焦宏義，王志斐

（1.烏海中聯(lián)化工有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 烏海 016000；2.青島菲特測(cè)控節(jié)能科技有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

電石爐主要通過(guò)三相電極的電弧發(fā)熱產(chǎn)生高溫環(huán)境下，把蘭炭和生石灰的混合原料經(jīng)過(guò)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成電石。電石爐基本控爐的核心是三根電極的控制，因而電石爐電極電流的真實(shí)數(shù)據(jù)會(huì)直接影響恒電流自動(dòng)控制的效率，也會(huì)影響電石的產(chǎn)量和品質(zhì)。目前，大部分電石公司的電石爐都只是采集爐變的一次電壓、一次電流、二次電極電壓電氣參數(shù)，進(jìn)行直接計(jì)算電極電流。因此，對(duì)電石爐電極實(shí)際工作參數(shù)的測(cè)量顯得十分重要，主要參數(shù)包括電極電流、操作電阻、電極長(zhǎng)度、電極入爐深度、電極電壓、電極功率，還需要依據(jù)爐型參數(shù)（電極直徑、電極極心圓直徑、設(shè)計(jì)電極插入物料深度、爐膛深度、冶煉物料總高度、爐膛直徑、短網(wǎng)銅管長(zhǎng)度、短網(wǎng)銅管是否交叉出線、短網(wǎng)銅管外徑、短網(wǎng)銅管內(nèi)徑、短網(wǎng)銅管每相進(jìn)出線總根數(shù)、銅管水平間距、銅管垂直間距、水冷電纜或軟電纜長(zhǎng)度）的統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)精準(zhǔn)分析電石爐內(nèi)電極電氣相關(guān)的內(nèi)部參數(shù)和變壓器參數(shù)，得到最佳的恒電流調(diào)節(jié)方式，以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制三相電極。

圖1 電流滯后電壓矢量圖Fig.1 Current hysteresis voltage vector diagram

圖2 進(jìn)線電流Ia電流矢量圖Fig.2 Current vector diagram of incoming current Ia

1 電石爐電極電氣參數(shù)的原理分析

1.1 電石爐電流測(cè)量原理

電石爐電流有一次進(jìn)線電流和電極電流。一次進(jìn)線電流取自高壓變電站電流，為實(shí)測(cè)電流；顯示的電極電流為變壓器三次測(cè)電流互感器電流。因?yàn)橐淮芜M(jìn)線接方式為角接，此方法測(cè)量的一次電流與電極電流一一對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)顯示的電極電流實(shí)際為變壓器角內(nèi)電流，并非電極電流。在實(shí)際控爐過(guò)程中，可以依據(jù)一次電流進(jìn)行控爐，但投入低壓補(bǔ)償后，一次電流會(huì)減小，但實(shí)際電極電流沒(méi)有變小反而會(huì)有所升高，此時(shí)如果再依據(jù)一次電流控爐，就容易造成電極過(guò)燒。當(dāng)?shù)蛪貉a(bǔ)償投入組數(shù)嚴(yán)重不平衡時(shí)，一次電流的大小關(guān)系有可能與電極電流不符，依據(jù)一次電流控爐會(huì)造成誤操作。系統(tǒng)顯示的一次電流與電極電流均沒(méi)有解決低壓補(bǔ)償對(duì)電流影響的問(wèn)題。

1.2 電石爐一次電流的計(jì)算

分相測(cè)量每臺(tái)變壓器的一次側(cè)參數(shù)：Pab、Pbc、Pca，Qab、Qbc、Qca；角內(nèi)一次電流：Iab、Ibc、Ica；總有功P1、總無(wú)功Q1、視在功率S及功率因數(shù)；二次電壓：U2ab、U2bc、U2ca。通過(guò)矢量的方法計(jì)算一次進(jìn)線電流，以計(jì)算Ia一次電流為例，Ia一次電流為角內(nèi)電流Iab與Ica的矢量和[1]：

圖1電流Iab滯后電壓Uab的角度為∠b，電流Ica滯后電壓Uca的角度為∠a。

圖2角度計(jì)算：∠c=60°+ ∠a -∠b

∠d =∠c

∠e = π -∠c

= π - (∠ a - ∠ b + 60° )

Cos ( π - (∠ a - ∠ b +60° )

=-COS(∠ a - ∠ b +60° )

根據(jù)余弦定理：

式中：Ica——C相變壓器角內(nèi)電流（實(shí)測(cè)值）。

Iab——A相變壓器角內(nèi)電流（實(shí)測(cè)值）。

∠a——C相變壓器功率因數(shù)反正切角度值。

∠b——A相變壓器功率因數(shù)反正切角度值。

通過(guò)此計(jì)算的一次電流值與實(shí)測(cè)值相符。

1.3 電極電流的計(jì)算

各相電爐有功計(jì)算（以AB相為例）：P2ab= Pab-AB相爐前損耗

電爐無(wú)功計(jì)算（以AB相為例）：Q2ab = Qab–QTab（QTab——爐變消耗無(wú)功）；QTab=Sab×X12（Sab——爐變工作容量，X12——阻抗百分比）。

電爐相電流（二次）：I2ab=S2ab/U2ab

自然功率因數(shù)：P2ab/S2ab

阻抗：Z2ab=U2ab/I2ab

角接下的操作電阻：R2ab=Z2ab×自然功率因數(shù)

通過(guò)星三角轉(zhuǎn)換計(jì)算得到每根電極參數(shù)，包括電極電流操作電阻等，計(jì)算方法與計(jì)算一次電流方法相同。

如果有無(wú)功補(bǔ)償，則：Q2ab=Qab-QTab+Qcab （Qcab——測(cè)量得到的AB相補(bǔ)償量）。

圖3 試驗(yàn)電路圖Fig.3 Test circuit diagram

圖4 自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行主界面Fig.4 Main operation interface of automation system

本計(jì)算方法經(jīng)過(guò)驗(yàn)證是可靠的，且比現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確。由于負(fù)荷中性點(diǎn)是偏離地電位的，現(xiàn)有系統(tǒng)從高壓PT取相對(duì)地信號(hào)或從二次相對(duì)地取信號(hào)都因?yàn)樨?fù)荷中性點(diǎn)偏移造成分相測(cè)量誤差，而本系統(tǒng)是針對(duì)每臺(tái)變壓器測(cè)量，避開(kāi)了中性點(diǎn)問(wèn)題。

2 電路模型建立在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果

2.1 電石爐內(nèi)模擬電路分析

為驗(yàn)證上述星接支路、角接支路的電流和電阻數(shù)據(jù)的正確性，試驗(yàn)電路圖如圖3所示。

通過(guò)調(diào)節(jié)各支路電阻（RA、RB、RC、RAB、RCA、RBC），根據(jù)從每臺(tái)變壓器測(cè)得的有功、無(wú)功，電壓、電流，A、B、C三點(diǎn)對(duì)地電壓，計(jì)算出各支路電阻（R A、RB、RC、RAB、RCA、RBC）。

通過(guò)電路計(jì)算值與實(shí)測(cè)參數(shù)對(duì)比，各支路電阻壓降實(shí)測(cè)值與計(jì)算值也比較接近，三相電阻值大小相對(duì)值誤差很小。

2.2 電石爐內(nèi)星接和角接參數(shù)與電極操作的對(duì)應(yīng)性

2.2.1 星接支路電阻的分析

三相電極上提和下插相對(duì)于星接支路電阻改變大小，對(duì)地電弧電壓也明顯改變，而電極電流和電極對(duì)地電壓變化靈敏度要慢。對(duì)無(wú)渣電石爐來(lái)說(shuō)，星接支路電阻還可以用來(lái)判斷爐底料輕還是料重，電阻偏大代表料重。

2.2.2 角接支路電阻的分析

改變單相角接支路電阻后三相參數(shù)的變化規(guī)律：角接支路電阻變化會(huì)顯著改變操作電阻，且相鄰電極操作電阻隨角間電阻變大而變大，而對(duì)面電極操作電阻反向變?。环粗噜忞姌O操作電阻隨角間電阻變小而變小，對(duì)面電極操作電阻反向變大。同樣，電極電流和電極對(duì)地電壓變化靈敏度變化不大。

圖5 爐內(nèi)參數(shù)運(yùn)行主界面Fig.5 Main interface of furnace parameters operation

當(dāng)角接支路電阻不平衡造成三相電極電流不平衡時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電極深度是無(wú)法有效調(diào)平電極電流的，此時(shí)強(qiáng)行調(diào)平電流反而會(huì)惡化爐況。

當(dāng)某一相電阻遠(yuǎn)大于其余兩相，對(duì)面電流大、相鄰兩電流會(huì)變小或基本相等，此電極間電阻大，對(duì)無(wú)渣冶煉是由于此處配碳減少所致；對(duì)有渣冶煉，可能是熔池不在一個(gè)水平面，碳層浮到高處導(dǎo)致。當(dāng)某一相電阻遠(yuǎn)小于其余兩相，對(duì)面電流小、相鄰兩相電流大并基本相等，此電極間電阻小對(duì)無(wú)渣冶煉是因此處配碳偏多，對(duì)有渣冶煉是熔池不平，碳層往上浮移所致[2]。

3 爐內(nèi)電氣參數(shù)測(cè)量技術(shù)在自動(dòng)化控爐中的應(yīng)用

3.1 電石爐全自動(dòng)化控制的主要邏輯

通過(guò)電極相關(guān)重要參數(shù)設(shè)定限制，以電極電流為主參數(shù)設(shè)置；電石爐變壓器一次電流、電石爐總功率設(shè)置，電極的二次電流上限和接觸原件水溫為安全保護(hù)性限制；三相電極帶相調(diào)電極平衡電流時(shí)，把電極對(duì)地弧電壓作為輔助控制參數(shù)，把電極對(duì)地電弧電壓平均值作為變壓器檔位調(diào)檔控制，按自然功率因數(shù)控制電極的平均入料深度[3]。

3.2 三相電極調(diào)節(jié)控制邏輯

點(diǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)電極升降，單次動(dòng)作電極10mm左右，兩次動(dòng)作時(shí)間間隔10s以上，防止電極大幅度升降。

上提電極控制條件：當(dāng)電極電流大于設(shè)定值的1.02倍，延時(shí)10s帶相上提電極；當(dāng)上提受限時(shí)，三相檔位同步降壓；當(dāng)電極電流大于設(shè)定值延時(shí)60s帶相上提電極；當(dāng)一次電流大于上限值延時(shí)10s帶相上提電極；當(dāng)二次電流大于上限值延時(shí)10s帶相上提電極。

下插電極控制條件：當(dāng)電極電流均低于設(shè)定上限值0.95倍，延時(shí)20s下插三相電極；下插電極后，一次和二次電流不超上限值；當(dāng)某相電極電流低于設(shè)定下限值時(shí)，延時(shí)20s，帶相下插電極，所下電極對(duì)地弧壓不是最小以及操作電阻不是最??；下插電極后，一次和二次電流不超上限值。

3.3 電極調(diào)節(jié)限制條件

功率因數(shù)：電極功率因數(shù)最大相不能上提；電極功率因數(shù)最小相不能下插；平均功率因數(shù)>上限值，電流不超下插三相電極；平均功率因數(shù)<下限值，上提三相電極。

操作電阻：操作電阻最大相不能上提；操作電阻最小相不能下插；平均操作電阻>上限值，電流不超下插三相電極；平均操作電阻<下限值，上提三相電極。

把持器位置：把持器位置大于設(shè)定上限值不能上提電極；把持器位置小于設(shè)定下限值不能下插電極。

入料深度：入料深度最淺的電極不能上提；入料深度最深的電極不能下插。

熔池電壓：熔池電壓大于設(shè)定上限值不能上提電極；熔池電壓小于設(shè)定下限值不能下插電極。

3.4 檔位調(diào)節(jié)

檔位動(dòng)作保護(hù)措施：進(jìn)線有功大于設(shè)定有功功率上限時(shí)，降壓；進(jìn)線有功小于設(shè)定有功功率下限時(shí)，升壓；電流超過(guò)區(qū)間設(shè)定值上限且電極受限不能上提時(shí)，降壓。

3.5 檔位調(diào)節(jié)限制條件

升檔降檔受檔位設(shè)定區(qū)間限制；塌料期間不動(dòng)檔位（上提電極受限需保護(hù)，降壓除外）。

3.6 電流調(diào)平衡

電流調(diào)平衡：當(dāng)電流最小、操作電阻大、熔池電壓最大，延時(shí)1min下插此項(xiàng)電極；當(dāng)電流最大、操作電阻小、熔池電壓最小，延時(shí)1min上提此相電極；當(dāng)電極電流偏差超過(guò)1.05倍時(shí)，延時(shí)1min，帶相調(diào)平衡電極電流。注意當(dāng)電流大、塌料期間、出爐階段不進(jìn)行調(diào)平衡控制。

3.7 自動(dòng)壓放

程序中有兩種壓放方式供選擇（建議選擇按統(tǒng)計(jì)的把持器位置平均值壓放）。

按設(shè)定的時(shí)間壓放，人工確定每相電極壓放時(shí)間間隔，系統(tǒng)開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，時(shí)間到后，開(kāi)始自動(dòng)壓放本相電極。

按統(tǒng)計(jì)的把持器位置平均值壓放，每2h統(tǒng)計(jì)1次三相電極的把持器工作位置平均值，按照位移平均值不同區(qū)間的位移，自動(dòng)調(diào)整壓放時(shí)間（本2h區(qū)間內(nèi)的壓放時(shí)間是由上2h統(tǒng)計(jì)的位移平均值確定的）。為防止壓入瞬間電極電流過(guò)大，在即將壓放時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)電極電流大小。如果大于設(shè)定值，電極會(huì)上提后再壓放。

4 結(jié)論

電石爐內(nèi)電氣參數(shù)的測(cè)量技術(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)電路分析和在電石爐生產(chǎn)中實(shí)際驗(yàn)證，并在電石爐全自動(dòng)控制運(yùn)行中，完整地體現(xiàn)了電石爐電極電流、極對(duì)地弧電壓、極對(duì)地電壓、操作電阻等測(cè)量參數(shù)控爐的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。爐內(nèi)電氣參數(shù)真實(shí)性比以往只依靠變壓器一次電氣參數(shù)的換算結(jié)果值控制更精準(zhǔn)，爐況控制更穩(wěn)定。電石爐根據(jù)準(zhǔn)確的電氣參數(shù)投入全自動(dòng)化控制方案中，更方便工藝操作人員對(duì)爐況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，在生產(chǎn)過(guò)程中完全實(shí)現(xiàn)電石爐全自動(dòng)控制方式。