电石炉电气参数测量技术应用实现全自动操作

焦宏义，王志斐

（1.乌海中联化工有限公司，内蒙古自治区 乌海 016000；2.青岛菲特测控节能科技有限公司，山东 青岛 266000）

0 引言

电石炉主要通过三相电极的电弧发热产生高温环境下，把兰炭和生石灰的混合原料经过复杂的化学反应生成电石。电石炉基本控炉的核心是三根电极的控制，因而电石炉电极电流的真实数据会直接影响恒电流自动控制的效率，也会影响电石的产量和品质。目前，大部分电石公司的电石炉都只是采集炉变的一次电压、一次电流、二次电极电压电气参数，进行直接计算电极电流。因此，对电石炉电极实际工作参数的测量显得十分重要，主要参数包括电极电流、操作电阻、电极长度、电极入炉深度、电极电压、电极功率，还需要依据炉型参数（电极直径、电极极心圆直径、设计电极插入物料深度、炉膛深度、冶炼物料总高度、炉膛直径、短网铜管长度、短网铜管是否交叉出线、短网铜管外径、短网铜管内径、短网铜管每相进出线总根数、铜管水平间距、铜管垂直间距、水冷电缆或软电缆长度）的统计分析，通过精准分析电石炉内电极电气相关的内部参数和变压器参数，得到最佳的恒电流调节方式，以实现全自动控制三相电极。

图1 电流滞后电压矢量图Fig.1 Current hysteresis voltage vector diagram

图2 进线电流Ia电流矢量图Fig.2 Current vector diagram of incoming current Ia

1 电石炉电极电气参数的原理分析

1.1 电石炉电流测量原理

电石炉电流有一次进线电流和电极电流。一次进线电流取自高压变电站电流，为实测电流；显示的电极电流为变压器三次测电流互感器电流。因为一次进线接方式为角接，此方法测量的一次电流与电极电流一一对应，系统显示的电极电流实际为变压器角内电流，并非电极电流。在实际控炉过程中，可以依据一次电流进行控炉，但投入低压补偿后，一次电流会减小，但实际电极电流没有变小反而会有所升高，此时如果再依据一次电流控炉，就容易造成电极过烧。当低压补偿投入组数严重不平衡时，一次电流的大小关系有可能与电极电流不符，依据一次电流控炉会造成误操作。系统显示的一次电流与电极电流均没有解决低压补偿对电流影响的问题。

1.2 电石炉一次电流的计算

分相测量每台变压器的一次侧参数：Pab、Pbc、Pca，Qab、Qbc、Qca；角内一次电流：Iab、Ibc、Ica；总有功P1、总无功Q1、视在功率S及功率因数；二次电压：U2ab、U2bc、U2ca。通过矢量的方法计算一次进线电流，以计算Ia一次电流为例，Ia一次电流为角内电流Iab与Ica的矢量和[1]：

图1电流Iab滞后电压Uab的角度为∠b，电流Ica滞后电压Uca的角度为∠a。

图2角度计算：∠c=60°+ ∠a -∠b

∠d =∠c

∠e = π -∠c

= π - (∠ a - ∠ b + 60° )

Cos ( π - (∠ a - ∠ b +60° )

=-COS(∠ a - ∠ b +60° )

根据余弦定理：

式中：Ica——C相变压器角内电流（实测值）。

Iab——A相变压器角内电流（实测值）。

∠a——C相变压器功率因数反正切角度值。

∠b——A相变压器功率因数反正切角度值。

通过此计算的一次电流值与实测值相符。

1.3 电极电流的计算

各相电炉有功计算（以AB相为例）：P2ab= Pab-AB相炉前损耗

电炉无功计算（以AB相为例）：Q2ab = Qab–QTab（QTab——炉变消耗无功）；QTab=Sab×X12（Sab——炉变工作容量，X12——阻抗百分比）。

电炉相电流（二次）：I2ab=S2ab/U2ab

自然功率因数：P2ab/S2ab

阻抗：Z2ab=U2ab/I2ab

角接下的操作电阻：R2ab=Z2ab×自然功率因数

通过星三角转换计算得到每根电极参数，包括电极电流操作电阻等，计算方法与计算一次电流方法相同。

如果有无功补偿，则：Q2ab=Qab-QTab+Qcab （Qcab——测量得到的AB相补偿量）。

图3 试验电路图Fig.3 Test circuit diagram

图4 自动化系统运行主界面Fig.4 Main operation interface of automation system

本计算方法经过验证是可靠的，且比现有测量系统准确。由于负荷中性点是偏离地电位的，现有系统从高压PT取相对地信号或从二次相对地取信号都因为负荷中性点偏移造成分相测量误差，而本系统是针对每台变压器测量，避开了中性点问题。

2 电路模型建立在实际生产中的应用效果

2.1 电石炉内模拟电路分析

为验证上述星接支路、角接支路的电流和电阻数据的正确性，试验电路图如图3所示。

通过调节各支路电阻（RA、RB、RC、RAB、RCA、RBC），根据从每台变压器测得的有功、无功，电压、电流，A、B、C三点对地电压，计算出各支路电阻（R A、RB、RC、RAB、RCA、RBC）。

通过电路计算值与实测参数对比，各支路电阻压降实测值与计算值也比较接近，三相电阻值大小相对值误差很小。

2.2 电石炉内星接和角接参数与电极操作的对应性

2.2.1 星接支路电阻的分析

三相电极上提和下插相对于星接支路电阻改变大小，对地电弧电压也明显改变，而电极电流和电极对地电压变化灵敏度要慢。对无渣电石炉来说，星接支路电阻还可以用来判断炉底料轻还是料重，电阻偏大代表料重。

2.2.2 角接支路电阻的分析

改变单相角接支路电阻后三相参数的变化规律：角接支路电阻变化会显著改变操作电阻，且相邻电极操作电阻随角间电阻变大而变大，而对面电极操作电阻反向变小；反之相邻电极操作电阻随角间电阻变小而变小，对面电极操作电阻反向变大。同样，电极电流和电极对地电压变化灵敏度变化不大。

图5 炉内参数运行主界面Fig.5 Main interface of furnace parameters operation

当角接支路电阻不平衡造成三相电极电流不平衡时，通过调节电极深度是无法有效调平电极电流的，此时强行调平电流反而会恶化炉况。

当某一相电阻远大于其余两相，对面电流大、相邻两电流会变小或基本相等，此电极间电阻大，对无渣冶炼是由于此处配碳减少所致；对有渣冶炼，可能是熔池不在一个水平面，碳层浮到高处导致。当某一相电阻远小于其余两相，对面电流小、相邻两相电流大并基本相等，此电极间电阻小对无渣冶炼是因此处配碳偏多，对有渣冶炼是熔池不平，碳层往上浮移所致[2]。

3 炉内电气参数测量技术在自动化控炉中的应用

3.1 电石炉全自动化控制的主要逻辑

通过电极相关重要参数设定限制，以电极电流为主参数设置；电石炉变压器一次电流、电石炉总功率设置，电极的二次电流上限和接触原件水温为安全保护性限制；三相电极带相调电极平衡电流时，把电极对地弧电压作为辅助控制参数，把电极对地电弧电压平均值作为变压器档位调档控制，按自然功率因数控制电极的平均入料深度[3]。

3.2 三相电极调节控制逻辑

点动调节电极升降，单次动作电极10mm左右，两次动作时间间隔10s以上，防止电极大幅度升降。

上提电极控制条件：当电极电流大于设定值的1.02倍，延时10s带相上提电极；当上提受限时，三相档位同步降压；当电极电流大于设定值延时60s带相上提电极；当一次电流大于上限值延时10s带相上提电极；当二次电流大于上限值延时10s带相上提电极。

下插电极控制条件：当电极电流均低于设定上限值0.95倍，延时20s下插三相电极；下插电极后，一次和二次电流不超上限值；当某相电极电流低于设定下限值时，延时20s，带相下插电极，所下电极对地弧压不是最小以及操作电阻不是最小；下插电极后，一次和二次电流不超上限值。

3.3 电极调节限制条件

功率因数：电极功率因数最大相不能上提；电极功率因数最小相不能下插；平均功率因数>上限值，电流不超下插三相电极；平均功率因数<下限值，上提三相电极。

操作电阻：操作电阻最大相不能上提；操作电阻最小相不能下插；平均操作电阻>上限值，电流不超下插三相电极；平均操作电阻<下限值，上提三相电极。

把持器位置：把持器位置大于设定上限值不能上提电极；把持器位置小于设定下限值不能下插电极。

入料深度：入料深度最浅的电极不能上提；入料深度最深的电极不能下插。

熔池电压：熔池电压大于设定上限值不能上提电极；熔池电压小于设定下限值不能下插电极。

3.4 档位调节

档位动作保护措施：进线有功大于设定有功功率上限时，降压；进线有功小于设定有功功率下限时，升压；电流超过区间设定值上限且电极受限不能上提时，降压。

3.5 档位调节限制条件

升档降档受档位设定区间限制；塌料期间不动档位（上提电极受限需保护，降压除外）。

3.6 电流调平衡

电流调平衡：当电流最小、操作电阻大、熔池电压最大，延时1min下插此项电极；当电流最大、操作电阻小、熔池电压最小，延时1min上提此相电极；当电极电流偏差超过1.05倍时，延时1min，带相调平衡电极电流。注意当电流大、塌料期间、出炉阶段不进行调平衡控制。

3.7 自动压放

程序中有两种压放方式供选择（建议选择按统计的把持器位置平均值压放）。

按设定的时间压放，人工确定每相电极压放时间间隔，系统开始倒计时，时间到后，开始自动压放本相电极。

按统计的把持器位置平均值压放，每2h统计1次三相电极的把持器工作位置平均值，按照位移平均值不同区间的位移，自动调整压放时间（本2h区间内的压放时间是由上2h统计的位移平均值确定的）。为防止压入瞬间电极电流过大，在即将压放时，系统自动检测电极电流大小。如果大于设定值，电极会上提后再压放。

4 结论

电石炉内电气参数的测量技术通过实验电路分析和在电石炉生产中实际验证，并在电石炉全自动控制运行中，完整地体现了电石炉电极电流、极对地弧电压、极对地电压、操作电阻等测量参数控炉的准确性和科学性。炉内电气参数真实性比以往只依靠变压器一次电气参数的换算结果值控制更精准，炉况控制更稳定。电石炉根据准确的电气参数投入全自动化控制方案中，更方便工艺操作人员对炉况进行准确判断，在生产过程中完全实现电石炉全自动控制方式。