程图；

图2为本实用新型实施例的高压控制系统的结构框图。

具体实施方式

应当指出，本部分中对具体结构的描述及描述顺序仅是对具体实施例的说明，不应视为对本实用新型的保护范围有任何限制作用。此外，在不冲突的情形下，本部分中的实施例以及实施例中的特征可以相互组合。

请同时参考图1和图2，下面将结合附图对本实用新型实施例高压控制系统作详细说明。

在本实施例中，转炉静电除尘工艺的高压控制系统包括依次电连接的第一控制模块、第二控制模块、IGBT执行机构和高压整流变压器，其中：第一控制模块用于根据预设的控制模型对收到的一次电流反馈值、二次电压/电流运行值、电场粉尘浓度和转炉冶炼工艺操作状态进行处理，并输出相应的控制范围至第二控制模块；第二控制模块用于通过比对收到的一次电流反馈值和控制范围的关系，改变IGBT执行机构开关频率的高低，进而控制电流的大小。

本发明的方案是以转炉冶炼工艺的阶段和操作状态、电场粉尘浓度值、高压整流变压器的二次电压/电流运行值和一次电流反馈值作为动态输入变量，通过自动控制-炼钢-电除尘工艺相结合，建立除尘专家系统高压控制模型，采用这种控制方案，解决了由于除尘工艺比电阻变化大所引发的除尘效率低的问题，尤其可以有效解决了第一电场在吹炼时粉尘量过大引起的系统掉电现象，保证了比电阻动态变化大时的除尘电功率，显著提高了除尘效率。

这样，在烟气量过大时，可以通过变频提升输出电晕功率，使系统反应速率显著提高，电流控制更为平稳，从而有效地提高除尘效率。高压整流变压器用于通过其输出侧为电除尘器提供直流供电。

第一控制模块为智能控制模块，第二控制模块为工业嵌入式控制模块。

高压控制系统还包括一次电流采集装置，用于采集IGBT执行机构输出的电流，并反馈至工业嵌入式控制模块。一次电流采集装置可以实时将IGBT执行机构输出的电流反馈至工业嵌入式控制模块，使得工业嵌入式控制模块能够实时对IGBT执行机构进行调整，可以快速获取所需的IGBT开关频率，提高了调整的效率。

高压控制系统还包括二次电压/电流采集装置，用于采集高压整流变压器输出的二次电压/电流，并反馈至智能控制模块。通过二次电压/电流采集装置，智能控制模块能够实时获取高压整流变压器输出的二次电压/电流，并根据这些实时数据实时调整对工业嵌入式控制模块的输出，保证系统运行的准确性和可靠性。

高压控制系统还包括电场粉尘浓度检测装置，用于检测电除尘器除尘后的电场粉尘浓度，并反馈至智能控制模块。智能控制模块根据除尘器除尘后的电场粉尘浓度，可以确定电除尘器的除尘效率，并根据这个除尘效率进行计算，确定合理的控制参数，然后输送至工业嵌入式控制模块，使得工业嵌入式控制模块能够输出修正的控制信号，控制IGBT执行机构的开关频率，获得更加合理的IGBT执行机构开关频率。

高压控制系统中第一控制模块包括闪络电压限值自动跟踪子单元，用于在转炉除尘运行期间，系统依照变化的粉尘负载所诱发的闪络电压限值，进行闪络极限扫描，通过预设模糊逻辑跟踪这种变化，计算出新的闪络极限电压，使得在粉尘浓度大时，在保证不击穿的情况下尽可能输出高的除尘电功率，从而进行闪络精细化控制，提高除尘效率和设备稳定性。

高压控制系统中第一控制模块包括闪络模糊判别与控制子单元，用于对获取的二次电压/电流运行值与前两次采样加权值比较后，触发预置的模糊闪络判别程序，并根据检测的闪络类型和密度，进行闪络自动控制。

高压控制系统中第一控制模块包括最低功耗优化子单元，用于根据转炉冶炼工艺各阶段的操作状态下的电场电功率和实测粉尘排放量，获得粉尘的实际运行排放量、与目标排放量及电场输出功率的对应关系；根据粉尘排放量的变化趋势，计算出电场输出功率的调整量，进而确定对应的控制范围，实现排放达标与最低功耗协同控制。

高压控制系统中第一控制模块包括调幅变频控制子单元，用于将所述电除尘器的除尘负载与第一预定值和第二预定值进行比较，当所述电除尘器的除尘负载大于第一预定值时，调节所述IGBT执行机构的开关频率快于9KHz，当所述电除尘器的除尘负载小于第二预定值时，调节所述IGBT执行机构的开关频率慢于9KHz，进而控制电流的大小。

在本实施例中，IGBT执行机构的开关频率基准为9KHz，当电除尘器的除尘负载大于第一预定值时，IGBT执行机构的开关频率快于9KHz，当电除尘器的除尘负载小于第二预定值时，IGBT执行机构的开关频率慢于9KHz。第一预定值和第二预定值由第二控制模块(工业嵌入式控制模块)根据采集的前一时刻一次电流反馈值计算得到，其中第一预定值大于第二预定值。

本实用新型实施例的转炉静电除尘工艺的高压控制系统在工作时，根据预设的控制模型对收到的一次电流反馈值、二次电压/电流运行值、电场粉尘浓度和转炉冶炼工艺操作状态进行处理，得到相应的控制范围；根据一次电流反馈值和控制范围的关系，改变IGBT执行机构开关频率的高低，进而控制电流的大小，通过已设定的系统工作频率，来改变控制电流的方向；通过与IGBT执行机构的输出侧电连接的高压整流变压器为电除尘器提供直流供电。

在控制系统的实施例中，前述方法的第一步骤和第二步骤可以通过对应的第一控制模块和第二控制模块实现相应功能。

在本实用新型实施例中，为实现对控制输出最大电流的更精准控制，提升除尘功率水平，将高压整流变压器的二次电压/电流运行值、一次电流反馈值作为动态输入变量，还新引入转炉冶炼工艺的阶段和操作状态、电场粉尘浓度等新变量，通过多种智能控制优化技术与控制-炼钢-电除尘工艺相结合，如闪络电压限值自动跟踪、闪络模糊判别与智能控制、最低功耗优化、调幅变频控制等，建立除尘专家系统高压控制模型。

在转炉除尘运行期间，快速变化的粉尘负载会导致诱发闪络的电压限值不断改变，智能控制模块系统会重复进行闪络极限扫描，通过模糊逻辑自动跟踪这种变化，并计算生成新的闪络限值电压，以达到最佳的电晕功率，使除尘器的粉尘排放量最小。

智能控制模块可以通过μs级高速采样频率，实时检测二次电压/电流，当二次电压值小于前两次采样加权值时，触发模糊闪络判别程序，并根据之前检测的闪络类型和密度，进行闪络精细化控制，提高了除尘效率和设备稳定性。

具体地，可以首先通过瞬时值模糊闪络判别和1ms平均值闪络判别(火花)两种判别方式来确定是否发生闪络。之后根据闪络检测到的不同电压/电流值、模糊判别逻辑和相应范围值确定闪络的类型。

更具体地，判别过程分两步进行：第一步，首先判断二次电压/电流在当前二次电压减小以前的变化趋势；第二步，在随后的μs级采样计算后，判断发生二次电压减小后，二次电压回升的程度，最后确定本次电压降落是否是一次闪络。

其中，闪络类型可以分为模式1、模式2、模式3和模式4四种。具体闪络优化控制方案可以采用如下：

①在检测到闪络模式1时，系统会对除尘器进行快速充电，使得电压迅速

增至低于原电压的某值，除尘器电流调增不多。

②在检测到闪络模式2时，系统会关断一段时间，以使闪络消失，之后对除尘器电压以步进速率增至某电压值，为避免立即再次发生闪络，该电压值等于前一次检测的闪络限值减去一个折减数。这时，除尘器电压降低，并会持续一段时间，除尘器电流调增较多。

③在检测到闪络模式3和模式4时，系统均会启动相对应的特殊措施来进行闪络处理。

另外，方法或系统还可以具有模糊逻辑功率控制功能，例如，对于大型转炉静电除尘器，智能控制模块可以应用模糊逻辑优化系统控制，在粉尘排放达标的情况下，大幅降低系统电功耗。具体而言，可以首先采集测量转炉冶炼工艺的各个阶段和操作状态下电场电功率和粉尘排放量等数据，得出粉尘的实际运行排放量、目标排放量与电场输出功率的对应关系；根据粉尘排放量的变化趋势，计算出电场输出功率的调整量，并进行实际调整。最终实现在满足粉尘排放达标的前提下，输出最低的电场电功率，提高节电水平。

由于采用IGBT器件，系统响应速度较单相和三相可控硅系统可提高几十倍，系统功率因数COSΦ＝0.96，远高于单相可控硅COSΦ≤0.7，三相可控硅COSΦ≤0.9，系统电功率比单相可控硅提升50％，比三相可控硅提升20％以上；可控硅系统配套的工频正弦变压器内部阻抗≥38％，大量电功率都损耗在了工频正弦变压器上，而配套本系统换向变频的IGBT输出供电的高压整流变压器内部阻抗仅6％，约32％的损耗电功率均转换为有效除尘电功率。因此在输出同等除尘电功率情况下，本系统更加节电。

当除尘负荷变化时，特别是在粉尘波动最大的冶炼吹氧和溅渣阶段大量粉尘通过时，本实用新型实施例的方案可以通过变频提升输出电功率，使系统反应速率显著提高，电流控制相对更为平稳，相对单相和三相可控硅系统最低几十毫安，本方法在同等工艺条件下，平均最低输出也在300mA左右，有效地提高了除尘效率，除尘效果非常明显。

此外，在响应速度上较单相和三相可控硅系统可提高几十倍，及时弥补了单相和三相可控硅系统响应慢的情况，除尘控制供电更加及时精准；本发明实施例中，输出的二次电压形成一种基本恒定的无纹波状态，电压无纹波并保持峰值电压恒定可使平均除尘电压大幅提高，而单相和三相可控硅系统采用移相调幅，调压滞后导致二次电压波动较大，平均除尘电压难以达到更高；二次电流在闪络发生后会立即关断，消电离周期(ms级)更短，输出的二次最大电流即为有效电流，大大提高了工作效率。

下图为本实用新型实施例的方案与现有技术各参数的整体比较结果：

转炉煤气静电除尘是当今世界上最先进的解决转炉粉尘净化问题的有效技术之一。我国大型转炉煤气干法除尘与回收技术是近几年从国外引进的，国内对这些系统的研究与产业化起步较晚。直到目前，大多数系统中的关键核心技术设备---高压静电除尘控制系统，均使用单相可控硅相控调压方式控制。

转炉冶炼工艺在其吹氧前期、后期，尤其在溅渣阶段与吹氧阶段相比较，周期短、温度波动大导致比电阻变化大。现有的单相可控硅高压电源因其系统功率因数低，谐波污染大，动态响应慢等因素的影响，在以上工艺阶段影响除尘效率。此外，由于单向系统的电效率低(仅为64％)，现有系统只能采用大功率的单相电源，造成电耗大。

转炉冶炼过程中，由于工艺不断变化而引起的诸如操作状态、极端的过程波动和多电极配置等所产生的问题，是无法完全用纯数学的方式描述的。而在本实用新型实施例的方案中，控制系统采用IGBT(驱动，控制，保护)系统单元以及工业嵌入式模块实现控制，利用闪络模糊识别与控制-炼钢-电除尘工艺技术相结合，并根据转炉工艺状态及系统在线工艺参数信号，建立除尘专家系统高压控制优化模型。应用专用工业控制单板机开发出智能的最大功率跟踪控制器，控制输出最大初级电流，使得电晕功率平均值达到最大。

而且在本实用新型实施例的方案中，根据转炉工艺状态信号，采用优化闪络极限电压并重复扫描的方法，采用智能的最大功率跟踪控制器，通过模糊逻辑自动跟踪这种变化，计算生成新的闪络极限电压，在闪络模糊判别、脉冲调制控制、电晕效应的优化等方面，能够使达到最佳电效率，改善了烟气的净化效果。

由上述可知，传统的单相可控硅调压系统与现今正在使用的三相可控硅调压系统均采用硅控调压的工作模式，通过电压的变化形成针对现场不同的工况条件，做出不同的响应状态。而在本实用新型中，IGBT控制的变频系统采用逆变器工作原理，在电压闭环控制的基础上，采用电流闭环控制，依据除尘工艺的变化调节频率，显著提高输出电功率。特别是粉尘浓度大的恶劣的工况条件下，变频提升输出电功率，配合双闭环控制，电流输出更为平稳，使得除尘效率显著提高，设备运行稳定。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或者部分步骤/单元/模块可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述实施例各单元中对应的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光碟等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种转炉静电除尘工艺的高压控制系统，其特征在于，所述高压控制系统包括依次电连接的第一控制模块、第二控制模块、IGBT执行机构和高压整流变压器，其中：

所述第一控制模块用于根据预设的控制模型对收到的一次电流反馈值、二次电压/电流运行值、电场粉尘浓度和转炉冶炼工艺操作状态进行处理，并输出相应的控制范围至第二控制模块；

所述第二控制模块用于通过比对收到的一次电流反馈值和所述控制范围的关系，改变所述IGBT执行机构开关频率的高低，进而控制电流的大小。

2.根据权利要求1所述的高压控制系统，其特征在于，所述第一控制模块为智能控制模块，第二控制模块为工业嵌入式控制模块，IGBT执行机构工作频率范围为200-500Hz。

3.根据权利要求2所述的高压控制系统，其特征在于，所述高压控制系统还包括一次电流采集装置，用于采集所述IGBT执行机构输出的电流，并反馈至所述工业嵌入式控制模块。

4.根据权利要求2所述的高压控制系统，其特征在于，所述高压控制系统还包括二次电压/电流采集装置，用于采集所述高压整流变压器输出的二次电压/电流，并反馈至所述智能控制模块。

5.根据权利要求2所述的高压控制系统，其特征在于，所述高压控制系统还包括电场粉尘浓度检测装置，用于检测电除尘器除尘后的电场粉尘浓度，并反馈至所述智能控制模块。

6.根据权利要求2所述的高压控制系统，其特征在于，所述高压控制系统还包括转炉信号接收装置，用于实时接收转炉冶炼工艺操作状态等信息，并反馈至所述智能控制模块。

7.根据权利要求1所述的高压控制系统，其特征在于，所述高压控制系统中第一控制模块包括闪络电压限值自动跟踪子单元，用于在转炉除尘运行期间，系统依照变化的粉尘负载所诱发的闪络电压限值，进行闪络极限扫描，通过预设模糊逻辑跟踪这种变化，计算出新的闪络极限电压，使得在粉尘浓度大时，在保证不击穿的情况下尽可能输出高的除尘电功率。

8.根据权利要求1所述的高压控制系统，其特征在于，所述高压控制系统中第一控制模块包括闪络模糊判别与控制子单元，用于对获取的二次电压/电流运行值与前两次采样加权值比较后，触发预置的模糊闪络判别程序，并根据检测的闪络类型和密度，进行闪络自动控制。

9.根据权利要求1所述的高压控制系统，其特征在于，所述高压控制系统中第一控制模块包括最低功耗优化子单元，用于根据转炉冶炼工艺各阶段的操作状态下的电场电功率和实测粉尘排放量，获得粉尘的实际运行排放量、与目标排放量及电场输出功率的对应关系；根据粉尘排放量的变化趋势，计算出电场输出功率的调整量，进而确定对应的控制范围，实现排放达标与最低功耗协同控制。

10.根据权利要求1所述的高压控制系统，其特征在于，所述高压控制系统中第二控制模块的包括调幅变频控制子单元，用于将所述电除尘器的除尘负载与第一预定值和第二预定值进行比较，当所述电除尘器的除尘负载大于第一预定值时，调节所述IGBT执行机构的开关频率快于9KHz，当所述电除尘器的除尘负载小于第二预定值时，调节所述IGBT执行机构的开关频率慢于9KHz，进而控制电流的大小。