1、 李令冬2016年4月冶煉電爐電能耗散數學模型與智能用電技術 Electric energy dissipation mathematical model and intelligent power technology of smelting electric furnace 目錄 1 概要 2 數學模型要點 3 案例1：電弧爐 4 案例2：礦熱爐 5 結論與展望 冶煉電爐、電弧爐煉鋼需求、電弧爐總耗電概要 1 冶煉電爐 冶煉電爐包括電弧爐（初煉電弧爐、鋼包精煉爐）礦熱爐 、等離子爐、電渣爐、中頻爐等，其中產量最大耗電最高的是電弧爐和礦熱爐。 2 電弧爐煉鋼單位電耗現狀（先進水平） 3 電弧

2、爐煉鋼需求和總電耗 由于我國廢鋼資源不足，初煉電弧爐EAF煉鋼成本高于轉爐煉鋼，目前EAF煉鋼占比為10%，隨著廢鋼資源增加，2020年開始反轉，EAF煉鋼占比將逐步增大到30%左右，鐵水比也會下降。按我國鋼鐵行業去產能30%計算，EAF煉鋼年產量將達到1.5億噸以上，EAF年總耗電將在450億千瓦小時以上。連鑄技術的發展，我國鋼包精煉爐LF精煉占比將在50%以上，LF年精煉鋼產量將達到2.5億噸以上， LF年總電耗將在87.5億千瓦小時以上。預計在2030年以前我國電弧爐煉鋼總電耗將達到540億千瓦小時左右。電弧爐初煉電弧爐EAF鋼包精煉爐LF工藝全廢鋼30%鐵水45%鐵水60%鐵水單位電耗

3、kWh/t41530024318535礦熱爐單位產品電耗限值概要 4 礦熱爐鐵合金單位產品電耗限值礦熱爐鐵合金單位產品電耗限值（GB21341-2008） 合金品種硅鐵電爐錳鐵錳硅合金高碳鉻鐵高爐錳鐵規格FeSi75-AFeMn68C7.0FeMn64Si18FeCr67C6.0FeMn68C7.0標準成分Si75Mn65Mn+Si82Cr50Mn65電耗限額限定值kWh/t8800270044003500焦炭1350kg/t電耗限額先進值kWh/t8300230040002800焦炭1280kg/t入礦品位Mn38%Mn34%Cr2O3 40%Mn37%入礦品位降低升高1%,電耗升高降低值k

4、Wh/t 鉻鐵比焦炭30kg/t單位換算電當量：0.1229kgce/kWh； 電等價值0.404kgce/kWh60100802.2鐵合金需求、礦熱爐鐵合金總電耗概要 5 鐵合金需求分析 鋼鐵行業消費鐵合金的比例：90%； 粗鋼 對鐵合金需求強度：41kg/t 。 其中：粗鋼 對硅鐵需求強度：4kg/t，由礦熱爐生產； 粗鋼 對硅錳鐵合金需求強度：14kg/t，由礦熱爐生產； 粗鋼 對錳鐵和鉻鐵需求強度：23kg/t 。高爐可冶煉含磷0.4%0.6的錳鐵和含鉻低于30%的鉻鐵，對 于含磷0.4%以下的錳鐵和含鉻30%的鉻鐵必須由礦熱爐冶煉，礦熱爐冶煉70%的錳鐵和鉻鐵， 粗鋼 對礦熱爐鐵合金

5、需求強度：34kg/t 。 2015年我國粗鋼產量80383萬噸，占世界總產量的49.5% ，產能過剩。鐵合金產量產量3666.4萬噸，占世界總產量的40%，出口很少，產能力過剩。2015年礦熱爐冶煉鐵合金3040.4萬噸 6 礦熱爐鐵合金生產總電耗分析 按鐵合金生產用電限額先進值計算，礦熱爐鐵合金生產單位電耗加權平均值為3993.3kWh/t ,2015年全國礦熱爐鐵合金生產總電耗1214.12億kWh 。按鋼鐵冶金去產能30%計算，在今后較長的時間內，我國礦熱爐鐵合金生產年總電耗為850億kWh 左右。 冶煉電爐智能用電的重要性、冶煉電爐智能用電的關鍵技術概要 7冶煉電爐智能用電的必要性

6、冶煉電爐是我國應用范圍最大的高耗電設備，即使在去產能的情況下，僅電弧爐煉鋼和礦熱爐鐵合金生產的年電耗也達到1390億千瓦小時； 我國大型冶煉電爐主體設備多是引進或引進技術國產化設備，但先進的裝備水平與落后管運行管技術的矛盾則成為中國雖是鋼鐵制造大國而不是制造強國的主要瓶頸； 我國電弧爐煉鋼和礦熱爐鐵合金生產實現智能用電的比例很低，如果全面實現智能用電，以節電2%計算，僅電弧爐煉鋼和礦熱爐鐵合金生產即可實現年節電278億千瓦小時! 8 冶煉電爐智能用電的關鍵 冶煉電爐智能用電系統主要由智能用電控制器和用電控制執行機構組成。對多數冶煉電爐，其硬件條件能滿足要求，核心是沒有好的冶煉電爐電能耗散數學模

7、型，其控制也不是最優的。因此建立冶煉電爐電能耗散數學模型是冶煉電爐實現智能用電的關鍵。 冶煉電爐電能耗散數學模型、建模目的和智能用電冶煉電爐電能耗散數學模型要點 1冶煉電爐電能耗散 冶煉電爐電能耗散指供電有功功率在電路和冶煉電爐內被加熱材料中的分配，耗散在電路上的有功功率為損耗有功功率 ，耗散在冶煉電爐內被加熱材料中的有功功率為加熱有功功率 。 供電功率計量點在冶煉電爐變壓器一次側的供電關口。 2 2 建立冶煉電爐電能耗散數學模型的目的和智能用電 在滿足電爐冶煉工藝和冶煉周期對 需求和用電約束條件下，應用冶煉電爐電能耗散數學模型動態求解最優工作點 ，根據工作點用電，供電運行效率最高，即實現冶煉

8、電爐的智能用電控制。 供電運行效率不包括電爐熱效率，僅指電路效率： 冶煉電爐工作點：以交流電弧爐和礦熱爐為例，工作點用（n Y）表示，其中n為電爐變壓器二次運行電壓等級，Y為電爐變壓器二次負載導納。 用電約束條件：以交流電弧爐為例，約束條件包括：電弧長度與泡沫渣厚度匹配；耐火材料損耗指數小于規定值；電極消耗系數小于規定值；為穩定電弧電流提供足夠支撐；電能質量擾動在規定限值以內。CPFP= 100%FFCFPPPFP冶煉電爐電能耗散數學模型的內容冶煉電爐電能耗散數學模型要點 3 冶煉電爐電能耗散數學模型的內容 冶煉電爐供電功率曲線； 冶煉電爐供電效率曲線； 冶煉電爐供電參數報表； 冶煉電爐供電運

9、行參數矩陣：以交流電弧爐為例，設變壓器二次有N個電壓等級，則有N個供電運行參數矩陣： 高壓供電關口負載參數變壓器二次側負載參數電弧參數供電運行約束參數智能用電目標參數研究對象案例1:交流電弧爐 研究對象 某鋼廠由220kV專線向220kV電弧爐總降壓變電站供電，180MVA、220kV/33kV電弧爐總降壓變壓器通過33kV母線給一座150噸EAF初煉爐、一座LF精煉爐供電和一套180MvarSVC裝置供電。研究對象案例1:交流電弧爐 010203040506070809010011012013014015001020304050607080901001101201301401501234 5

10、678910111213141516171819202132374247 52576267720.60.650.70.750.80.850.9總 用 電 無 功 功 率 （ MVar）總用電有功功率（MW）視 在 功 率 MVA功 率 因 數運 行 曲 線電 弧 電 流 (kA)運 行 范 圍串 聯 電 抗 :Ohm0.6切 除 SVG短 網 電 阻 :mOhm0.4短 網 電 抗 :mOhm3.7最 大 二 次 電 壓 :V1248.7爐 變 一 次 電 壓 :kV33額 定 頻 率 :Hz50最 大 過 載 :%20額 定 容 量 :MVA125短 路 容 量 :MVA132991: 68

11、9.62: 706.43: 721.94: 740.45: 757.46: 777.87: 796.68: 819.29: 84010 : 865.211 : 888.512 : 916.713 : 942.914 : 974.715 : 1004.416 : 1040.517 : 1074.418 : 1115.919 : 115520 : 1203.121 : 1248.7爐變二次電壓(V)研究對象案例1:交流電弧爐 010203040506070809010011012013014015070727476788082848688909294969810012345678910111213

12、 14151617 18192021總 用 電 無 功 功 率 （ MVar）用電電路效率（%）串 聯 電 抗 :Ohm0.6切 除 SVG短 網 電 阻 :mOhm0.4短 網 電 抗 :mOhm3.7最 大 二 次 電 壓 :V1248.7爐 變 一 次 電 壓 :kV33額 定 頻 率 :Hz50最 大 過 載 :%20額 定 容 量 :MVA125爐 變 二 次 電 壓 (V)1: 689.62: 706.43: 721.94: 740.45: 757.46: 777.87: 796.68: 819.29: 84010 : 865.211 : 888.512 : 916.713 : 9

13、42.914 : 974.715 : 1004.416 : 1040.517 : 1074.418 : 1115.919 : 115520 : 1203.121 : 1248.7研究對象案例1:交流電弧爐 010203040506070809010011012013014015001020304050607080901001101201301401501234567891011121314151617181920213237424752576267720.60.650.70.750.80.850.9總 用 電 無 功 功 率 （ MVar）總用電有功功率（MW）視 在 功 率 MVA功 率 因

14、 數運 行 曲 線電 弧 電 流 (kA)運 行 范 圍串 聯 電 抗 :Ohm0.6投 入 SVG短 網 電 阻 :mOhm0.4短 網 電 抗 :mOhm3.7最 大 二 次 電 壓 :V1248.7爐 變 一 次 電 壓 :kV33額 定 頻 率 :Hz50最 大 過 載 :%20額 定 容 量 :MVA125短 路 容 量 :MVA132991: 689.62: 706.43: 721.94: 740.45: 757.46: 777.87: 796.68: 819.29: 84010 : 865.211 : 888.512 : 916.713 : 942.914 : 974.715 :

15、 1004.416 : 1040.517 : 1074.418 : 1115.919 : 115520 : 1203.121 : 1248.7爐變二次電壓(V)研究對象案例1:交流電弧爐 01020304050607080901001101201301401507072747678808284868890929496981001 2 34 56 789101112 131415161718192021總 用 電 無 功 功 率 （ MVar）用電電路效率（%）串 聯 電 抗 :Ohm0.6投 入 SVG短 網 電 阻 :mOhm0.4短 網 電 抗 :mOhm3.7最 大 二 次 電 壓 :V

16、1248.7爐 變 一 次 電 壓 :kV33額 定 頻 率 :Hz50最 大 過 載 :%20額 定 容 量 :MVA125爐 變 二 次 電 壓 (V)1: 689.62: 706.43: 721.94: 740.45: 757.46: 777.87: 796.68: 819.29: 84010 : 865.211 : 888.512 : 916.713 : 942.914 : 974.715 : 1004.416 : 1040.517 : 1074.418 : 1115.919 : 115520 : 1203.121 : 1248.7研究對象案例1:交流電弧爐 0246810121416

17、182022242628303234024681012141618202224262830323412345678910192429343944490.60.650.70.750.80.850.9總 用 電 無 功 功 率 （ MVar）總用電有功功率（MW）視 在 功 率 MVA功 率 因 數運 行 曲 線電 弧 電 流 (kA)運 行 范 圍切 除 SVG短 網 電 阻 :mOhm0.37短 網 電 抗 :mOhm2.8最 大 二 次 電 壓 :V420爐 變 一 次 電 壓 :kV33額 定 頻 率 :Hz50最 大 過 載 :%20額 定 容 量 :MVA28短 路 容 量 :MVA1

18、32991: 2202: 2413: 2674: 2865: 3076: 3327: 3518: 3719: 39410 : 420爐變二次電壓(V)研究對象案例1:交流電弧爐 02468101214161820222426283032345052545658606264666870727476788082848688909294969810012345678910總 用 電 無 功 功 率 （ MVar）用電電路效率（%）切 除 SVG短 網 電 阻 :mOhm0.37短 網 電 抗 :mOhm2.8最 大 二 次 電 壓 :V420爐 變 一 次 電 壓 :kV33額 定 頻 率 :Hz5

19、0最 大 過 載 :%20額 定 容 量 :MVA28爐 變 二 次 電 壓 (V)1: 2202: 2413: 2674: 2865: 3076: 3327: 3518: 3719: 39410 : 420研究對象案例1:交流電弧爐 0246810121416182022242628303234024681012141618202224262830323412345678910192429343944490.60.650.70.750.80.850.9總 用 電 無 功 功 率 （ MVar）總用電有功功率（MW）視 在 功 率 MVA功 率 因 數運 行 曲 線電 弧 電 流 (kA)運

20、行 范 圍投 入 SVG短 網 電 阻 :mOhm0.37短 網 電 抗 :mOhm2.8最 大 二 次 電 壓 :V420爐 變 一 次 電 壓 :kV33額 定 頻 率 :Hz50最 大 過 載 :%20額 定 容 量 :MVA28短 路 容 量 :MVA132991: 2202: 2413: 2674: 2865: 3076: 3327: 3518: 3719: 39410 : 420爐變二次電壓(V)研究對象案例1:交流電弧爐 02468101214161820222426283032345052545658606264666870727476788082848688909294969

21、810012345678910總 用 電 無 功 功 率 （ MVar）用電電路效率（%）投 入 SVG短 網 電 阻 :mOhm0.37短 網 電 抗 :mOhm2.8最 大 二 次 電 壓 :V420爐 變 一 次 電 壓 :kV33額 定 頻 率 :Hz50最 大 過 載 :%20額 定 容 量 :MVA28爐 變 二 次 電 壓 (V)1: 2202: 2413: 2674: 2865: 3076: 3327: 3518: 3719: 39410 : 420研究對象案例1:交流電弧爐 交流電弧爐運行仿真數據報表（m =3,XSR=0.6 ；SVG =1；n=18, i=1） 33246

22、3140.4108.189.60.77459.972.83100.5100.56.310.050.130106.80.874250.18216292.9332408137.3107.185.90.78467.171.2299.899.86.560.070.126105.90.884320.17316493.2332350134.0105.982.10.79474.569.4998.998.96.830.090.123104.70.894400.16516593.4332292130.7104.578.50.80481.767.7797.997.97.110.120.119103.50.8944

23、70.15816693.7332229127.1103.074.50.81489.065.9396.796.77.420.140.115102.00.904540.15016793.9332163123.4101.270.60.82496.563.9795.395.37.760.180.111100.20.914620.14216794.2332093119.499.166.60.83504.261.9093.693.68.140.210.10698.20.914690.13516794.4332027115.697.162.10.84511.359.9492.091.98.530.250.1

24、0296.30.914760.12916694.7331953111.494.758.70.85519.057.7689.989.98.980.290.09893.90.924840.12216594.9電弧爐供電關口運行參數電弧爐供電關口運行參數電弧運行參數電弧運行參數電極控制參數電極控制參數 電弧 用電參數電弧阻抗參數調節參數約束參數目 標 參數UBkVIBASBMVAPBMWQBMvarB UEVIEkASEMVAPEMWREmXEmYDkSPDDLARCmmCE kSRWIkW.V/cm2 %333116177.7106.7142.10.60341.792.1694.594.53.71

25、0.000.181104.70.743070.36411088.5C 應用仿真數據報表，在允許工作范圍內確定電弧爐變壓器二次負載導納的取值范圍，并給出相應的供電運行特征值。以表A.1為例，工作點YD的取值范圍是0.0980.126，若對有功需求是92MW95MW,讀仿真數據報表，YD=0.1020.111,電弧長度、耐火材料磨損指數、電極消耗系數都滿足要求，以電路效率最高為原則，取YD=0.102為設定的工作點，電路效率為94.7%。研究對象案例2:礦熱爐研究對象某33MVA冶煉硅錳鐵礦熱爐由110kV供電，其等值電路如下圖所示： P-Q運行曲線案例2:礦熱爐 -Q運行曲線案例2:礦熱爐 研究

26、對象案例2:礦熱爐 研究對象案例2:礦熱爐 研究對象案例2:礦熱爐 礦熱爐運行仿真報表（礦熱爐運行仿真報表（UN=113.5，n=27, Ld=1m, m1=22,m2=26） 113.5193.938.1126.6727.230.7081.2696.6722.560.0360.805179.398.900.5521.6751161184.61113.5194.838.2926.4427.700.6979.9197.2222.290.0360.786178.499.370.5571.7361202284.32113.5195.738.4726.2028.170.6878.5497.7722.0

27、10.0360.768177.599.830.5631.8011245384.02113.5196.838.7025.8828.760.6776.8098.4521.640.0360.744176.3100.410.5701.8891302383.62113.5197.738.8725.6129.240.6675.3899.0021.330.0360.726175.3100.880.5751.9651350683.30113.5198.639.0525.3329.720.6573.9499.5421.020.0360.707174.4101.340.5812.0461401582.95礦熱爐供

28、電關口用電參數礦熱爐供電關口用電參數負載運行參數負載運行參數電極控制參數電極控制參數負載用電參數負載阻抗參數操作參數約束參數目標參數UAkVIAASAMVAPAMWQAMvarA UdfVIdfkAPfMWRdmRfmUCVICkAYCkSCEC kSCBLkA2/ m%113.5168.133.0629.7414.420.90113.280.6926.710.0361.368198.285.790.4330.788476189.81113.5169.733.3729.7215.180.89111.581.7126.620.0361.329197.386.600.4390.818502389.

29、59A 研究對象案例2:礦熱爐礦熱爐運行仿真報表（礦熱爐運行仿真報表（UN=113.5，n=26, Ld=1m, m1=18,m2=18） 礦熱爐供電關口用電參數礦熱爐供電關口用電參數負載運行參數負載運行參數電極控制參數電極控制參數負載用電參數負載阻抗參數操作參數約束參數目 標參數UAkVIAASAMVAPAMWQAMvarA UdfVIdfkAPfMWRdmRfmUCVICkAYCkSCEC kSCBLk A2/ m %113.5148.429.1726.2612.710.90109.973.9523.800.0361.451186.076.730.4130.745377090.7113.5

30、150.629.6026.3513.490.89108.275.2323.820.0361.403185.477.880.4200.778403490.4A113.5174.534.3125.7322.700.7586.9088.7822.300.0360.943176.390.240.5121.345835986.7113.5175.834.5725.5923.240.7485.5289.5322.110.0360.920175.690.930.5181.395871786.4113.5177.234.8325.4423.780.7384.1290.2721.910.0360.896174.991.620.5241.449909486.1113.5178.535.0925.2824.330.7282.6991.0121.690.0360.873174.292.