本發(fā)明涉及一種礦熱爐電極深度測量系統(tǒng)，屬于冶金領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

礦熱爐是典型的高耗能用電負荷，其單產(chǎn)電耗直接關(guān)系到經(jīng)濟成本?，F(xiàn)有的操作方式主要通過一次電流、一次總有功、一次功率因數(shù)等參數(shù)控爐。由于得不到電極的實際工作參數(shù)，只能依據(jù)一次參數(shù)按經(jīng)驗估算成電極參數(shù)進行控爐，自然會造成較大的控爐偏差，當有中低壓無功補償時，偏差會更大，嚴重時甚至不能控爐。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的礦熱爐開始采取恒電阻原理即以礦熱爐的操作電阻為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)來控爐，通過操作電阻控爐可以有效控制三相電極操作，提高礦熱爐的冶煉效率和質(zhì)量。

礦熱爐通過三相電極插入爐料進行埋弧操作,利用電弧的能量及電流通過爐料,因爐料的電阻而產(chǎn)生能量,使原料在一定溫度下發(fā)生化學(xué)還原反應(yīng)生成成品。一般來說，電極深而穩(wěn)地插入爐料中，坩堝區(qū)大，爐內(nèi)溫度高而均勻；當電極插入過淺時，由于爐底功率密度不足，會造成結(jié)瘤和爐缸變冷，這對于需要大量熱能的礦石還原過程是不利的；反之，電極深度插入過深，會引起爐底和熔體過熱，金屬燒損大，料面上部變涼，下料速度變慢。礦熱爐三相電極深度參數(shù)直接影響爐內(nèi)溫度,決定了礦熱爐的冶煉效率和質(zhì)量。 因此礦熱爐電極深度這一參數(shù)對控爐尤為重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述情況，為克服現(xiàn)有技術(shù)之缺陷，本發(fā)明提供一種礦熱爐電極深度測量系統(tǒng)，通過測量電爐有功功率、無功功率及二次電壓經(jīng)過計算機的數(shù)據(jù)處理提供精確的操作電阻，再根據(jù)計算機仿真得到電極深度與操作電阻的最優(yōu)化函數(shù)曲線，得出最優(yōu)化的電極深度參數(shù)。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:

一種礦熱爐操作電阻測量系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集模塊1、功率模塊2和計算機處理模塊3組成。數(shù)據(jù)采集模塊包括電壓檢測單元11、電流檢測單元12及大電流互感器13；所述大電流互感器13將低壓側(cè)的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號輸送至所述電壓檢測單元11；所述大電流互感器13與所述電壓檢測單元11為電連接；所述電壓檢測單元11與所述功率模塊2為數(shù)據(jù)連接；所述電流檢測單元12與所述功率模塊2為數(shù)據(jù)連接；通過所述電壓檢測單元11測量得到每相變壓器一次側(cè)電壓、每相變壓器補償側(cè)電壓、每相變壓器低壓側(cè)電壓；通過所述電流檢測單元12測量得到每相變壓器一次側(cè)電流、每相變壓器補償側(cè)電流、每相變壓器低壓側(cè)電流；由所述功率模塊2根據(jù)獲取的所述每相變壓器一次側(cè)電壓、每相變壓器補償側(cè)電壓、每相變壓器低壓側(cè)電壓、每相變壓器一次側(cè)電流、每相變壓器補償側(cè)電流、每相變壓器低壓側(cè)電流計算出礦熱爐的有功功率、無功功率；通過485通訊協(xié)議將電氣數(shù)據(jù)傳輸給所述計算機處理模塊3，經(jīng)過計算機的數(shù)據(jù)處理計算出精確的操作電阻阻值；再由所述計算機處理模塊仿真模擬得到電極深度與操作電阻的最優(yōu)化函數(shù)曲線，得出最優(yōu)化的電極深度參數(shù)。

所述操作電阻阻值的具體測算步驟如下：

1、測量每相變壓器一次側(cè)的有功功率及無功功率；

2、測量每相變壓器補償側(cè)的補償無功；

3、測量每相變壓器低壓側(cè)的補償無功；

4、計算得到每相變壓器的有功功率及每相變壓器的無功功率；

5、測量每相變壓器二次電壓；

6、根據(jù)每相變壓器的有功功率、每相變壓器的無功功率及每相變壓器二次電壓，計算出角接狀態(tài)下每相變壓器的功率因數(shù)角、每相變壓器的阻抗值、 每相變壓器的感抗值及每相變壓器的電阻值；

7、按照電工原理將角接阻抗換算成星接阻抗，即可得到每相變壓器的操作電阻阻值。

8、再通過以下步驟計算電極深度：

1）礦熱爐的操作電阻由三部分電阻并聯(lián)組成：電極對爐底電阻，該部分電阻全部處于熔化區(qū)；電極間電阻，該部分電阻一部分處于熔化區(qū)，一部分處于非熔化區(qū)；電極對爐殼電阻，該電阻一部分處于熔化區(qū)，一部分處于非熔化區(qū)。

2）電極對爐底電阻計算公式：

R1=ρ1·f(D,H1)

式中：R1----電極對爐底電阻；

ρ1----熔化區(qū)爐料電阻率；

D----電極直徑；

H1----電極至爐底距離；

3）熔化區(qū)電極間及電極對爐殼電阻計算公式：

R2=ρ1·f(D,D0,H2,DT)

式中：R2----熔化區(qū)電極間及電極對爐殼電阻；

D0----三相電極基心圓直徑

H2----電極處于熔化區(qū)的長度（不含電極頭）

DT----爐膛直徑

4）非熔化區(qū)電極間及電極對爐殼電阻計算公式：

R3=ρ3·f(D,D0,H3,DT)

式中：R3----非熔化區(qū)電極間及電極對爐殼電阻；

ρ3----非熔化區(qū)爐料電阻率

H3----電極處于非熔化區(qū)的長度

5）總操作電阻為三個電阻的并聯(lián)，其計算公式：

R=1/[(1/R1)+(1/R2)+(1/R3)]

式中：R----總操作電阻；

6）通過采集一段時間礦熱爐的運行參數(shù)，并在已知電極的插入深度后得到統(tǒng)計平均值電阻率。

7）通過測量得到的操作電阻阻值采用計算機模擬仿真，得到最優(yōu)化的電極深度。

本發(fā)明具有如下優(yōu)越性: 提供精確的操作電阻，根據(jù)電極深度與操作電阻的最優(yōu)化函數(shù)曲線，得出最優(yōu)化的電極深度參數(shù)，提示操作人員按照深度值進行電極調(diào)整，從而保證電爐時刻工作在最佳狀態(tài)，提高礦熱爐冶煉效率，節(jié)省了成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

附圖說明

下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明進行更詳細的說明。

圖1是本發(fā)明的本實施例的礦熱爐電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的操作電阻等值電路圖；

圖3是本發(fā)明的操作電阻等值星接電路圖；

圖4是本發(fā)明的電極深度示意圖；

圖5是本發(fā)明的電極深度計算示意圖；

圖6是本發(fā)明的電極深度與操作電阻的函數(shù)曲線圖；

圖7是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。

具體實施方式

實施例1

本發(fā)明的范圍并不局限于本實施例。

一種礦熱爐電極深度測量系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集模塊、功率模塊和計算機處理模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊包括電壓檢測單元、電流檢測單元及大電流互感器，通過電壓檢測單元測量一次側(cè)電壓、補償側(cè)電壓、低壓側(cè)電壓；通過電流檢測單元測量一次側(cè)電流、補償側(cè)電流；通過大電流互感器將低壓側(cè)的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號輸送至電壓檢測單元，獲取低壓側(cè)電流；由功率模塊根據(jù)獲取的電壓電流參數(shù)計算出電爐的有功功率、無功功率；通過485通訊協(xié)議將電壓電流檢測單元及功率模塊的電氣數(shù)據(jù)傳輸給計算機處理模塊，經(jīng)過計算機的數(shù)據(jù)處理計算出精確的操作電阻，再根據(jù)計算機仿真模擬得到電極深度與操作電阻的最優(yōu)化函數(shù)曲線，得出最優(yōu)化的電極深度參數(shù)。

計算操作電阻的具體步驟如下：

1、測量每相變壓器一次側(cè)的有功功率P_A1、P_B1、P_C1及無功功率Q_A1、Q_B1、Q_C1；

2、測量每相變壓器補償側(cè)的補償無功Q_A2、Q_B2、Q_C2；

3、測量每相變壓器低壓側(cè)的補償無功Q_A3、Q_B3、Q_C3；

4、測量變壓器的實際負荷S；

5、計算得到礦熱爐每相變壓器的有功功率P_A 、P_B 、P_C及每相變壓器的無功功率Q_A 、Q_B、Q_C；

P_A=P_A1-P_損，P_B=P_B1-P_損，P_C=P_C1-P_損

P_損=P₀+P_t*(S/S_M)²

Q_A≈ Q_A1+ Q_A2+ Q_A3, Q_B≈Q_B1+Q_B2+Q_B3, Q_C≈Q_C1+Q_C2+Q_C3

5、測量每相變壓器二次電壓U_A、U_B、U_C；

6、根據(jù)每相變壓器的有功功率P_A、P_B、P_C、每相變壓器的無功功率Q_A、 Q_B、Q_C及每相變壓器二次電壓U_A、U_B、U_C，計算出角接狀態(tài)下每相變壓器的功率因數(shù)角φ_A、φ_B、φ_C，每相變壓器的阻抗值Z_A，Z_B，Z_C, 每相變壓器的感抗值X_A，X_B，X_C及每相變壓器的電阻值R_A，R_B，R_C；

Z_A=U_A²/, Z_B=U_B²/, Z_C=U_C²/

φ_A=arctan(Q_A/P_A),φ_B=arctan(Q_B/P_B),φ_C=arctan(Q_C/P_C)

X_A=Z_ASINφ_A,X_B=Z_BSINφ_B,X_C=Z_CSINφ_C

R_A=Z_ACOSφ_A,R_B=Z_BCOSφ_B,R_C=Z_CCOSφ_C

（P_損為變壓器損耗，P₀為變壓器空載損耗，P_t為變壓器額定容量下的線損，S為變壓器的實際負荷，S_M為變壓器額定容量，P_損中還應(yīng)包括變壓器消耗的無功，因其數(shù)值較小，不予以考慮， P_A、P_B、P_C為每相變壓器有功功率，Q_A 、Q_B 、Q_C為每相變壓器無功功率，P_A1、P_B1、P_C1為每相變壓器一次側(cè)有功功率，Q_A1、Q_B1、Q_C1為每相變壓器一次側(cè)無功功率，Q_A2、Q_B2、Q_C2為每相變壓器補償側(cè)的補償無功，Q_A3、Q_B3、Q_C3為每相變壓器低壓側(cè)的補償無功； X_A，X_B，X_C,為每相變壓器的感抗值，Z_A，Z_B，Z_C為每相變壓器的阻抗值，R_A，R_B，R_C為每相變壓器的電阻值，φ_A、φ_B、φ_C為每相變壓器的功率因數(shù)角）

7、按照電工原理將角接阻抗換算成星接阻抗，即可得到每相變壓器的操作電阻阻值R₁、R₂、R₃。

R₁=(R_A*R_C)/(R_A+R_B+R_C)；R₂=(R_B*R_C)/(R_A+R_B+R_C)；R₃=(R_A*R_B)/(R_A+R_B+R_C)

8、通過操作電阻計算得到電極深度，經(jīng)過計算機模擬仿真電極深度與操作電阻的最優(yōu)化函數(shù)曲線，得出最優(yōu)化的電極深度參數(shù)。

通過以下步驟計算電極深度：

1）礦熱爐的操作電阻由三部分電阻并聯(lián)組成：電極對爐底電阻，該部分電阻全部處于熔化區(qū)；電極間電阻，該部分電阻一部分處于熔化區(qū)，一部分處于非熔化區(qū)；電極對爐殼電阻，該電阻一部分處于熔化區(qū)，一部分處于非熔化區(qū)。

2）電極對爐底電阻計算公式：

R1=ρ1·f(D,H1)

式中：R1----電極對爐底電阻；

ρ1----熔化區(qū)爐料電阻率；

D----電極直徑；

H1----電極至爐底距離；

3）熔化區(qū)電極間及電極對爐殼電阻計算公式：

R2=ρ1·f(D,D0,H2,DT)

式中：R2----熔化區(qū)電極間及電極對爐殼電阻；

D0----三相電極基心圓直徑

H2----電極處于熔化區(qū)的長度（不含電極頭）

DT----爐膛直徑

4）非熔化區(qū)電極間及電極對爐殼電阻計算公式：

R3=ρ3·f(D,D0,H3,DT)

式中：R3----非熔化區(qū)電極間及電極對爐殼電阻；

ρ3----非熔化區(qū)爐料電阻率

H3----電極處于非熔化區(qū)的長度

5）總操作電阻為三個電阻的并聯(lián)，其計算公式：

R=1/[(1/R1)+(1/R2)+(1/R3)]

式中：R----總操作電阻；

8）電阻率的確定是通過采集一段時間電爐的運行參數(shù)，并在已知電極的插入深度后得到的統(tǒng)計平均值。

以25.5MW硅錳爐通過數(shù)學(xué)模型計算的操作電阻與電極深度關(guān)系曲線為例，計算條件為：電極直徑：D=140cm

爐膛直徑：DT=1100cm

基心圓直徑：D0=380cm

爐料總深度：320cm

平均熔化物料電阻率：ρ1=0.75Ω·cm

平均非熔化物料電阻率：ρ3=15Ω·cm

假定測量得到操作電阻為1.02 mΩ，根據(jù)電極深度與操作電阻的最優(yōu)化函數(shù)曲線，最優(yōu)化的電極深度為130cm。

本發(fā)明通過操作電阻精確測量和電極深度與操作電阻的最優(yōu)化選擇，得出最優(yōu)化的電極深度參數(shù)，提示操作人員按照深度值進行電極調(diào)整，從而保證電爐時刻工作在最佳狀態(tài)，提高礦熱爐冶煉效率，節(jié)省了成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。