冶金電氣節(jié)能負載控制技術(shù)的優(yōu)化研究

王曉健

（濰坊職業(yè)學院，山東 濰坊 262737）

隨著全球?qū)τ谀茉从昧啃枨蟮牟粩嘣黾?，盡管能源開發(fā)程度不斷加深，但仍然面臨著資源緊缺的問題[1]。當今世界，多數(shù)國家為了解決該問題加大了對于新能源的研發(fā)力度，這對于有限資源的使用量具有一定的控制作用[2]，但另一個需要重點關(guān)注的問題就是傳統(tǒng)資源的節(jié)約使用。與其他行業(yè)相比，冶金行業(yè)的能源用量較大。大多數(shù)企業(yè)主要是以電氣作為主要能源實現(xiàn)對金屬的冶煉提取[3]。通常情況下，冶金爐內(nèi)的金屬礦產(chǎn)添加量與電氣用量之間是存在一定的線性關(guān)系，當二者之間達到某種平衡時，可以實現(xiàn)能源價值的最大化，并且不會對冶金質(zhì)量和效率造成影響。而這種平衡需要在大量的實踐中不斷摸索，在此過程中，對企業(yè)造成的經(jīng)濟效益造成的影響是較大的，因此一般都是按照滿足煉制需求的最大值投入能源。這在一定程度上會提高能源成本，同時也會造成能源浪費，不僅對于企業(yè)的經(jīng)營發(fā)展不利，也與現(xiàn)階段節(jié)能環(huán)保的號召不符。在此背景下，加強對冶金電氣節(jié)能負載的合理化控制是十分必要。

基于此，本文提出冶金電氣節(jié)能負載控制技術(shù)的優(yōu)化研究，并通過實驗測試驗證了所提方法的有效性。通過本文的研究，以期為冶金企業(yè)的節(jié)能發(fā)展提供有價值的參考。

1 冶金電氣節(jié)能負載能耗模型

要實現(xiàn)對冶金系統(tǒng)中節(jié)能負載狀態(tài)的合理控制，首先要明確冶金系統(tǒng)運行過程中不同負載部件的電氣消耗情況，由于冶金是由若干個不同的部件構(gòu)成的，因此，通過對冶金過程中產(chǎn)生電氣損耗部件的實際能耗量進行計算，就可以得到整個冶金系統(tǒng)的電氣節(jié)能負載能耗狀況。

結(jié)合實際的冶金設(shè)備運行模式可知，冶金系統(tǒng)總體節(jié)能負載能耗主要分為三部分，分別對應(yīng)轉(zhuǎn)子電阻、定子電阻以及勵磁電阻，三者運行狀態(tài)的合理性直接影響其損耗的大小。

在上述基礎(chǔ)上，本文首先分析了轉(zhuǎn)子電阻的能耗，其主要位于冶金系統(tǒng)的傳送裝置中，一般情況下，金屬礦產(chǎn)通過傳送帶傳輸?shù)诫娀t中，并在完成冶煉后通過相應(yīng)的傳送裝置傳送到冷卻爐，最終輸出到存儲倉。在該過程中，金屬輪轉(zhuǎn)設(shè)備上的轉(zhuǎn)子電阻能耗會隨著其負載強度而發(fā)生變化。假設(shè)轉(zhuǎn)子電阻值為Rz，傳輸帶上單位面積承載的金屬質(zhì)量為m，轉(zhuǎn)子電阻負載的電壓為Vz，那么此時，其實際能耗為：

其中，Pz表示Vz電壓下，轉(zhuǎn)子電阻的能耗。而能夠滿足對m質(zhì)量金屬傳輸?shù)淖钚∧?/p>

其中，λ表示轉(zhuǎn)子電阻的基礎(chǔ)能耗系數(shù)，該值主要是傳輸設(shè)備的本身的性質(zhì)決定的。

對于定子電阻而言，其主要在冶煉系統(tǒng)的電弧爐內(nèi)溫度穩(wěn)定控制階段發(fā)揮作用。不考慮爐內(nèi)冶煉金屬的總量，要實現(xiàn)金屬冶煉的目的首先要確保爐內(nèi)溫度達到金屬礦的基礎(chǔ)熔點，同時，當爐內(nèi)注入金屬礦之后，爐內(nèi)溫度也會短時間內(nèi)出現(xiàn)明顯的下降，這時升溫設(shè)備會通過勵磁電阻提高爐內(nèi)溫度，當其達到設(shè)定溫度值后，勵磁電阻不再作用，主要是通過定子電阻實現(xiàn)電弧爐的保溫，因此，其能耗的計算可以分為兩部分，其中一部分就是基礎(chǔ)爐溫的維持，此時爐內(nèi)為空載狀態(tài)，能耗也為基礎(chǔ)損耗，其可表示為：

其中，Pjd表示在電弧爐空載狀態(tài)下，定子電阻的能耗，Rd表示定子電阻的值，T表示電弧爐的基礎(chǔ)溫度，S表示爐體表面積。

而當電弧爐處于負載狀態(tài)時，定子電阻的能耗可以表示為：

其中，Pfd表示電弧爐負載狀態(tài)下定子電阻的能耗，T‘i表示對電弧爐加熱不同階段的溫度，n表示冶金系統(tǒng)的加熱階段。

對于勵磁電阻的能耗，其主要與電弧爐內(nèi)的金屬礦總量有關(guān)，一般情況下，在不超過爐內(nèi)負載極值的情況下，勵磁電阻的能耗與注入爐內(nèi)的金屬礦總量呈正相關(guān)關(guān)系，其可以表示為：

其中，Pl表示電弧爐負載狀態(tài)下勵磁電阻的能耗，Rl表示勵磁電阻。

由此可以得出，在冶金系統(tǒng)處于空載狀態(tài)時，其能耗僅為定子電阻維持爐內(nèi)溫度的能耗，則此時的系統(tǒng)能耗模型為：

而當冶金系統(tǒng)處于負載狀態(tài)時，系統(tǒng)能耗模型為：

由此得出冶金系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的理想能耗，以此為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)的節(jié)能負載的運行狀態(tài)進行計算，降低由于節(jié)能負載運行異常引起的損耗。

2 節(jié)能負載運行狀態(tài)優(yōu)化

在上述建立的模型基礎(chǔ)上，通過對節(jié)能負載運行狀態(tài)進行有效控制即可實現(xiàn)減少能源損耗的目的。為了提高最終計算結(jié)果的可靠性，本文利用遺傳算法對其進行優(yōu)化，以模型計算出的能耗值為遺傳目標，計算出與之擬合度最高的節(jié)能負載運行狀態(tài)。

利用遺傳速算法滿足模型的節(jié)能負載運行狀態(tài)進行計算，其實是對三個目標的優(yōu)化計算，這不僅會加大計算的難度，同時也會增加計算的時間，為此，本文將三者進行以三角模融合算子的方式進行融合，將其轉(zhuǎn)化為單一目標。以此為基礎(chǔ)，在對遺傳算法的子群進行初始化處理時，為了降低由于子群多樣性較低對計算結(jié)果產(chǎn)生的影響，將子群基數(shù)設(shè)置為無限大，即將冶金系統(tǒng)節(jié)能負載所有運行狀態(tài)作為基礎(chǔ)子群，其中每一個可輸入的結(jié)果作為一條染色體。

在染色體編碼過程中，通過C++語言中的位集類0給子群中每條染色體賦子一個對應(yīng)的存儲位置，8個儲存位置組成一個字節(jié)，通過這樣的方式減少計算占用的儲存空間，提高計算效率。將計算結(jié)果與模型輸出值的擬合度作為適應(yīng)度函數(shù)，其表示為：

其中，f（*）表示適應(yīng)度值，p表示染色體的賦值。通過式（7）對染色體的適應(yīng)度進行判斷。

當處于冶金系統(tǒng)空載狀態(tài)時，將于f（p）值與TS Rd最接近的p作為當前的最優(yōu)值，并與下一個染色體的結(jié)果進行對比，如果其仍為最接近的值，則繼續(xù)作為最優(yōu)值作為后續(xù)染色體的比較對象，當其接近度小于新染色體時，則將新染色體作為對比目標，以此推進，直至完成子群內(nèi)所有染色體的計算，輸出的結(jié)果即為最優(yōu)值。冶金系統(tǒng)負載狀態(tài)下同理。

通過上述方式計算出全局最優(yōu)節(jié)能負載運行狀態(tài)，在最大程度上降低能源損耗。

3 試驗測試

為了測試本文提出控制技術(shù)的應(yīng)用效果，進行了試驗測試，并分別采用文獻[2]和文獻[3]提出的方法同時進行測試，通過對比三種方法的控制效果，分析本文提出方法的實際應(yīng)用價值。

3.1 測試環(huán)境

測試選用某有色金屬冶煉廠作為實驗對象，該廠的電弧爐專用變壓器的容量為12500kVA，爐體最大容量為25t，空載狀態(tài)下電流為16A，空載損耗為120kW，負載損耗為11000kW，二次電流的最大值為25A，該冶煉機組共包含10個組別，分別將其編號1-10，對應(yīng)的電氣參數(shù)如表1所示。

表1 冶金電氣參數(shù)

在上述測試環(huán)境下，分別采用三種方法對該冶金系統(tǒng)的能源開銷進行控制。

3.2 測試結(jié)果

本文首先分析了三種方法控制方法下10個機組的供應(yīng)電弧爐完成20t金屬冶煉的能源損耗，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同方法的能源開銷對比圖

從圖1中可以看出，在三種控制方法下，冶金機組的能源總開銷均與原始的11000kW相比出現(xiàn)了一定程度的降低，但從整體上看，文獻[2]和文獻[3]方法對于5、6、7、8、9四個機組的能耗控制效果與本文方法相比仍存在一定的差距，本文控制方法下機組的能耗綜合僅為8560kW，與原本的能耗相比降低了2400 kW，具有較為明顯的節(jié)能作用。這主要是因為本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)對冶煉系統(tǒng)所有產(chǎn)生能耗部件的最小能耗計算，降低了部件上的過剩能量，從而實現(xiàn)了冶金電氣節(jié)能的目的。

在上述基礎(chǔ)上，本文對比了三種方法下的能源成本開銷，其結(jié)果如表2所示。

表2 不同控制方法下的能源成本對比表/元

從表2中可以看出，三種方法均在一定程度上降低了能源成本開銷，但與文獻[2]和文獻[3]本文方法相比，本文方法的效果顯然更加明顯，當電弧爐內(nèi)的金屬礦產(chǎn)總量達到極值，也就是25t時，其可降低能源成本417.33元，本文方法對能源成本的控制結(jié)果也與上文的能源開銷統(tǒng)計結(jié)果一致，具有良好的控制效果。同時，在三種方法中，當電弧爐內(nèi)的礦資源總量為10t時，控制效果并不明顯，而隨著其負載增加，控制效果也逐漸顯現(xiàn)。這主要是因為要實現(xiàn)對金屬的冶煉，冶金系統(tǒng)需要的基礎(chǔ)能耗值是一定的。

4 結(jié)語

在大多數(shù)的冶金工廠中，電氣是主要的動力能源，而伴隨著節(jié)能減排的生產(chǎn)要求逐漸提升，冶金過程中的節(jié)能問題也成為了企業(yè)關(guān)注的重點。本文提出冶金電氣節(jié)能負載控制技術(shù)的優(yōu)化研究，在不影響冶金效率和質(zhì)量的前提下，減少了電氣能源的使用量。通過該研究，以期為冶金行業(yè)的節(jié)能問題提供有價值的參考，為冶金企業(yè)減少能源成本開銷提供新思路。