密閉電石爐智能APC控制設計探究

［關鍵詞］密閉電石爐；智能APC控制；爐氣壓力；電極

1 APC控制系統概述

APC平臺軟件集成了數學建模、模型預測控制、滾動優化功能組件，可充分利用裝置的歷史記錄進行預辨識；可通過軟件自動輸出小幅激勵信號，自動收集數據并進行辨識；軟件中的系統建模能夠更大程度地還原被控對象的動態特性，具備強大的多變量并行和閉環辨識能力，為工業復雜對象實現更高層面的多變量自動控制，降低裝置生產過程的波動。

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：當出現爐內料層變化或其他情況，爐內氣體集中釋放以及釋放完成后整個工藝波動過程，通過智能控制，能迅速調整爐壓至目標控制范圍。

2.2 爐壓自動控制存在的不足

（1）爐氣集中釋放，自動控制無法迅速通過風機頻率調整進行泄壓，易造成設備損壞甚至造成其他異常情況。

（2）自動調整過程中，尤其是爐壓集中釋放爐壓回調過程中，會出現負壓時間長現象，造成大量空氣進入密閉電石爐內進行燃燒，使爐氣溫度增高，造成下游凈化設備布袋燒損（布袋耐受溫度300℃）。

（3）自動調節目標值過程中，爐壓會以目標值為中心，形成類似正弦曲線趨勢上下波動，調整目標值時間過長，有時候存在還未控制到目標值，工藝出現波動，進行下一次的調整過程，給工作人員一種無法調整到目標值的假象。

2.3 爐壓智能APC控制

（1）APC控制對爐壓壓力范圍進行區域劃分，設定為爐氣壓力正壓快調區（實際爐壓＞目標爐壓+10Pa）、爐氣壓力目標微調區（目標爐壓﹣10Pa＜實際爐壓＜目標爐壓+10Pa）、爐氣壓力負壓快調區（實際爐壓＜目標爐壓﹣10Pa）3個區間，3個區間調整方式各有區別。

（2）爐氣壓力在正壓快調區調整。在正壓快調區調整，風機頻率變化基數為1HZ進行調整，同時風機頻率變化為給定式調整，爐壓變化與風機頻率調整為斜率大于零的直線線性關系。

以81000kVA密閉電石爐運行參數為例，穩定運行期間，目標控制爐壓為0，風機頻率常值為26.5Hz，設定正壓快調區間為實際爐壓≥10Pa。

爐壓檢測進入正壓快調區間時，當爐壓達到10Pa，風機頻率直接給定27.5Hz（常值+1）之后，再進行檢測調整；當爐壓直接達到80Pa，風機頻率直接給定34.5Hz（常值+8）之后，再進行檢測調整；爐壓變量與風機頻率變量關系為爐壓每增加10Pa對應風機頻率增加1Hz。當爐壓達到180Pa甚至更高時，風機頻率直接調整到允許最大風機頻率45Hz。

在爐氣集中釋放完成后，風機頻率往回調整的過程具有預判性，不能爐壓檢測到達目標值后再降低風機頻率，而是在檢測到有持續并且明顯的下降趨勢時，要降低風機頻率。此調整過程仍然采用給定風機頻率方式進行。

以81000kVA密閉電石爐運行參數為例。當爐氣集中釋放，風機頻率調整到35Hz時，爐氣壓力由集中釋放時的100Pa降低到30Pa并且仍有下降趨勢時，風機頻率不是等到爐氣壓力達到目標值再去下調，而是按照線性關系，直接降低風機頻率至28Hz，來縮短因設備調整造成的目標值偏離時間過長、負壓時間過長，避免造成爐氣溫度偏高。

調整過程中，APC系統自動識別出風機頻率運行常值這個數據，常值一定是在出現波動前穩定運行的風機頻率，不同階段的常值會有輕微的差異。常值識別錯誤，將影響整體調整效果及速率。

（3）爐氣壓力在目標微調區調整。在目標微調區調整，風機頻率變化基數為0.1Hz進行調整，爐壓調整為通過監測爐氣壓力與目標值的偏差檢修微調。為提高調整精確度可設定調整死區，例如，檢測值在目標值±1Pa范圍內不進行調整，超過死區調整頻率指令為±0.2Hz微調，直至達到目標值。

在目標微調區，其主要的影響因素有：①目標值設定不合理，造成爐蓋設備有明火或爐氣溫度值偏高。②爐蓋沙封、料柱密封、電極柱密封等設備密封質量不佳，誤導目標值設定，造成調整效果不佳。③風機頻率靈敏度，尤其在微調區，當下達+0.1Hz調整指令后，風機頻率變頻器調整誤差在0.2Hz以內，就會形成無效指令，造成調整效果不佳。因此，在目標微調區，目標值的設定及風機頻率調整基數還需根據現場設備等情況進行修訂。④風機變頻器變化速率。速率快的風機調整速度相對較快、效果較好。

（4）爐氣壓力在負壓快調區調整。負壓快調區與正壓快調區調整方式相同，風機頻率變化為給定式智能調整，爐壓變化與風機頻率調整為斜率大于零的直線線性關系，區別在于正壓快調區頻率是在增加，負壓快調區風機頻率是在下降。

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就是操作理念的體現，即穩定電極位置在一定入料深度的基礎上，通過電石爐操作控制中的電流控制和負載控制相結合的方式進行操作。引用西馬克操作手冊闡述電流控制、負載控制，具體內容如下。

3.1.1 電流控制

通過電流控制，電極可得到調整，使電流盡可能保持恒定。為實現這點，調節氣缸會推動電極上下移動。這樣做的缺點是在一個電極移動時，其他兩個電極也會響應，從而使電極位置不穩定。指定負載的熔爐運行通過調節電極進行控制，以確保熔爐內的電氣平衡。這種平衡通過二級電流和槽電壓進行維持。當每個電極上的電壓均相同且電極在混合物中的熔深相同時，熔爐將保持電氣平衡，此時應確保操作條件穩定。因電極處于最高或最低位置而導致電極電流不平衡的情況下，必須進行手動控制，并應特別注意其他兩個電極的調節情況。這是因為所有電極上的電流均相互依賴，其他電極上將無法維持正常負載，或會將其他電極過度推進混合物中或高高吊起來。而電極位置應與其電極頭位置保持一致。若電極電流減小，滑動進度也應進行相應的修改。

3.1.2 負載控制

負載控制使用較高的功率系數進行操作會更為有效，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進行操作或負載增加過快都將造成碳化物熱量不足，進而導致出鐵困難。若功率系數過低，電極至熔爐的熔透將過大，從而導致碳化物過熱，造成分解、噴發及結皮形成。這一問題在功率較低和碳化物槽較小（更易過熱）的情況下更為嚴重。因此，在熔爐長期關閉后提高功率時，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 電極自動控制存在的不足

（1）電極自動操作在出現塌料，尤其電流變化比較大的過程中，會出現某項電極一直往下降，或者某一項電極一直往上提升現象，不利于電石爐穩定，同時若出現爐內設備漏水或其他異常，此種操作將嚴重影響電石爐安全生產。

（2）自動控制主要是以電流調整控制，操作員需要通過調整電極電流目標值進行修訂操作，此種操作是直接調整電極把持器位置改為通過調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整的功能。

（3）自動投用條件要求比較高，當電流偏高投用后，會造成電極位置一直提升，不利于電石爐穩定運行。當電流波動較大時，電極位置變化比較頻繁，會使液壓系統頻繁起停，影響液壓設備穩定運行。

3.3 電石爐電極APC智能控制

（1）電極APC智能控制首先設定一個目標區和兩個調整區。分別為負荷目標區，電極位置控制區和電極電流控制區。各區具體作用如下。

負荷目標區：當智能控制其他選定調節滿足要求，會在負荷未達到要求時升檔提升負荷；當所有選定條件滿足要求后，會結合電極電流參數進行負載控制。

電極位置控制區：控制電極位置活動范圍，同時在電極位置控制區會設定一個目標控制范圍，結合電極電流情況，逐步向目標控制范圍趨勢調整。

電極電流控制區：設定電流的控制范圍，通過調整電極位置，使電極電流在控制范圍內運行。此控制區同樣設定目標控制范圍，結合電石爐負荷、電極位置，逐步向目標控制范圍趨勢調整。

目標區及調整區目標調整優先權為電流控制區調整優先，負荷目標區其次，再次為電極位置控制。

（2）APC智能調整。舉例說明APC智能控制調整過程。電石爐運行負荷42MW，運行參數電極位置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，優先采用電流控制的方式進行調整，通過電極位置控制對電極電流進行調整，對電極電流調整趨勢為滿足電極位置控制范圍，將電極電流逐漸調整至目標值。

具體調整為單項電極動作，三相電極循環調整，每次調整電流為0.5～1kA。如先調整2號電極，電流高于目標值，位置提升至1290mm，電流降低至0.5kA，則終止調整。下一步調整3號電極，同樣操作，目標完成后調整1號電極，電極向下調整至1040mm，電極電流達到目標值，終止調整。循環往復，直至三相電流全部達到目標值。

當電流達到目標范圍內，APC控制選擇兩種方式：①負荷未達到目標負荷，自動提升一檔升負荷操作，提升檔位后，按照上述方式調整電極電流；②負荷達到要求，在目標電流范圍內微調電極位置，將電極位置調整至目標范圍內。

當負荷、電極電流及電極位置均達到目標范圍內，APC控制會對功率因數進行檢測，通過電極電流運行目標區范圍內調整功率因數，形成負載控制。在負載控制運行期間，還能不斷收集數據并對比分析，形成最佳運行的功率因數參數，持續調整運行。

4 APC智能控制后續改進方向

通過對上述爐壓電極自動控制設計以及APC智能系統的實施，自控操作實現以上兩種控制后，電石爐APC智能控制可逐步向黑屏操作改進，但需要補充一定的邏輯控制，增加一定的聯鎖報警監測點以及通過電石爐本身技術改造，為黑屏操作提供便利條件。

4.1 實現黑屏操作需增加電極操作固有條件

（1）增加調整邏輯條件。在智能控制調整設定中，根據電石爐本身運行特性，給予設定調整規則。例如，電極之間帶相的影響，當電極電流兩高一低時，電極之間帶相為順序帶相，優先調整順序帶相靠前的電流較高的那一相電極；當出現電極電流兩低一高時，優先調整順序帶相靠前的電流較低的那一相電極；APC根據設定條件開展初始操作，并不斷進行巡航操作。

（2）增加崗位操作法操作條件。例如，操作法中要求每間隔30min逐一活動一次電極，每次活動范圍±50mm條件。APC控制實施過程中，工藝參數到達各區目標控制范圍并且穩定運行后，為防止電極長時間不進行調整，可按照操作法要求，設定30min活動一次電極。越多的運行條件設定，越有利于APC控制系統做出正確的操作及調整。

4.2 進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電極智能控制達到目標設定運行：①三相電極差檔運行，差檔運行就是三相變壓器可以不在同一檔位運行，如A相25檔，B相、C相26檔運行。如果能實現差檔運行，在調整較高電流電極時，可通過差檔控制運行，更好地保證電極入料穩定，更能確保電石爐負荷的穩定。②單項電極功率計算顯示功能，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定控制范圍提供參考，還可對智能控制調整給予輔助作用，優先調整功率偏低的電極，增加智能調整效率。

4.3 完善聯鎖報警控制

APC控制增加報警聯鎖檢測，作為自動控制終止關聯條件。電石爐運行過程中會出現漏水、電極軟斷、硬斷等異常情況，將異常情況參數變化設定成異常檢測條件，如電極出現硬斷時電流突然減小、對地電壓突然升高、回油壓力突降參數變化，APC控制根據異常條件的設定及檢測，自動識別出異常并自動終止控制，避免出現錯誤操作引起安全事件、事故。同時設定關鍵控制點的報警、聯鎖，歸入APC智能控制條件中，由APC根據條件自動切換黑屏模式等。

5 結束語

盡管智能化控制在其他領域已得到廣泛發展及應用，但在密閉電石爐智能化控制方面，仍處于起步階段，推動智能化控制在密閉電石爐領域的發展，面臨著多方面挑戰，需要不斷進行技術創新和研究開放，加大行業內、外技術交流，發散思維，逐步提高智能化控制系統的性能和穩定性，同時加強人才培養和引進，為智能化控制技術的應用提供有力支持。