電石生產(chǎn)工藝故障預(yù)警研究

彭江偉

（天能化工有限公司，新疆 石河子 832000）

在電石生產(chǎn)工藝中，每臺大型密閉電石爐配套3臺變壓器及3臺電極桶，每臺變壓器上7組低壓端子分別與電極桶上7組導(dǎo)電夾相連，導(dǎo)電夾是變壓器與三相電極之間聯(lián)通的元件，在生產(chǎn)中主要通過導(dǎo)電夾與電極桶聯(lián)通作功，導(dǎo)電夾與電極桶之間通過的電流隨導(dǎo)電夾和電極桶接觸的導(dǎo)通性而改變，導(dǎo)通性好，則該導(dǎo)電夾通過的電流在使用中接近各組導(dǎo)電夾正常使用時的平均值，生產(chǎn)比較穩(wěn)定，企業(yè)可以最大限度地實現(xiàn)智能化生產(chǎn)控制，通過合理利用自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)精確控制，對關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)合理操作，從而達(dá)到安全穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。

1 電石生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀

1.1 電石爐簡介

電石爐按一定的配比將石灰和炭料混合上到4樓環(huán)形加料機的12個料倉內(nèi)，通過13根料管（每相電極均布4根，中心設(shè)置1根）送入爐內(nèi)。爐料在電極周圍自上而下地形成涼料、熱料、熾熱料、半熔融料、熔料的料層結(jié)構(gòu)。在電阻熱和電弧熱的作用下于爐內(nèi)熔池中生成電石，化學(xué)反應(yīng)式如下。

反應(yīng)溫度為1850～2200℃，反應(yīng)溫度的高低決定于爐內(nèi)CaC2生成量的多少。

冶煉中，電極通過自動或手動模式進行升降，以保證定值電壓或電流的穩(wěn)定。電石爐在額定的負(fù)荷狀態(tài)下平穩(wěn)運行。同時要保持三相功率的平衡。電極的消耗通過啟動壓放系統(tǒng)定時補充。

1.2 主要設(shè)備清單

電石爐生產(chǎn)過程中關(guān)鍵設(shè)備見表1。

表1 電石生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備

1.3 電石生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀

電石爐導(dǎo)電夾監(jiān)測中，由于電石爐導(dǎo)電夾工作時帶電和高電流的特點，無法觀察到其內(nèi)部觸點和裝置的情況，對單個導(dǎo)電夾檢測沒有較好方法，且一般的檢測設(shè)備難滿足安全條件。又因為電石爐電極耦合作功，電極溫度高，并有明火，導(dǎo)電夾外部有護屏保護遮擋，導(dǎo)致電石爐電極導(dǎo)電夾一直無法直觀有效檢測，只能在導(dǎo)電夾完全損壞故障時才能發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)導(dǎo)電夾遇磨損、掉道脫槽、發(fā)熱變形等故障時，導(dǎo)電夾與電極桶導(dǎo)通性變差，造成導(dǎo)電夾與電極桶之間發(fā)熱變形，最后導(dǎo)致導(dǎo)電夾與電極桶脫槽或卷鐵皮，嚴(yán)重影響生產(chǎn)并且產(chǎn)生安全隱患。在生產(chǎn)控制過程中，雖然能夠?qū)崟r達(dá)到智能化控制的目的，但是在調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)、保證電石產(chǎn)品質(zhì)量、安全可控性方面還存在諸多不合格因素，如響應(yīng)不及時，工藝數(shù)據(jù)的變化可能會降低工作效率，還有可能存在影響安全生產(chǎn)操作的因素，增加人為操作的不穩(wěn)定性，對操作人員的生命安全及企業(yè)環(huán)境存在影響。電極在爐內(nèi)的升降與深度對整個電極的電流與功率都存在影響，當(dāng)操作人員依據(jù)經(jīng)驗判斷時，就可能產(chǎn)生不安全因素，如升降不及時影響電石生產(chǎn)與產(chǎn)量問題，增加了能耗，還會造成壓放次數(shù)不合理，影響產(chǎn)品質(zhì)量。智能生產(chǎn)異常的問題，當(dāng)運行過程因負(fù)荷的偏差、負(fù)載的偏差而出現(xiàn)異常時，將導(dǎo)致智能化控制系統(tǒng)不能及時跟蹤參數(shù)，造成控制系統(tǒng)不能及時處理故障。本文以電石生產(chǎn)工藝中使用的電極預(yù)警為例，應(yīng)用了大量數(shù)據(jù)采集及建模工具提取了部分偏差較大的數(shù)據(jù)進行故障預(yù)警分析，在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)預(yù)先的故障預(yù)警可以起到極為重要作用，使得各項工藝參數(shù)得到了提前分析比對，通過遠(yuǎn)程人機交互系統(tǒng)，實時提示監(jiān)測到的預(yù)警信息，具有極高的實踐應(yīng)用價值。

2 電石生產(chǎn)工藝故障預(yù)警的設(shè)計

為解決檢測凈化系統(tǒng)水樣監(jiān)測的問題，技術(shù)人員針對上述電石爐導(dǎo)電夾故障檢測方法的局限性，設(shè)計了一種利于生產(chǎn)工藝操作、可以實時檢測、及時監(jiān)測故障及提前警示的基于羅氏線圈的電石爐導(dǎo)電元件故障預(yù)警方法。

公司使用的電氣元件羅氏線圈是將導(dǎo)線均勻地繞在非磁性材料框架上，具備多元電氣控制元件的功能，可以代替人工取樣并監(jiān)測電流數(shù)據(jù)，真正讓電石生產(chǎn)實現(xiàn)系統(tǒng)的可視化操作與預(yù)警。首先基于DCS控制系統(tǒng)使得數(shù)據(jù)采集具有優(yōu)選可預(yù)測性，讓通有大電流的導(dǎo)線垂直穿過線圈的中心，通過被測載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁通的變化，感應(yīng)出能反應(yīng)被測電流大小的電流信號。利用其工作原理，采用羅氏線圈對變壓器輸出7組導(dǎo)電夾測量電流，對所測電流大小進行記錄，并通過DSP數(shù)字信號處理器處理后，經(jīng)由RS485通訊傳輸信號轉(zhuǎn)換器上傳至集中控制系統(tǒng)或便攜式控制器上位機中，通過上位機軟件對導(dǎo)電夾電流信號進行采集、記錄。上個月每日每時采集整點電流數(shù)據(jù)共計24個電流值，進行求和，進行平均計算后作為當(dāng)日電流數(shù)值。上個月每日求得平均值，分別記為每日平均值，由上個月每日進行累計求和得到，求出上個月每日平均電流值，作為當(dāng)月每日每時電流采集整點平均值的參考對比值。當(dāng)月采集方法同上，記每日每時電流平均值，將當(dāng)月當(dāng)日電流平均值與上月平均參考比較值進行對比，當(dāng)偏差小于10%，不提示預(yù)警信息；當(dāng)偏差大于10%，則提示報警信息。

在電石爐變壓器輸出側(cè)電流檢測出7組導(dǎo)電夾中第n組導(dǎo)電夾當(dāng)日平均電流計算值與對應(yīng)編號導(dǎo)電夾對應(yīng)上月的日電流平均參考對比值進行對比判斷，判斷出異常電流的電極導(dǎo)電夾。

電石爐導(dǎo)電元件故障預(yù)警方法中邏輯方法示意圖見圖1，由圖可以看出電石爐導(dǎo)電元件之間的邏輯連接關(guān)系及邏輯實施。

圖1 電石爐導(dǎo)電元件故障預(yù)警方法中邏輯方法示意圖

采用數(shù)據(jù)對比時，最大限度地得到了與真實數(shù)據(jù)的當(dāng)月電流與電壓數(shù)據(jù)的累計值與理論值的對比，更具有數(shù)據(jù)的邏輯推理性。

3 出現(xiàn)的問題及措施分析

電極是極為關(guān)鍵的電氣元件之一，其準(zhǔn)確性具有極強的耦合性，是非線性的，可以依據(jù)生產(chǎn)情況有多種可變的因素及測點分析。對于非線性的一些元器件，可能因其自身結(jié)構(gòu)、特性等原因產(chǎn)生不同故障，所以本系統(tǒng)提出了一種解決異常偏差在同一時間段內(nèi)比對而產(chǎn)生的多元狀態(tài)估計的故障預(yù)警模型，多元狀態(tài)估計可以采用參照對比的邏輯思路，對故障數(shù)據(jù)采集后，歸類分析，同時可能提供一組詳細(xì)的數(shù)據(jù)邏輯分析，采用此方法可以利用智能操作平臺數(shù)據(jù)采集的優(yōu)越性，快速診斷及采集故障電極故障率，并依據(jù)數(shù)據(jù)在不同時間段的狀態(tài)偏差分別描述元件正常狀態(tài)的分析與模型，檢測狀態(tài)和估計狀態(tài)之間不同的偏差，將代表其值域范圍的故障報警。針對電極電流偏高限值的問題，可以采用提升電極位置（每次不超過50 mm，電極位置小于1200 mm）；降檔（每次降低1檔，速度30 s/檔，可以連續(xù)降檔）的處理方法；針對電極糊柱度電極消耗過快的問題，可以采用添加電極糊（300～500 kg/次）的方法；針對爐膛壓力降低及升高的問題，可以采用降低粗氣風(fēng)機頻率（0.5 Hz/次或1%/次）或增加粗氣風(fēng)機頻率（0.5 Hz/次或1%/次）。

電極電流達(dá)到設(shè)定值時，或比某相電極的電極位置低300 mm，開始分4次放料，第一次下料量至少將電極端頭覆蓋500 mm以上（哪相電極位置最低，哪相電極先下料），其余3次可根據(jù)料面溫度及電極的吃料情況進行下料，兩次下料之間，電極不能起弧，從測量孔觀察火焰顏色必須是暗黃色，最后一次放料時將3樓半的針型閥全部拔開實現(xiàn)連續(xù)放料。

送電后每半小時必須測量一次電極糊糊柱高度，并保證其高度，送電后達(dá)到一定電流時，將糊柱高度加至期望高度，這些都是電石爐生產(chǎn)中的一些工藝預(yù)警值，而電石爐生產(chǎn)工藝中可能出現(xiàn)的問題很多，還需要依據(jù)不同的經(jīng)驗進行處理。可以采用數(shù)列等差估算的方法，優(yōu)先考慮小段偏差較小的數(shù)據(jù)，對其進行分析，消除數(shù)據(jù)之間可能引起偏差的原因，如電極過短、電極材質(zhì)不符合等，使得全部的數(shù)據(jù)采集更具有標(biāo)準(zhǔn)性和可比較性。同時對于出現(xiàn)的預(yù)警數(shù)據(jù)采用當(dāng)前日期前30個工作日的數(shù)據(jù)實時比對，確定殘差報警的預(yù)估性，采用曲線、矩陣、信息、方差等邏輯方法對數(shù)據(jù)進行合理的計算分析。故障分析樹也是一種分析方法，是安全系統(tǒng)預(yù)警過程中常用的分析方法之一，事故分析從可能發(fā)生的事故開始，采集可能出現(xiàn)故障事件的原因及邏輯關(guān)系，通過上述比較的方法進行數(shù)據(jù)之間的不斷調(diào)整及誤差分析，借助檢測經(jīng)驗及合理的數(shù)據(jù)采集曲線，不斷提高預(yù)警的可靠性與合理性。在異常診斷層面的故障及系統(tǒng)中參數(shù)的實時獲取層面，通過工業(yè)數(shù)據(jù)的分析儀表及數(shù)據(jù)加工、處理與存儲方法，提供了格式化檢驗平臺，并可以通過設(shè)置層級來處理相關(guān)信息。檢查單點及系統(tǒng)的共有故障，再逐步排除相關(guān)數(shù)據(jù)的異常，可以在兩種實時狀態(tài)中進行分析，即生產(chǎn)運行狀態(tài)及報警采集狀態(tài)，更利于數(shù)據(jù)的契合性，同時為操作人員提供了有力的幫助。

4 取得的效果分析

本次改造及應(yīng)用過程中，主要是借助羅氏線圈測量變壓器輸出側(cè)7組導(dǎo)電夾的電流初始信號并通過DSP數(shù)字信號處理器處理，通過每日每時采集計算和每月每日計算出的數(shù)據(jù)相對較為準(zhǔn)確，考慮到電流因檔位、時間、運行周期等的平均電流數(shù)據(jù)作為對比數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)實際情況，對每一時間段的平均值進行對比，這種測量電流的故障預(yù)警方法雖然不是唯一方法，但也較為精準(zhǔn)可靠且是實時預(yù)測及判斷導(dǎo)電夾故障預(yù)警的方法之一。它解決了導(dǎo)電夾完全損壞才能判斷故障或異常的問題，使生產(chǎn)運行安全可靠，可廣泛應(yīng)用于不同工業(yè)電石爐的生產(chǎn)過程及電氣元件的檢測和控制。

判斷出異常電流的電極導(dǎo)電夾，如果當(dāng)日值與平均值有偏差，或與電流參考值對比時，偏差值大于10%，需要提示報警“請注意，第二組導(dǎo)電夾異常，請停車檢查！”。同時可以判斷出異常電流的電極導(dǎo)電夾是否異常，其偏差的對比值可以根據(jù)電石爐、變壓器、導(dǎo)電夾等的大小、運行情況、實際生產(chǎn)性能有所不同。

5 結(jié)語

綜上所述，電石爐變壓器重瓦斯、有載開關(guān)故障，電石爐變壓器自動分閘，電石爐凈化系統(tǒng)凈氣風(fēng)機無運行信號，聯(lián)鎖電石爐變壓器分閘的若干設(shè)計，都可以對電石爐生產(chǎn)工藝完善，提出更為合理的故障預(yù)警，從而達(dá)到安全穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。