密閉電石爐智能APC控制設(shè)計(jì)探究

［關(guān)鍵詞］密閉電石爐；智能APC控制；爐氣壓力；電極

1 APC控制系統(tǒng)概述

APC平臺軟件集成了數(shù)學(xué)建模、模型預(yù)測控制、滾動(dòng)優(yōu)化功能組件，可充分利用裝置的歷史記錄進(jìn)行預(yù)辨識；可通過軟件自動(dòng)輸出小幅激勵(lì)信號，自動(dòng)收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行辨識；軟件中的系統(tǒng)建模能夠更大程度地還原被控對象的動(dòng)態(tài)特性，具備強(qiáng)大的多變量并行和閉環(huán)辨識能力，為工業(yè)復(fù)雜對象實(shí)現(xiàn)更高層面的多變量自動(dòng)控制，降低裝置生產(chǎn)過程的波動(dòng)。

2 電石爐爐壓智能APC控制

2.1 爐壓智能APC控制原則

密閉電石爐爐壓控制基本為微負(fù)壓操作（部分密閉電石爐采用微正壓操作）。爐壓控制的原則是：當(dāng)出現(xiàn)爐內(nèi)料層變化或其他情況，爐內(nèi)氣體集中釋放以及釋放完成后整個(gè)工藝波動(dòng)過程，通過智能控制，能迅速調(diào)整爐壓至目標(biāo)控制范圍。

2.2 爐壓自動(dòng)控制存在的不足

（1）爐氣集中釋放，自動(dòng)控制無法迅速通過風(fēng)機(jī)頻率調(diào)整進(jìn)行泄壓，易造成設(shè)備損壞甚至造成其他異常情況。

（2）自動(dòng)調(diào)整過程中，尤其是爐壓集中釋放爐壓回調(diào)過程中，會出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)間長現(xiàn)象，造成大量空氣進(jìn)入密閉電石爐內(nèi)進(jìn)行燃燒，使?fàn)t氣溫度增高，造成下游凈化設(shè)備布袋燒損（布袋耐受溫度300℃）。

（3）自動(dòng)調(diào)節(jié)目標(biāo)值過程中，爐壓會以目標(biāo)值為中心，形成類似正弦曲線趨勢上下波動(dòng)，調(diào)整目標(biāo)值時(shí)間過長，有時(shí)候存在還未控制到目標(biāo)值，工藝出現(xiàn)波動(dòng)，進(jìn)行下一次的調(diào)整過程，給工作人員一種無法調(diào)整到目標(biāo)值的假象。

2.3 爐壓智能APC控制

（1）APC控制對爐壓壓力范圍進(jìn)行區(qū)域劃分，設(shè)定為爐氣壓力正壓快調(diào)區(qū)（實(shí)際爐壓＞目標(biāo)爐壓+10Pa）、爐氣壓力目標(biāo)微調(diào)區(qū)（目標(biāo)爐壓﹣10Pa＜實(shí)際爐壓＜目標(biāo)爐壓+10Pa）、爐氣壓力負(fù)壓快調(diào)區(qū)（實(shí)際爐壓＜目標(biāo)爐壓﹣10Pa）3個(gè)區(qū)間，3個(gè)區(qū)間調(diào)整方式各有區(qū)別。

（2）爐氣壓力在正壓快調(diào)區(qū)調(diào)整。在正壓快調(diào)區(qū)調(diào)整，風(fēng)機(jī)頻率變化基數(shù)為1HZ進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)風(fēng)機(jī)頻率變化為給定式調(diào)整，爐壓變化與風(fēng)機(jī)頻率調(diào)整為斜率大于零的直線線性關(guān)系。

以81000kVA密閉電石爐運(yùn)行參數(shù)為例，穩(wěn)定運(yùn)行期間，目標(biāo)控制爐壓為0，風(fēng)機(jī)頻率常值為26.5Hz，設(shè)定正壓快調(diào)區(qū)間為實(shí)際爐壓≥10Pa。

爐壓檢測進(jìn)入正壓快調(diào)區(qū)間時(shí)，當(dāng)爐壓達(dá)到10Pa，風(fēng)機(jī)頻率直接給定27.5Hz（常值+1）之后，再進(jìn)行檢測調(diào)整；當(dāng)爐壓直接達(dá)到80Pa，風(fēng)機(jī)頻率直接給定34.5Hz（常值+8）之后，再進(jìn)行檢測調(diào)整；爐壓變量與風(fēng)機(jī)頻率變量關(guān)系為爐壓每增加10Pa對應(yīng)風(fēng)機(jī)頻率增加1Hz。當(dāng)爐壓達(dá)到180Pa甚至更高時(shí)，風(fēng)機(jī)頻率直接調(diào)整到允許最大風(fēng)機(jī)頻率45Hz。

在爐氣集中釋放完成后，風(fēng)機(jī)頻率往回調(diào)整的過程具有預(yù)判性，不能爐壓檢測到達(dá)目標(biāo)值后再降低風(fēng)機(jī)頻率，而是在檢測到有持續(xù)并且明顯的下降趨勢時(shí)，要降低風(fēng)機(jī)頻率。此調(diào)整過程仍然采用給定風(fēng)機(jī)頻率方式進(jìn)行。

以81000kVA密閉電石爐運(yùn)行參數(shù)為例。當(dāng)爐氣集中釋放，風(fēng)機(jī)頻率調(diào)整到35Hz時(shí)，爐氣壓力由集中釋放時(shí)的100Pa降低到30Pa并且仍有下降趨勢時(shí)，風(fēng)機(jī)頻率不是等到爐氣壓力達(dá)到目標(biāo)值再去下調(diào)，而是按照線性關(guān)系，直接降低風(fēng)機(jī)頻率至28Hz，來縮短因設(shè)備調(diào)整造成的目標(biāo)值偏離時(shí)間過長、負(fù)壓時(shí)間過長，避免造成爐氣溫度偏高。

調(diào)整過程中，APC系統(tǒng)自動(dòng)識別出風(fēng)機(jī)頻率運(yùn)行常值這個(gè)數(shù)據(jù)，常值一定是在出現(xiàn)波動(dòng)前穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)機(jī)頻率，不同階段的常值會有輕微的差異。常值識別錯(cuò)誤，將影響整體調(diào)整效果及速率。

（3）爐氣壓力在目標(biāo)微調(diào)區(qū)調(diào)整。在目標(biāo)微調(diào)區(qū)調(diào)整，風(fēng)機(jī)頻率變化基數(shù)為0.1Hz進(jìn)行調(diào)整，爐壓調(diào)整為通過監(jiān)測爐氣壓力與目標(biāo)值的偏差檢修微調(diào)。為提高調(diào)整精確度可設(shè)定調(diào)整死區(qū)，例如，檢測值在目標(biāo)值±1Pa范圍內(nèi)不進(jìn)行調(diào)整，超過死區(qū)調(diào)整頻率指令為±0.2Hz微調(diào)，直至達(dá)到目標(biāo)值。

在目標(biāo)微調(diào)區(qū)，其主要的影響因素有：①目標(biāo)值設(shè)定不合理，造成爐蓋設(shè)備有明火或爐氣溫度值偏高。②爐蓋沙封、料柱密封、電極柱密封等設(shè)備密封質(zhì)量不佳，誤導(dǎo)目標(biāo)值設(shè)定，造成調(diào)整效果不佳。③風(fēng)機(jī)頻率靈敏度，尤其在微調(diào)區(qū)，當(dāng)下達(dá)+0.1Hz調(diào)整指令后，風(fēng)機(jī)頻率變頻器調(diào)整誤差在0.2Hz以內(nèi)，就會形成無效指令，造成調(diào)整效果不佳。因此，在目標(biāo)微調(diào)區(qū)，目標(biāo)值的設(shè)定及風(fēng)機(jī)頻率調(diào)整基數(shù)還需根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備等情況進(jìn)行修訂。④風(fēng)機(jī)變頻器變化速率。速率快的風(fēng)機(jī)調(diào)整速度相對較快、效果較好。

（4）爐氣壓力在負(fù)壓快調(diào)區(qū)調(diào)整。負(fù)壓快調(diào)區(qū)與正壓快調(diào)區(qū)調(diào)整方式相同，風(fēng)機(jī)頻率變化為給定式智能調(diào)整，爐壓變化與風(fēng)機(jī)頻率調(diào)整為斜率大于零的直線線性關(guān)系，區(qū)別在于正壓快調(diào)區(qū)頻率是在增加，負(fù)壓快調(diào)區(qū)風(fēng)機(jī)頻率是在下降。

3 電石爐電極APC智能控制

3.1 電極APC智能控制原則

電石爐電極APC智能控制原則在某種意義上其實(shí)就是操作理念的體現(xiàn)，即穩(wěn)定電極位置在一定入料深度的基礎(chǔ)上，通過電石爐操作控制中的電流控制和負(fù)載控制相結(jié)合的方式進(jìn)行操作。引用西馬克操作手冊闡述電流控制、負(fù)載控制，具體內(nèi)容如下。

3.1.1 電流控制

通過電流控制，電極可得到調(diào)整，使電流盡可能保持恒定。為實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，調(diào)節(jié)氣缸會推動(dòng)電極上下移動(dòng)。這樣做的缺點(diǎn)是在一個(gè)電極移動(dòng)時(shí)，其他兩個(gè)電極也會響應(yīng)，從而使電極位置不穩(wěn)定。指定負(fù)載的熔爐運(yùn)行通過調(diào)節(jié)電極進(jìn)行控制，以確保熔爐內(nèi)的電氣平衡。這種平衡通過二級電流和槽電壓進(jìn)行維持。當(dāng)每個(gè)電極上的電壓均相同且電極在混合物中的熔深相同時(shí)，熔爐將保持電氣平衡，此時(shí)應(yīng)確保操作條件穩(wěn)定。因電極處于最高或最低位置而導(dǎo)致電極電流不平衡的情況下，必須進(jìn)行手動(dòng)控制，并應(yīng)特別注意其他兩個(gè)電極的調(diào)節(jié)情況。這是因?yàn)樗须姌O上的電流均相互依賴，其他電極上將無法維持正常負(fù)載，或會將其他電極過度推進(jìn)混合物中或高高吊起來。而電極位置應(yīng)與其電極頭位置保持一致。若電極電流減小，滑動(dòng)進(jìn)度也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的修改。

3.1.2 負(fù)載控制

負(fù)載控制使用較高的功率系數(shù)進(jìn)行操作會更為有效，但該做法受碳化物需獲得充足熱量這一要求的限制。使用過高的功率系數(shù)進(jìn)行操作或負(fù)載增加過快都將造成碳化物熱量不足，進(jìn)而導(dǎo)致出鐵困難。若功率系數(shù)過低，電極至熔爐的熔透將過大，從而導(dǎo)致碳化物過熱，造成分解、噴發(fā)及結(jié)皮形成。這一問題在功率較低和碳化物槽較?。ǜ走^熱）的情況下更為嚴(yán)重。因此，在熔爐長期關(guān)閉后提高功率時(shí)，必須特別注意避免在碳化物槽足夠大之前使熱量/功率過高。

3.2 電極自動(dòng)控制存在的不足

（1）電極自動(dòng)操作在出現(xiàn)塌料，尤其電流變化比較大的過程中，會出現(xiàn)某項(xiàng)電極一直往下降，或者某一項(xiàng)電極一直往上提升現(xiàn)象，不利于電石爐穩(wěn)定，同時(shí)若出現(xiàn)爐內(nèi)設(shè)備漏水或其他異常，此種操作將嚴(yán)重影響電石爐安全生產(chǎn)。

（2）自動(dòng)控制主要是以電流調(diào)整控制，操作員需要通過調(diào)整電極電流目標(biāo)值進(jìn)行修訂操作，此種操作是直接調(diào)整電極把持器位置改為通過調(diào)整電極電流控制把持器位置，是一種偽智能操作，并且目前智能化不具備爐況調(diào)整的功能。

（3）自動(dòng)投用條件要求比較高，當(dāng)電流偏高投用后，會造成電極位置一直提升，不利于電石爐穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)電流波動(dòng)較大時(shí)，電極位置變化比較頻繁，會使液壓系統(tǒng)頻繁起停，影響液壓設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 電石爐電極APC智能控制

（1）電極APC智能控制首先設(shè)定一個(gè)目標(biāo)區(qū)和兩個(gè)調(diào)整區(qū)。分別為負(fù)荷目標(biāo)區(qū)，電極位置控制區(qū)和電極電流控制區(qū)。各區(qū)具體作用如下。

負(fù)荷目標(biāo)區(qū)：當(dāng)智能控制其他選定調(diào)節(jié)滿足要求，會在負(fù)荷未達(dá)到要求時(shí)升檔提升負(fù)荷；當(dāng)所有選定條件滿足要求后，會結(jié)合電極電流參數(shù)進(jìn)行負(fù)載控制。

電極位置控制區(qū)：控制電極位置活動(dòng)范圍，同時(shí)在電極位置控制區(qū)會設(shè)定一個(gè)目標(biāo)控制范圍，結(jié)合電極電流情況，逐步向目標(biāo)控制范圍趨勢調(diào)整。

電極電流控制區(qū)：設(shè)定電流的控制范圍，通過調(diào)整電極位置，使電極電流在控制范圍內(nèi)運(yùn)行。此控制區(qū)同樣設(shè)定目標(biāo)控制范圍，結(jié)合電石爐負(fù)荷、電極位置，逐步向目標(biāo)控制范圍趨勢調(diào)整。

目標(biāo)區(qū)及調(diào)整區(qū)目標(biāo)調(diào)整優(yōu)先權(quán)為電流控制區(qū)調(diào)整優(yōu)先，負(fù)荷目標(biāo)區(qū)其次，再次為電極位置控制。

（2）APC智能調(diào)整。舉例說明APC智能控制調(diào)整過程。電石爐運(yùn)行負(fù)荷42MW，運(yùn)行參數(shù)電極位置1號電極1050mm，2號電極1280mm，3號電極1100mm，電極電流分別為1號電極133kA，2號電極138kA，3號電極138kA。APC智能控制設(shè)定，電極位置控制范圍1號電極1100～1200mm、2號電極1100～1300mm、3號電極1000～1200mm，電極位置目標(biāo)控制范圍1號電極（1100±50）mm、2號電極（1200±50）mm、3號電極（1100±50）mm；電極電流控制范圍1號電極130～138kA、2號電極130～138kA、3號電極130～138kA，電極電流目標(biāo)范圍1號電極（135±1.5）kA、2號電極（135±1.5）kA、3號電極（135±1.5）kA。

電極APC控制投用后，優(yōu)先采用電流控制的方式進(jìn)行調(diào)整，通過電極位置控制對電極電流進(jìn)行調(diào)整，對電極電流調(diào)整趨勢為滿足電極位置控制范圍，將電極電流逐漸調(diào)整至目標(biāo)值。

具體調(diào)整為單項(xiàng)電極動(dòng)作，三相電極循環(huán)調(diào)整，每次調(diào)整電流為0.5～1kA。如先調(diào)整2號電極，電流高于目標(biāo)值，位置提升至1290mm，電流降低至0.5kA，則終止調(diào)整。下一步調(diào)整3號電極，同樣操作，目標(biāo)完成后調(diào)整1號電極，電極向下調(diào)整至1040mm，電極電流達(dá)到目標(biāo)值，終止調(diào)整。循環(huán)往復(fù)，直至三相電流全部達(dá)到目標(biāo)值。

當(dāng)電流達(dá)到目標(biāo)范圍內(nèi)，APC控制選擇兩種方式：①負(fù)荷未達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷，自動(dòng)提升一檔升負(fù)荷操作，提升檔位后，按照上述方式調(diào)整電極電流；②負(fù)荷達(dá)到要求，在目標(biāo)電流范圍內(nèi)微調(diào)電極位置，將電極位置調(diào)整至目標(biāo)范圍內(nèi)。

當(dāng)負(fù)荷、電極電流及電極位置均達(dá)到目標(biāo)范圍內(nèi)，APC控制會對功率因數(shù)進(jìn)行檢測，通過電極電流運(yùn)行目標(biāo)區(qū)范圍內(nèi)調(diào)整功率因數(shù)，形成負(fù)載控制。在負(fù)載控制運(yùn)行期間，還能不斷收集數(shù)據(jù)并對比分析，形成最佳運(yùn)行的功率因數(shù)參數(shù)，持續(xù)調(diào)整運(yùn)行。

4 APC智能控制后續(xù)改進(jìn)方向

通過對上述爐壓電極自動(dòng)控制設(shè)計(jì)以及APC智能系統(tǒng)的實(shí)施，自控操作實(shí)現(xiàn)以上兩種控制后，電石爐APC智能控制可逐步向黑屏操作改進(jìn)，但需要補(bǔ)充一定的邏輯控制，增加一定的聯(lián)鎖報(bào)警監(jiān)測點(diǎn)以及通過電石爐本身技術(shù)改造，為黑屏操作提供便利條件。

4.1 實(shí)現(xiàn)黑屏操作需增加電極操作固有條件

（1）增加調(diào)整邏輯條件。在智能控制調(diào)整設(shè)定中，根據(jù)電石爐本身運(yùn)行特性，給予設(shè)定調(diào)整規(guī)則。例如，電極之間帶相的影響，當(dāng)電極電流兩高一低時(shí)，電極之間帶相為順序帶相，優(yōu)先調(diào)整順序帶相靠前的電流較高的那一相電極；當(dāng)出現(xiàn)電極電流兩低一高時(shí)，優(yōu)先調(diào)整順序帶相靠前的電流較低的那一相電極；APC根據(jù)設(shè)定條件開展初始操作，并不斷進(jìn)行巡航操作。

（2）增加崗位操作法操作條件。例如，操作法中要求每間隔30min逐一活動(dòng)一次電極，每次活動(dòng)范圍±50mm條件。APC控制實(shí)施過程中，工藝參數(shù)到達(dá)各區(qū)目標(biāo)控制范圍并且穩(wěn)定運(yùn)行后，為防止電極長時(shí)間不進(jìn)行調(diào)整，可按照操作法要求，設(shè)定30min活動(dòng)一次電極。越多的運(yùn)行條件設(shè)定，越有利于APC控制系統(tǒng)做出正確的操作及調(diào)整。

4.2 進(jìn)行技改增加便利條件

電石爐工藝操作過程中，有兩種要素能有效促進(jìn)電極智能控制達(dá)到目標(biāo)設(shè)定運(yùn)行：①三相電極差檔運(yùn)行，差檔運(yùn)行就是三相變壓器可以不在同一檔位運(yùn)行，如A相25檔，B相、C相26檔運(yùn)行。如果能實(shí)現(xiàn)差檔運(yùn)行，在調(diào)整較高電流電極時(shí)，可通過差檔控制運(yùn)行，更好地保證電極入料穩(wěn)定，更能確保電石爐負(fù)荷的穩(wěn)定。②單項(xiàng)電極功率計(jì)算顯示功能，能直觀判斷出電極做功情況，不僅能給予電極位置及電極電流設(shè)定控制范圍提供參考，還可對智能控制調(diào)整給予輔助作用，優(yōu)先調(diào)整功率偏低的電極，增加智能調(diào)整效率。

4.3 完善聯(lián)鎖報(bào)警控制

APC控制增加報(bào)警聯(lián)鎖檢測，作為自動(dòng)控制終止關(guān)聯(lián)條件。電石爐運(yùn)行過程中會出現(xiàn)漏水、電極軟斷、硬斷等異常情況，將異常情況參數(shù)變化設(shè)定成異常檢測條件，如電極出現(xiàn)硬斷時(shí)電流突然減小、對地電壓突然升高、回油壓力突降參數(shù)變化，APC控制根據(jù)異常條件的設(shè)定及檢測，自動(dòng)識別出異常并自動(dòng)終止控制，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤操作引起安全事件、事故。同時(shí)設(shè)定關(guān)鍵控制點(diǎn)的報(bào)警、聯(lián)鎖，歸入APC智能控制條件中，由APC根據(jù)條件自動(dòng)切換黑屏模式等。

5 結(jié)束語

盡管智能化控制在其他領(lǐng)域已得到廣泛發(fā)展及應(yīng)用，但在密閉電石爐智能化控制方面，仍處于起步階段，推動(dòng)智能化控制在密閉電石爐領(lǐng)域的發(fā)展，面臨著多方面挑戰(zhàn)，需要不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和研究開放，加大行業(yè)內(nèi)、外技術(shù)交流，發(fā)散思維，逐步提高智能化控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，同時(shí)加強(qiáng)人才培養(yǎng)和引進(jìn)，為智能化控制技術(shù)的應(yīng)用提供有力支持。