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冶炼电炉的电能质量
问题与节电运行
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01
概要
冶炼电炉供用电系统分三个层次四个关键节点：供电层PCC；配电层PSG；用电层 EPT；用电层ECT。
冶炼电炉节电运行的关键技术：改变基于电流的电极控制技术现状；对电弧炉，推广基于电炉变压器二次导纳的电极控制技术；对矿热炉，推广基于负载电阻的电极控制技术。
冶炼电炉节电运行的技术难点：电炉电弧阻抗和炉内物料阻抗的动态测量。
冶炼电炉
冶炼电炉包括电弧炉（初炼电弧炉、钢包精炼炉）矿热炉 、等离子炉、电渣炉、中频炉等，其中产量最大耗电最高的是电弧炉和矿热炉。
2
电弧炉炼钢单位电耗现状（先进水平）
3
电弧炉炼钢需求和总电耗
由于我国废钢资源不足，初炼电弧炉EAF炼钢成本高于转炉炼钢，目前EAF炼钢占比为10%，随着废钢资源增加，2020年开始反转，EAF炼钢占比将逐步增大到30%左右，铁水比也会下降。按我国钢铁行业去产能30%计算，EAF炼钢年产量将达到1.5亿吨以上，EAF年总耗电将在450亿千瓦小时以上。连铸技术的发展，我国钢包精炼炉LF精炼占比将在50%以上，LF年精炼钢产量将达到2.5亿吨以上， LF年总电耗将在87.5亿千瓦小时以上。预计在2030年以后我国电弧炉炼钢总电耗将达到540亿千瓦小时左右。
4
矿热炉铁合金单位产品电耗限值
（GB21341-2008）
5
铁合金需求分析
钢铁行业消费铁合金的比例：90%； 粗钢 对铁合金需求强度：41kg/t 。
其中：
粗钢 对硅铁需求强度：4kg/t，由矿热炉生产；
粗钢 对硅锰铁合金需求强度：14kg/t，由矿热炉生产；
粗钢 对锰铁和铬铁需求强度：23kg/t 。
高炉可冶炼含磷0.4%～0.6的锰铁和含铬低于30%的铬铁，对于含磷0.4%以下的锰铁和含铬30%的铬铁必须由矿热炉冶炼，矿热炉冶炼70%的锰铁和铬铁， 粗钢 对矿热炉铁合金需求强度：34kg/t 。
2015年我国粗钢产量80383万吨，占世界总产量的49.5% ，铁合金产量产量3666.4万吨，占世界总产量的40%，出口很少，产能力过剩。2015年矿热炉冶炼铁合金3040.4万吨。
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矿热炉铁合金生产总电耗分析
按铁合金生产用电限额先进值计算，矿热炉铁合金生产单位电耗加权平均值为3993.3kWh/t ,2015年全国矿热炉铁合金生产总电耗1214.12亿kWh 。按钢铁冶金去产能30%计算，在今后较长的时间内，我国矿热炉铁合金生产年总电耗为850亿kWh 左右。
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冶炼电炉智能用电的必要性
冶炼电炉是我国应用范围最大的高耗电设备，即使在去产能的情况下，仅电弧炉炼钢和矿热炉铁合金生产的年电耗也达到1390亿千瓦小时；
我国大型冶炼电炉主体设备多是引进或引进技术国产化设备，但先进的装备水平与落后管运行管技术的矛盾则成为中国虽是钢铁制造大国而不是制造强国的主要瓶颈；
我国电弧炉炼钢和矿热炉铁合金生产实现智能用电的比例很低，如果全面实现智能用电，以节电2%计算，仅电弧炉炼钢和矿热炉铁合金生产即可实现年节电278亿千瓦小时!
8
冶炼电炉智能用电的关键和难点
冶炼电炉智能用电系统主要由智能用电控制器和用电控制执行机构组成。对多数冶炼电炉，其硬件条件能满足要求，核心是没有好的《冶炼电炉电能耗散数学模型》，其控制也不是最优的。因此建立《冶炼电炉电能耗散数学模型》是冶炼电炉实现智能用电的关键，并且在此基础上形成智能电极控制技术。比如：形成基于优化电弧炉变压器二次负载导纳的智能电极控制技术；形成基于优化有效负载电阻的矿热炉智能电极控制技术。
电弧炉智能用电难点是动态求解电弧阻抗，并给出最优的变压器二次导纳过程曲线。
矿热炉智能用电的难点是动态求解有效负载的阻抗，并给出最优的有效负载电阻过程曲线。
02
冶炼电炉电能耗散数学模型要点
1 冶炼电炉电能耗散
冶炼电炉电能耗散指供电有功功率在电路和冶炼电炉内被加热材料中的分配。
电炉用户供电功率计量点在高压供电关口。 电炉供电功率计量点在冶炼电炉变压器一次侧的用电终端。
2 建立《冶炼电炉电能耗散数学模型》
的目的和智能用电
在满足电炉冶炼工艺和冶炼周期对需求和用电约束条件下，应用《冶炼电炉电能耗散数学模型》动态求解最优工作点 ，根据工作点用电，实现三相平衡供电和供电运行效率最高，即实现冶炼电炉的智能用电控制。
冶炼电炉工作点：交流电弧炉工作点用（n Y）表示，其中n为电炉变压器二次运行电压等级，Y为电炉变压器二次负载导纳；矿热炉工作点用（n m R ）表示,其中n为电炉变压器二次运行电压等级，m为低压无功补偿电容器单相运行组数，R为有效负载电阻。
用电约束条件：以交流电弧炉为例，约束条件包括：电弧长度与泡沫渣厚度匹配；耐火材料损耗指数小于规定值；电极消耗系数小于规定值；有功和电流小于限值；电能质量扰动在规定限值以内。
3 冶炼电炉电能耗散数学模型的内容
冶炼电炉供电功率曲线；
冶炼电炉供电效率曲线；
冶炼电炉供电参数报表；
冶炼电炉供电运行参数矩阵：以交流电弧炉为例，设变压器二次有N个电压等级，则有N个供电运行参数矩阵：
03
案例1：电弧炉
案例：壹
交流电弧炉
研究对象
某钢厂由220kV专线向220kV电弧炉总降压变电站供电，180MVA、220kV/33kV电弧炉总降压变压器通过33kV母线给一座150吨EAF初炼炉、一座LF精炼炉供电和一套180MvarSVC装置供电。
EAF—等值电路
案例：壹
交流电弧炉EAF
切除SVC 无功—有功曲线
EAF—仿真曲线
案例：壹
交流电弧炉EAF
切除SVC 无功—效率曲线
EAF—仿真曲线
案例：壹
交流电弧炉EAF
投入SVC 无功—有功曲线
EAF—仿真曲线
案例：壹
交流电弧炉EAF
投入SVC 无功—效率曲线
EAF—仿真曲线
案例：壹
交流电弧炉LF
切除SVC 无功—有功曲线
LF—仿真曲线
案例：壹
交流电弧炉LF
切除SVC 无功—效率曲线
LF—仿真曲线
案例：壹
交流电弧炉LF
投入SVC 无功—有功曲线
LF—仿真曲线
案例：壹
交流电弧炉LF
投入SVC 无功—效率曲线
LF—仿真曲线
案例：壹
交流电弧炉
应用仿真数据报表，在允许工作范围内确定电弧炉变压器二次负载导纳的取值范围，并给出相应的供电运行特征值。以上表A为例，工作点YD的取值范围是0.098～0.126，若对有功需求是92MW～95MW,读仿真数据报表，YD=0.102～0.111,电弧长度、耐火材料磨损指数、电极消耗系数都满足要求，以电路效率最高为原则，取YD=0.102为设定的工作点，电路效率为94.7%。
基于电流的电极控制的电弧炉，三相有功不平衡严重，影响工艺进程，平均电路效率一般在91%左右，与基于电弧炉变压器二次导纳控制的电弧炉比较，在相同工艺条件下，后者平均节电2%～5%。
EAF仿真报表
04
案例2：矿热炉
案例：贰
矿热炉
研究对象
某33MVA冶炼硅锰铁矿热炉由110kV供电，其等值电路如下图所示：
等值电路
案例：贰
矿热炉
用电控制规范
案例：贰
矿热炉
用电控制规范
案例：贰
矿热炉
智能用电控制框图
案例：贰
矿热炉
智能用电控制流程图
案例：贰
矿热炉
冶炼样本：
2016/11/2/8:5013:00,Si17.3Mn65.84,产量30.4t,单耗3816kWh/t
基于负载电阻的电极控制的主要特点是三相有功平衡控制效果优于基于电流的电极控制，炉内还原反应充分、均匀，从而提高了产量，降低了单耗。统计数据表明：对于30MW的硅锰炉，三相有功平均不平衡度在升温期由6%降低到4.5%左右，单炉平均产量 可提高1吨左右，即单耗降低3%左右。
典型智能用电控制曲线
案例：贰
矿热炉
电流控制与电阻控制比较
05
结论与展望
1）冶炼电炉智能用电是一个系统工程
以电弧炉为例，冶炼流程是 物质流（废钢、铁水、碳粉、石灰、空气、电极、炉衬等）在能量流（电能、氧气、煤气等）、信息流（热工、电气、机械等参数的检测、控制与报警等信息）的支撑和作用下，按照规定工艺流程通过物理化学变化进行合成、变形、变性而形成期望产品（钢水）的过程。电炉流程的基本属性是多维物质流和多维能量流耦合在时间轴上的耗散结构。
冶炼电炉节能的本质是冶炼流程节能，冶炼电炉智能用电是冶炼流程节能的重要组成部分，是一个从属于冶炼流程的系统工程，智能用电的目标不仅仅是节电，还要满足工艺流程和工艺装备对用电的约束条件。
2） 冶炼电炉电能耗散数学模型的建模方法
电炉冶炼过程是一个多维动态非线性过程，目标函数和约束函数的求解应用的方法是非线性数学物理形式方法。
我们在建立冶炼电炉电能耗散数学模型过程中，遇到的多维动态非线性过程往往是无解的，但通过表达形式的变换，即可把无解问题变为有解。
电弧炉用电建模的关键与难点是动态求解电弧阻抗，矿热炉用电建模的关键与难点是动态求解有效负载的阻抗。
3 时代呼唤智能用电技术的发展
我国是一个制造大国， 电能清洁、便利的特点使电能消耗大成为制造工业用能的主要特征， 环境恶化、能源紧缺 、成本压力使节电工作十分重要，而智能用电技术则是节电最有效的手段，时代呼唤智能用电技术的发展。
这里特别要强调的是，信息系统仅仅是实现智能用电的工具，智能用电的关键和难点是建立科学的《电能耗散数学模型》。
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