電石爐電氣參數測量技術應用實現全自動操作

焦宏義，王志斐

（1.烏海中聯化工有限公司，內蒙古自治區 烏海 016000；2.青島菲特測控節能科技有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

電石爐主要通過三相電極的電弧發熱產生高溫環境下，把蘭炭和生石灰的混合原料經過復雜的化學反應生成電石。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數據會直接影響恒電流自動控制的效率，也會影響電石的產量和品質。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，進行直接計算電極電流。因此，對電石爐電極實際工作參數的測量顯得十分重要，主要參數包括電極電流、操作電阻、電極長度、電極入爐深度、電極電壓、電極功率，還需要依據爐型參數（電極直徑、電極極心圓直徑、設計電極插入物料深度、爐膛深度、冶煉物料總高度、爐膛直徑、短網銅管長度、短網銅管是否交叉出線、短網銅管外徑、短網銅管內徑、短網銅管每相進出線總根數、銅管水平間距、銅管垂直間距、水冷電纜或軟電纜長度）的統計分析，通過精準分析電石爐內電極電氣相關的內部參數和變壓器參數，得到最佳的恒電流調節方式，以實現全自動控制三相電極。

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的原理分析

1.1 電石爐電流測量原理

電石爐電流有一次進線電流和電極電流。一次進線電流取自高壓變電站電流，為實測電流；顯示的電極電流為變壓器三次測電流互感器電流。因為一次進線接方式為角接，此方法測量的一次電流與電極電流一一對應，系統顯示的電極電流實際為變壓器角內電流，并非電極電流。在實際控爐過程中，可以依據一次電流進行控爐，但投入低壓補償后，一次電流會減小，但實際電極電流沒有變小反而會有所升高，此時如果再依據一次電流控爐，就容易造成電極過燒。當低壓補償投入組數嚴重不平衡時，一次電流的大小關系有可能與電極電流不符，依據一次電流控爐會造成誤操作。系統顯示的一次電流與電極電流均沒有解決低壓補償對電流影響的問題。

1.2 電石爐一次電流的計算

分相測量每臺變壓器的一次側參數：Pab、Pbc、Pca，Qab、Qbc、Qca；角內一次電流：Iab、Ibc、Ica；總有功P1、總無功Q1、視在功率S及功率因數；二次電壓：U2ab、U2bc、U2ca。通過矢量的方法計算一次進線電流，以計算Ia一次電流為例，Ia一次電流為角內電流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° )

根據余弦定理：

式中：Ica——C相變壓器角內電流（實測值）。

Iab——A相變壓器角內電流（實測值）。

∠a——C相變壓器功率因數反正切角度值。

∠b——A相變壓器功率因數反正切角度值。

通過此計算的一次電流值與實測值相符。

1.3 電極電流的計算

各相電爐有功計算（以AB相為例）：P2ab= Pab-AB相爐前損耗

電爐無功計算（以AB相為例）：Q2ab = Qab–QTab（QTab——爐變消耗無功）；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：P2ab/S2ab

阻抗：Z2ab=U2ab/I2ab

角接下的操作電阻：R2ab=Z2ab×自然功率因數

通過星三角轉換計算得到每根電極參數，包括電極電流操作電阻等，計算方法與計算一次電流方法相同。

如果有無功補償，則：Q2ab=Qab-QTab+Qcab （Qcab——測量得到的AB相補償量）。

圖3 試驗電路圖Fig.3 Test circuit diagram

圖4 自動化系統運行主界面Fig.4 Main operation interface of automation system

本計算方法經過驗證是可靠的，且比現有測量系統準確。由于負荷中性點是偏離地電位的，現有系統從高壓PT取相對地信號或從二次相對地取信號都因為負荷中性點偏移造成分相測量誤差，而本系統是針對每臺變壓器測量，避開了中性點問題。

2 電路模型建立在實際生產中的應用效果

2.1 電石爐內模擬電路分析

為驗證上述星接支路、角接支路的電流和電阻數據的正確性，試驗電路圖如圖3所示。

通過調節各支路電阻（RA、RB、RC、RAB、RCA、RBC），根據從每臺變壓器測得的有功、無功，電壓、電流，A、B、C三點對地電壓，計算出各支路電阻（R A、RB、RC、RAB、RCA、RBC）。

通過電路計算值與實測參數對比，各支路電阻壓降實測值與計算值也比較接近，三相電阻值大小相對值誤差很小。

2.2 電石爐內星接和角接參數與電極操作的對應性

2.2.1 星接支路電阻的分析

三相電極上提和下插相對于星接支路電阻改變大小，對地電弧電壓也明顯改變，而電極電流和電極對地電壓變化靈敏度要慢。對無渣電石爐來說，星接支路電阻還可以用來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的變化規律：角接支路電阻變化會顯著改變操作電阻，且相鄰電極操作電阻隨角間電阻變大而變大，而對面電極操作電阻反向變小；反之相鄰電極操作電阻隨角間電阻變小而變小，對面電極操作電阻反向變大。同樣，電極電流和電極對地電壓變化靈敏度變化不大。

圖5 爐內參數運行主界面Fig.5 Main interface of furnace parameters operation

當角接支路電阻不平衡造成三相電極電流不平衡時，通過調節電極深度是無法有效調平電極電流的，此時強行調平電流反而會惡化爐況。

當某一相電阻遠大于其余兩相，對面電流大、相鄰兩電流會變小或基本相等，此電極間電阻大，對無渣冶煉是由于此處配碳減少所致；對有渣冶煉，可能是熔池不在一個水平面，碳層浮到高處導致。當某一相電阻遠小于其余兩相，對面電流小、相鄰兩相電流大并基本相等，此電極間電阻小對無渣冶煉是因此處配碳偏多，對有渣冶煉是熔池不平，碳層往上浮移所致[2]。

3 爐內電氣參數測量技術在自動化控爐中的應用

3.1 電石爐全自動化控制的主要邏輯

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

3.2 三相電極調節控制邏輯

點動調節電極升降，單次動作電極10mm左右，兩次動作時間間隔10s以上，防止電極大幅度升降。

上提電極控制條件：當電極電流大于設定值的1.02倍，延時10s帶相上提電極；當上提受限時，三相檔位同步降壓；當電極電流大于設定值延時60s帶相上提電極；當一次電流大于上限值延時10s帶相上提電極；當二次電流大于上限值延時10s帶相上提電極。

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

3.3 電極調節限制條件

功率因數：電極功率因數最大相不能上提；電極功率因數最小相不能下插；平均功率因數>上限值，電流不超下插三相電極；平均功率因數<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：把持器位置大于設定上限值不能上提電極；把持器位置小于設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：熔池電壓大于設定上限值不能上提電極；熔池電壓小于設定下限值不能下插電極。

3.4 檔位調節

檔位動作保護措施：進線有功大于設定有功功率上限時，降壓；進線有功小于設定有功功率下限時，升壓；電流超過區間設定值上限且電極受限不能上提時，降壓。

3.5 檔位調節限制條件

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

3.6 電流調平衡

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

3.7 自動壓放

程序中有兩種壓放方式供選擇（建議選擇按統計的把持器位置平均值壓放）。

按設定的時間壓放，人工確定每相電極壓放時間間隔，系統開始倒計時，時間到后，開始自動壓放本相電極。

按統計的把持器位置平均值壓放，每2h統計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間的位移，自動調整壓放時間（本2h區間內的壓放時間是由上2h統計的位移平均值確定的）。為防止壓入瞬間電極電流過大，在即將壓放時，系統自動檢測電極電流大小。如果大于設定值，電極會上提后再壓放。

4 結論

電石爐內電氣參數的測量技術通過實驗電路分析和在電石爐生產中實際驗證，并在電石爐全自動控制運行中，完整地體現了電石爐電極電流、極對地弧電壓、極對地電壓、操作電阻等測量參數控爐的準確性和科學性。爐內電氣參數真實性比以往只依靠變壓器一次電氣參數的換算結果值控制更精準，爐況控制更穩定。電石爐根據準確的電氣參數投入全自動化控制方案中，更方便工藝操作人員對爐況進行準確判斷，在生產過程中完全實現電石爐全自動控制方式。