時(shí)劍，廉迎戰(zhàn)，韋荷，劉輝，余宇航

（1．廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州 510006；2．佛山市華鴻銅管有限公司，廣東佛山 528234；3．廣東中鈺科技有限公司，廣東廣州 511419）

基于模糊算法的熔鑄爐電力能耗分析研究

時(shí)劍1，廉迎戰(zhàn)1，韋荷1，劉輝2，余宇航3

（1．廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州 510006；2．佛山市華鴻銅管有限公司，廣東佛山 528234；3．廣東中鈺科技有限公司，廣東廣州 511419）

針對(duì)有色金屬加工企業(yè)熔鑄生產(chǎn)工藝流程的特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)熔鑄設(shè)備的用能狀況和數(shù)據(jù)，利用模糊算法對(duì)設(shè)備電能質(zhì)量進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)。對(duì)不同工況下的電能質(zhì)量和能耗指標(biāo)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，降低能源消耗，提升企業(yè)能源管理和設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

熔鑄設(shè)備；能耗；電能質(zhì)量；模糊算法；能效對(duì)標(biāo)

0 引 言

現(xiàn)代有色金屬加工行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模日趨大型化、智能化和現(xiàn)代化，存在特定的生產(chǎn)工藝流程，其生產(chǎn)用能消耗非常大，同時(shí)加工生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，包含較多類型的工藝設(shè)備，所呈現(xiàn)的負(fù)荷特性復(fù)雜，影響配電網(wǎng)電能質(zhì)量，加大用能成本，因此，提高電能質(zhì)量與節(jié)能降耗已成為該企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益、打造低碳生產(chǎn)的重要途徑。

有色金屬加工工藝流程主要包括：熔鑄、軋制、聯(lián)拉、盤拉、精整、退火、包裝等環(huán)節(jié)，其中熔鑄環(huán)節(jié)主要采用電加熱，它是有色金屬加工的基礎(chǔ)，其電力能源消耗占整個(gè)企業(yè)生產(chǎn)加工中能源消耗的25%以上，因此，熔鑄環(huán)節(jié)的電力能源質(zhì)量，所呈現(xiàn)的負(fù)荷特性復(fù)雜，對(duì)企業(yè)的節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)影響最大。

本文主要針對(duì)熔鑄設(shè)備電能質(zhì)量和能源消耗進(jìn)行深入研究和探討。

1 電能質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

針對(duì)有色金屬企業(yè)熔鑄工藝特點(diǎn)，設(shè)備特征，建立電能質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)模型，獲得電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1．1 電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

電能質(zhì)量好壞等級(jí)由多個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的情況及各指標(biāo)所占權(quán)重共同確定，具有隨機(jī)性和不確定性，因此采用模糊算法對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)［1］。電能質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括：電壓偏差、頻率偏差、電力諧波、電壓波動(dòng)、電壓閃變、三相不平衡等。電壓偏差和頻率偏差“小”以及諧波含有率“低”都是電能質(zhì)量“好”，等級(jí)高的條件，但是“小”、“低”、“好”都沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，無法用定量的數(shù)值去衡量和評(píng)定，所以采用模糊算法進(jìn)行電能質(zhì)量的研究與評(píng)價(jià)［2－3］。

1．2 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)

隸屬函數(shù)是模糊算法應(yīng)用的基礎(chǔ)，電能質(zhì)量隸屬函數(shù)的有效與否直接關(guān)系到電能質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)的科學(xué)性。其主要因素如下。

｛電壓偏差很?。：碾`屬函數(shù)可表示為：

其中ΔU為電壓偏差，U1、U2為電壓限值，其值根據(jù)具體情況而定。

｛電壓偏差持續(xù)時(shí)間很短｝模糊集的隸屬函數(shù)可以表示為：

其中TΔU、ΔT為電壓偏差百分比和相應(yīng)的持續(xù)時(shí)間，kt1和TΔU0是常數(shù)，其值依據(jù)具體情況而定。

｛電壓波動(dòng)很小｝的隸屬函數(shù)可表示為：

其中ΔV為波動(dòng)幅度，U3、U4為常數(shù)，其值根據(jù)具體情況而定。｛電壓波動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短｝的隸屬函數(shù)可以表示為：

其中TΔV為持續(xù)時(shí)間，TΔV0、kt2為常數(shù)，其值根據(jù)具體情況而定。電能質(zhì)量其它的指標(biāo)與這兩項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)相類似［4－5］。

1．3 電能質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)

把電能質(zhì)量Q分為優(yōu)質(zhì)、良好、中等、合格、不合格共五個(gè)等級(jí)，評(píng)判集表示為：

1．4 電能質(zhì)量與隸屬度函數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

確定好各指標(biāo)隸屬函數(shù)和電能質(zhì)量的等級(jí)后，定義各指標(biāo)隸屬度大小與電能質(zhì)量等級(jí)的關(guān)系也是相當(dāng)重要的。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和電能用戶要求，定義隸屬度與等級(jí)的關(guān)系如表1所示。

表1 隸屬度與等級(jí)的關(guān)系

1．5 各指標(biāo)隸屬函數(shù)

從企業(yè)能源管理系統(tǒng)中取出熔鑄爐正常生產(chǎn)工況下的數(shù)據(jù)，得到各指標(biāo)的隸屬度數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 隸屬度數(shù)據(jù)表

2 電能質(zhì)量評(píng)價(jià)分析

電能質(zhì)量綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)，在2小時(shí)內(nèi)，電壓偏差等級(jí)“優(yōu)質(zhì)”有4組數(shù)據(jù)，為“良好”的有4組，為“中等”的有0組，為“合格”的有0組，為“不合格”的有0組。再依次對(duì)頻率偏差、諧波畸變、三相不平衡、電壓波動(dòng)與閃變四個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，可以得到單指標(biāo)評(píng)判矩陣R。

運(yùn)用AHP層次分析法確定各單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值B，依次為電壓偏差、頻率偏差、諧波畸變、三相不平衡、電壓波動(dòng)和閃變，權(quán)重值如下［6］：

對(duì)這2小時(shí)的電能質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為：

作歸一化處理得到：

根據(jù)最大隸屬度原則，這2小時(shí)的電能質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)為“優(yōu)”。

3 熔鑄爐能耗對(duì)比分析

3．1 熔鑄爐電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)

下面以熔鑄工藝為例，建立能源管理系統(tǒng)與電能質(zhì)量評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)模型示意圖如圖1所示。

熔鑄車間主要的生產(chǎn)工藝是銅管棒坯材的熔鑄工藝，包括熔煉和鑄造兩個(gè)環(huán)節(jié)。生產(chǎn)設(shè)備有6臺(tái)熔鑄爐和6臺(tái)引鑄機(jī)，設(shè)備總功率為6 *（450＋30）＝2 880（kW），占總設(shè)備容量的27．4%。目前能源管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和采集的數(shù)據(jù)有3＃、4＃、5＃、6＃共4臺(tái)熔鑄爐。

圖1 熔鑄爐電能質(zhì)量評(píng)價(jià)模型示意圖

3．2 熔鑄爐電能數(shù)據(jù)處理

熔鑄車間的生產(chǎn)可分為三種情況：正常生產(chǎn)狀態(tài)，更換模具狀態(tài)和停產(chǎn)狀態(tài)。在上文中已對(duì)正常生產(chǎn)狀態(tài)下的電能質(zhì)量作了評(píng)價(jià)，下面將對(duì)另外兩種情況下的電能質(zhì)量分別作一個(gè)評(píng)價(jià)。各取兩個(gè)小時(shí)的8組數(shù)據(jù)，根據(jù)上文中的步驟得到，更換模具狀態(tài)下的電能質(zhì)量等級(jí)為“優(yōu)等”，停產(chǎn)狀態(tài)下電能質(zhì)量等級(jí)為“優(yōu)等”。由此可見，對(duì)于熔鑄爐而言，不管是處于哪種工況下，電能質(zhì)量受熔鑄爐影響很小，可忽略不計(jì)。

該企業(yè)能源管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和采集所有熔鑄車間的能耗相關(guān)數(shù)據(jù)，現(xiàn)將這些數(shù)據(jù)作為一個(gè)樣本區(qū)間進(jìn)行篩選和清洗，去掉權(quán)重排名小于25%和大于75%的數(shù)據(jù)，剩下的數(shù)據(jù)屬于合理電力能耗區(qū)間分析數(shù)據(jù)，也就是作為正常生產(chǎn)的能耗數(shù)據(jù)。這樣就排除了在生產(chǎn)中的因?yàn)槿藶榈臄?shù)據(jù)錄入以及系統(tǒng)異常情況采集的數(shù)據(jù)，使能源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更具科學(xué)性、合理性，具有參考價(jià)值［7］。

3．3 熔鑄爐能耗對(duì)比分析

3．3．1 正常生產(chǎn)狀態(tài)對(duì)比分析

正常生產(chǎn)狀態(tài)下，每臺(tái)熔鑄爐的能耗情況如表3所示。

表3 熔鑄爐正常生產(chǎn)時(shí)的能耗情況

相對(duì)于3＃、5＃、6＃熔鑄爐，4＃熔鑄爐的單產(chǎn)能耗曲線波動(dòng)很大，預(yù)測(cè)4＃熔鑄爐存在設(shè)備隱患，需要加強(qiáng)預(yù)防或是提前整修。

3．3．2 更換模具狀態(tài)分析

熔鑄爐更換模具，不同的操作人員，更換的時(shí)間長(zhǎng)短不一樣，有些工人只需要3小時(shí)，而時(shí)間長(zhǎng)的則長(zhǎng)達(dá)12小時(shí)。在這樣的情況下，必然造成單產(chǎn)能耗的差別很大，必然也存在著差異巨大的節(jié)能空間。盡量縮短換模時(shí)間可以減小由于爐子升溫而造成的能耗損失。每臺(tái)熔鑄爐的性能不一樣，也導(dǎo)致了換模具次數(shù)相差很大，而每一次更換模具都將使產(chǎn)品單耗大大增加，因此減少更換模具的次數(shù)也能產(chǎn)生很好的節(jié)能效果。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，4＃熔鑄爐換模次數(shù)比其他熔鑄爐多很多，可能存在安全隱患，可定期對(duì)熔鑄爐進(jìn)行檢查，可以減少熔鑄爐換模的次數(shù)，大大降低能耗［8］。

3．3．3 設(shè)備停產(chǎn)狀態(tài)分析

在熔鑄爐不生產(chǎn)的情況，同臺(tái)爐子每天消耗的電能不一樣，有的甚至相差很大如表4所示。

表4 熔鑄爐不生產(chǎn)時(shí)能耗情況表

熔鑄爐不生產(chǎn)時(shí)，3＃熔鑄爐比其他三臺(tái)熔鑄爐消耗的電量大很多，可能存在設(shè)備隱患。

4 結(jié)束語

本文在企業(yè)電能能源數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，利用模糊算法對(duì)熔鑄爐工藝設(shè)備能耗進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到符合實(shí)際情況的、客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果，同時(shí)，對(duì)熔鑄爐不同工況條件下的電力能耗分析，為企業(yè)識(shí)別生產(chǎn)設(shè)備隱患，指導(dǎo)企業(yè)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)以及建立設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］陶順，肖湘寧．電力系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)估體系架構(gòu)［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（4）：171－175．

［2］唐會(huì)智，彭建春．基于模糊理論的電能質(zhì)量綜合量化指標(biāo)研究［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2003，27（12）：85－88．

［3］譚家茂，黃少先．基于模糊理論的電能質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法研究［J］．繼電器，2006，34（3）：55－59．

［4］蔣金良，袁金晶，歐陽森．基于改進(jìn)隸屬度的電能質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)［J］．華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，40（11）：107－111．

［5］舒服華．粗糙集在電能質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中應(yīng)用［J］．電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28（10）：75－79．

［6］熊以旺，程浩忠，王海群．基于改進(jìn)AHP和概率統(tǒng)計(jì)的電能質(zhì)量綜合評(píng)估［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（13）：48－52．

［7］程浩忠．電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析［M］．北京：科學(xué)出版社，2012．

［8］陶順，肖湘寧．電能質(zhì)量單項(xiàng)指標(biāo)和綜合指標(biāo)評(píng)估的研究［J］．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，35（2）：25－29．

An Analytical Study on Casting Furnace Electricity Consum ption Based on Fuzzy Algorithm

SHIJian1，LIAN Ying-zhan1，WEIHe1，LIU Hui2．YU Yu-hang3
（1．Automation College of Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China；2．Foshan Huahong Copper Tube Co．，Ltd．，F(xiàn)oshan Guangdong 528234，China；3．Guangdong Zhongyu Technology Co．，Ltd．，Guangzhou Guangdong 511419，China）

With respect to the characters of casting process in non-ferrousmetal processing enterprises，energy consumption and data of casting equipment ismonitored and fuzzy algorithm is used to analyze and evaluate the electric energy quality of the equipment．Benchmarks are set for electric energy quality and energy consumption under differentworking conditions so as to reduce energy consumption and promote enterprise energymanagement and economical operation of the equipment．

casting equipment；energy consumption；electric energy quality；fuzzy algorithm；energy efficiency benchmarking

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．021

TM921．01

A

1000－3886（2014）04－0062－03

時(shí)劍（1989－），男，河南南陽人，在讀碩士，主要研究方向?yàn)殡姎夤?jié)能降耗技術(shù)及信息系統(tǒng)開發(fā)等。 廉迎戰(zhàn)（1963－），男，河南焦作人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣I(yè)企業(yè)智能自動(dòng)化、電氣節(jié)能降耗設(shè)備和新技術(shù)等。

定稿日期：2013－09－18

廣東省節(jié)能專項(xiàng)（13ZK0085）