冶金電氣節能負載控制技術的優化研究

王曉健

（濰坊職業學院，山東 濰坊 262737）

隨著全球對于能源用量需求的不斷增加，盡管能源開發程度不斷加深，但仍然面臨著資源緊缺的問題[1]。當今世界，多數國家為了解決該問題加大了對于新能源的研發力度，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注的問題就是傳統資源的節約使用。與其他行業相比，冶金行業的能源用量較大。大多數企業主要是以電氣作為主要能源實現對金屬的冶煉提取[3]。通常情況下，冶金爐內的金屬礦產添加量與電氣用量之間是存在一定的線性關系，當二者之間達到某種平衡時，可以實現能源價值的最大化，并且不會對冶金質量和效率造成影響。而這種平衡需要在大量的實踐中不斷摸索，在此過程中，對企業造成的經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，不僅對于企業的經營發展不利，也與現階段節能環保的號召不符。在此背景下，加強對冶金電氣節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能負載控制技術的優化研究，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，以期為冶金企業的節能發展提供有價值的參考。

1 冶金電氣節能負載能耗模型

要實現對冶金系統中節能負載狀態的合理控制，首先要明確冶金系統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成的，因此，通過對冶金過程中產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的電氣節能負載能耗狀況。

結合實際的冶金設備運行模式可知，冶金系統總體節能負載能耗主要分為三部分，分別對應轉子電阻、定子電阻以及勵磁電阻，三者運行狀態的合理性直接影響其損耗的大小。

在上述基礎上，本文首先分析了轉子電阻的能耗，其主要位于冶金系統的傳送裝置中，一般情況下，金屬礦產通過傳送帶傳輸到電弧爐中，并在完成冶煉后通過相應的傳送裝置傳送到冷卻爐，最終輸出到存儲倉。在該過程中，金屬輪轉設備上的轉子電阻能耗會隨著其負載強度而發生變化。假設轉子電阻值為Rz，傳輸帶上單位面積承載的金屬質量為m，轉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，轉子電阻的能耗。而能夠滿足對m質量金屬傳輸的最小能

其中，λ表示轉子電阻的基礎能耗系數，該值主要是傳輸設備的本身的性質決定的。

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

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

而當電弧爐處于負載狀態時，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表示冶金系統的加熱階段。

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

其中，Pl表示電弧爐負載狀態下勵磁電阻的能耗，Rl表示勵磁電阻。

由此可以得出，在冶金系統處于空載狀態時，其能耗僅為定子電阻維持爐內溫度的能耗，則此時的系統能耗模型為：

而當冶金系統處于負載狀態時，系統能耗模型為：

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

2 節能負載運行狀態優化

在上述建立的模型基礎上，通過對節能負載運行狀態進行有效控制即可實現減少能源損耗的目的。為了提高最終計算結果的可靠性，本文利用遺傳算法對其進行優化，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能負載運行狀態。

利用遺傳速算法滿足模型的節能負載運行狀態進行計算，其實是對三個目標的優化計算，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，將其轉化為單一目標。以此為基礎，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果產生的影響，將子群基數設置為無限大，即將冶金系統節能負載所有運行狀態作為基礎子群，其中每一個可輸入的結果作為一條染色體。

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的存儲位置，8個儲存位置組成一個字節，通過這樣的方式減少計算占用的儲存空間，提高計算效率。將計算結果與模型輸出值的擬合度作為適應度函數，其表示為：

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

當處于冶金系統空載狀態時，將于f（p）值與TS Rd最接近的p作為當前的最優值，并與下一個染色體的結果進行對比，如果其仍為最接近的值，則繼續作為最優值作為后續染色體的比較對象，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，直至完成子群內所有染色體的計算，輸出的結果即為最優值。冶金系統負載狀態下同理。

通過上述方式計算出全局最優節能負載運行狀態，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的應用效果，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用價值。

3.1 測試環境

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，對應的電氣參數如表1所示。

表1 冶金電氣參數

在上述測試環境下，分別采用三種方法對該冶金系統的能源開銷進行控制。

3.2 測試結果

本文首先分析了三種方法控制方法下10個機組的供應電弧爐完成20t金屬冶煉的能源損耗，其結果如圖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，具有較為明顯的節能作用。這主要是因為本文方法能夠實現對冶煉系統所有產生能耗部件的最小能耗計算，降低了部件上的過剩能量，從而實現了冶金電氣節能的目的。

在上述基礎上，本文對比了三種方法下的能源成本開銷，其結果如表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，當電弧爐內的金屬礦產總量達到極值，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果也與上文的能源開銷統計結果一致，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。這主要是因為要實現對金屬的冶煉，冶金系統需要的基礎能耗值是一定的。

4 結語

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