電石生產全流程一體化控制與優化策略

富 琛,張樹吉,金曉明,黃 偉

(1.浙江中控軟件技術有限公司，浙江 杭州 310053；2.浙江大學智能系統與控制研究所，浙江 杭州 310027)

0 引言

某企業大型密閉電石爐裝置已采用分布式控制系統(distributed control system,DCS)(又稱集散控制系統)，實現了生產過程檢測數據的集成、基礎控制和設備聯鎖保護等功能，同時也為應用先進控制技術奠定了基礎。但由于電石爐裝置存在多種復雜特性，且干擾因素多、爐況復雜多變，在以往的生產操作過程中仍主要依賴人工經驗[1]。根據密閉電石爐裝置的工藝特點和過程控制需求，本文進一步完善了相關基礎檢測儀表和執行機構，采用模型預測控制、智能控制、軟測量等先進控制技術，總結生產工藝專家經驗，在常規DCS的基礎上采用大型密閉電石爐先進控制(advanced process control,APC)系統，以進一步提高裝置整體自動化水平和操作一致性，實現對裝置的精細化控制，從而穩定爐況、減少操作故障事件、穩定電石質量和產量、保證生產安全。

1 密閉電石爐工藝流程

該企業大型密閉電石爐裝置由大連重工研發，裝置運行安全可靠，在電石生產的節能降耗、污染減排和節約資源等方面均處于行業領先地位。其工藝流程簡介如下。

密閉電石爐是一種礦熱電爐。電流通過電極輸入電石爐內轉化為熱能，將生石灰和碳素材料(焦炭、蘭炭、無煙煤、石油焦等)在高溫下反應生成電石產品[2]。密閉電石爐主要由爐體、電極、變壓器及其短網、電極壓放裝置、電極升降裝置、出爐系統和爐氣凈化系統等組成。目前，應用較為普遍的是三相圓形密閉電石爐。

加工處理后的原料生石灰和碳素材料，經過合理的配料，用輸送機將原料送到環型布料機，從環型布料倉下部的投料管把爐料投入電石爐內[3]。電流由電爐變壓器，經短網、導流銅管和導電元件導入電極[4]，爐料在電石爐內通過電弧熱加熱到1 900～2 200 ℃而生成電石和CO，熔融電石定時出爐流到小車上的電石鍋內冷卻，富含CO的高溫爐氣經凈化除塵、冷卻后送往其他用氣單元[5-7]。

密閉電石爐工藝流程如圖1所示。

圖1 密閉電石爐工藝流程圖

2 控制現狀分析

該企業大型密閉電石爐裝置已采用DCS，實現了生產過程檢測數據的集成、基礎控制和設備聯鎖保護等功能，但電石爐裝置在生產操作過程中仍主要依賴人工經驗。目前，密閉電石爐生產過程控制主要存在以下難點。

①響應滯后大，不能及時掌握原料和電石產品的組成變化，影響電石爐生產工況[8]；人工進行配料操作勞動強度大。

②電極壓放次數需要根據生產負荷、爐況及電極長度等人工設定，電極軟硬程度、電極長度均由人工檢測后手動輸入。

③三相電流之間存在一定的非線性耦合關系，各電極之間的回路阻抗不僅取決于電極在爐內的插入深度，還與爐料的物理化學性質有關，且爐料的物理化學性質在冶煉過程中不斷變化。電極升降調節時，需要綜合考慮各電極埋入深度及其電流之間的耦合關系，選擇調節相關電極的升降，以保持電極電流及電極功率的平穩一致。目前，電極升降控制主要依賴人工經驗，不能很好地解決及時性、準確性和電極相互耦合影響的問題，控制效果不佳，導致三相電極做功不平衡，電石質量和產量不能達到預期要求，而且增加了能耗。

④未對電石爐裝置的電能、電氣和相關過程量信息進行綜合分析，缺乏對爐況的智能診斷和優化，裝置潛能尚未有效挖掘。

⑤部分檢測儀表(如雷達料位計)及電氣設備(如進料刮板)等不定期出現故障，嚴重影響生產的安全性和連續性，在生產中需由人工現場輔助監測。

對于上述控制難點，目前常規PID控制和手動調節難以較好地解決，存在調節滯后、缺乏操作統一性等問題。因此，采用先進控制技術是行之有效的解決方法。

3 先進控制技術

3.1 先進控制軟件

該企業大型密閉電石爐裝置采用中控軟件技術有限公司提供的先進控制軟件包APC-Suite。應用以多變量預測控制、智能控制、軟測量等先進控制技術構建的電石爐裝置先進控制系統，將模型預測和反饋控制有機結合，有效解決了電石爐運行過程中的多變量協調優化過程控制問題；通過提煉和優選工藝操作經驗、建立特定工況的智能診斷與監控控制器，達到統一操作方法，減少了人為干擾因素的影響，保證了生產操作的一致性，實現了電石爐的平穩控制。同時，通過先進控制器的“卡邊”優化功能，可提高電石爐熱效率、優化電石爐經濟效益目標、實現節能降耗，最終獲取顯著的經濟效益[9]。

中控軟件技術有限公司提供的先進控制軟件包APC-Suite具體組件如下。

①APC-Adcon多變量預測控制軟件。APC-Adcon是APC-Suite的核心產品，包括建模、控制器設計、仿真、組態和在線應用等多個組件。

②APC-Sensor軟測量軟件。APC-Sensor以神經網絡、工藝機理建模等技術方法為核心，集數據預處理、輔助變量選擇、離線建模與仿真、在線運行等功能于一體，是生產操作和先進控制的重要輔助軟件。

③APC-iSYS先進控制平臺。APC-iSYS由核心實時數據庫、應用組件、組態組件等模塊組成，是實現先進控制、軟測量、工藝計算和過程模擬優化的基礎數據平臺。

④APC-Studio智能控制軟件。APC-Studio是采用模塊化組態方式進行先進控制方案設計的有效工具，可實現二次開發，是對Adcon控制器功能的輔助和補充。

3.2 密閉電石爐裝置先進控制策略

該企業大型密閉電石爐裝置先進控制系統主要包括自動配料系統控制器、電極長度軟測量模塊、電極自動壓放系統控制器、自動提升負荷控制器、電極及檔位升降控制器、凈化系統控制器。

3.2.1 配料系統控制器

APC投運前，操作人員需時刻進行配料操作，操作強度較大，長時間操作容易疲勞，出現誤操作。

APC投運后，系統能自動分析料倉吃料情況、刮板狀態等，實現對現場儀表的故障診斷，保證生產安全。同時，APC時刻分析全部料倉的實時吃料情況，自動對全部料倉進行配料排序。排序完成后，APC根據輸入的配比及需打料料倉的料位自動計算配料量，然后控制配料系統進行配料操作，并通過精給料實現精準配料。配料完成后，APC自動進行打料操作。若刮板出現故障，APC作出相應緊急處理，尋找其余合適料倉，保證整個配料系統在處理故障刮板時也能夠連續運行。由于運輸原料需要時間，APC在當前批次配料均處于運輸設備上時即進行下一批料的配料操作，以提高整個配料系統的效率。

3.2.2 電極長度軟測量模塊

原有生產過程中，電極長度需要每次停爐后通過實際測量得到。在送電生產過程中，操作人員只能根據經驗，通過各項電氣參數的對應表現，來判斷電極長短及壓放周期[10]。電極長度軟測量則可以綜合電石爐爐況數據，分析研究電石爐在不同爐況下的電極消耗速率。在此基礎上，采用偏最小二乘(partical least square,PLS)算法建立電極消耗軟測量模型，進而計算得到電極長度預測值和電極壓放周期，并采用電極長度實測值對軟測量模型進行數據校正。

3.2.3 電極自動壓放系統控制器

采用智能控制策略建立電極壓放系統控制器。此控制器根據電極長度軟測量及電極壓放量等信息，并結合電極軟硬情況和生產操作經驗，建立電極壓放間隔時間智能專家控制器，實現對電極壓放間隔時間的自動調節，保證生產安全、爐況穩定。

3.2.4 自動提升負荷控制器

自動提升負荷控制器包括18種不同的開爐過程程序。每次電石爐送電后，操作人員根據電石爐停電時間的長短，選擇相應的負荷提升按鈕。APC自動根據相應規則提升負荷。由于負荷提升過程時間長，有時需要數天才能完成，易存在由于操作人員班次輪換等各種原因導致的負荷提升與工藝要求不一致。負荷提升完成后，APC自動切換至正常生產模式繼續運行，降低了操作人員勞動強度，提高了自動化水平和負荷提升過程的操作統一性。

3.2.5 電極及檔位升降控制器

電石爐三相電極升降控制的目的是通過調節三根電極插入爐內的深度來平穩控制各電極的電壓、電流、電阻，穩定電極做功。

系統運行時，APC根據當前爐況自動計算電流或電阻設定值；根據三相電極間的耦合關系，綜合各電極參數及電極長度變化趨勢，實時計算并升降各相電極，實現自動控制。

APC還根據電石爐各電氣參數及爐況數據和生產負荷，對三相電極的檔位進行自動控制，保證電石爐在安全、穩定的前提下達到最高負荷。

APC投運前，操作人員需實時關注各個參數，人工升降電極，并同時完成生產記錄等各種工作，勞動強度大，無法時刻對電極升降作出合理且及時的判斷。而電極升降控制器能夠有效克服干擾，可適應一定程度的工況波動和生產負荷變化，平穩控制各電極的電流，從而穩定爐況、提高爐內反應效果、降低能耗，同時也減輕操作人員的勞動強度。

3.2.6 凈化系統控制器

①粗凈氣風機的自動控制。

通過模型預測控制技術，根據爐壓、過濾器出口壓力的變化，完成粗氣風機和凈氣風機的聯動控制，實現正常爐況下的平穩控制。發生塌料時，粗氣風機和凈氣風機的快速聯動調節，可保證爐壓的快速回落及過濾器出口壓力負壓時間不過長。風機控制變量如表1所示。

表1 風機控制器變量表

②過濾器入口溫度控制。

電石爐運行期間，如凈化系統過濾器入口溫度過高時，APC將根據爐壓及溫度變化速率更改降檔速率，直到入口溫度回落至安全溫度、保證溫度處于安全范圍，APC開始逐漸提升檔位，恢復生產負荷。

4 密閉電石爐裝置先進控制應用效果

電石爐電極升降及凈化系統自動控制器投入運行后，三相電極電流、電極電壓、電極功率、除塵器出口壓力、電石爐壓力等關鍵工藝參數的運行平穩性得到明顯改善。

電石爐各項參數的穩定性得到較大提升：三相電極電流平均標準差下降70%以上，三相電極電阻平均標準差下降60%以上，三相電極功率平均標準差下降65%以上；過濾器出口壓力平均標準差降低40%以上；爐壓平均標準差降低40%以上；發氣量平均標準差下降20%以上；電極長度軟測量平均誤差在100 mm以內達到70%以上，平均誤差在150 mm以內達到80%以上，平均誤差在200 mm以內達到90%以上。

下面以電極電流、電石發氣量為例，說明工藝參數波動幅度的改善情況。

①電極電流。

APC投運前后的電極電流數據趨勢如圖2所示。電極電流在APC投運前，平均值為91.18 kA，標準差為9.62；在APC投運后平均值為91.69 kA，標準差為2.06。由此可知，在APC投運后，標準差降低了78.59%。

圖2 電極電流數據趨勢圖

②電石爐日均發氣量。

APC投運前后的電石爐日均發氣量數據趨勢如圖3所示。在APC投運前，電石爐日均發氣量平穩性平均值為281.91 L/kg，標準差為14.02；在APC投運后，平均值為288.35 L/kg，標準差為7.5。由此可知，在APC投運后，平均值增長2.3%，標準差降低了78.59%。

圖3 日均發氣量數據趨勢圖

5 結束語

該企業大型密閉電石爐裝置應用APC取得了顯著的效果。APC投運后，電極電流、電壓、功率、過濾器出口壓力、電石爐壓力等工藝參數的運行平穩性得到明顯改善，三相電極各工藝參數趨向一致，相互間的偏差縮小，從而穩定了電極做功和電石爐工況，在一定程度上保證了電石產品質量，降低了電耗。同時，通過對凈氣風機變頻的自動控制，實現了對過濾器出口壓力、電石爐壓力的平穩控制，提高了裝置運行安全性。

此外，先進控制技術使得電石爐生產自動化水平得到大幅度提高，減少了人工干預，提高了生產操作的一致性，降低了生產操作強度，帶來了顯著的經濟效益。