电炉冶炼电能耗散数学模型与智能用电技术

1、 李令冬2016年4月冶炼电炉电能耗散数学模型与智能用电技术 Electric energy dissipation mathematical model and intelligent power technology of smelting electric furnace 目录 1 概要 2 数学模型要点 3 案例1：电弧炉 4 案例2：矿热炉 5 结论与展望 冶炼电炉、电弧炉炼钢需求、电弧炉总耗电概要 1 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

2、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年以前我国电弧炉炼钢总电耗将达到540亿千瓦小时左右。电弧炉初炼电弧炉EAF钢包精炼炉LF工艺全废钢30%铁水45%铁水60%铁水单位电耗

3、kWh/t41530024318535矿热炉单位产品电耗限值概要 4 矿热炉铁合金单位产品电耗限值矿热炉铁合金单位产品电耗限值（GB21341-2008） 合金品种硅铁电炉锰铁锰硅合金高碳铬铁高炉锰铁规格FeSi75-AFeMn68C7.0FeMn64Si18FeCr67C6.0FeMn68C7.0标准成分Si75Mn65Mn+Si82Cr50Mn65电耗限额限定值kWh/t8800270044003500焦炭1350kg/t电耗限额先进值kWh/t8300230040002800焦炭1280kg/t入矿品位Mn38%Mn34%Cr2O3 40%Mn37%入矿品位降低升高1%,电耗升高降低值k

4、Wh/t 铬铁比焦炭30kg/t单位换算电当量：0.1229kgce/kWh； 电等价值0.404kgce/kWh60100802.2铁合金需求、矿热炉铁合金总电耗概要 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

5、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% ，产能过剩。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 6 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。 冶炼电炉智能用电的重要性、冶炼电炉智能用电的关键技术概要 7冶炼电炉智能用电的必要性

6、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 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

7、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。 冶炼电炉电能耗散数学模型、建模目的和智能用电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，耗散在电路上的有功功率为损耗有功功率 ，耗散在冶炼电炉内被加热材料中的有功功率为加热有功功率 。 供电功率计量点在冶炼电炉变压器一次侧的供电关口。 2 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，供电运行效率最高，即实现冶炼

8、电炉的智能用电控制。 供电运行效率不包括电炉热效率，仅指电路效率： 冶炼电炉工作点：以交流电弧炉和矿热炉为例，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。 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；为稳定电弧电流提供足够支撑；电能质量扰动在规定限值以内。CPFP= 100%FFCFPPPFP冶炼电炉电能耗散数学模型的内容冶炼电炉电能耗散数学模型要点 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

9、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： 高压供电关口负载参数变压器二次侧负载参数电弧参数供电运行约束参数智能用电目标参数研究对象案例1: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。研究对象案例1:交流电弧炉 010203040506070809010011012013014015001020304050607080901001101201301401501234 5

10、678910111213141516171819202132374247 52576267720.60.650.70.750.80.850.9总 用 电 无 功 功 率 （ MVar）总用电有功功率（MW）视 在 功 率 MVA功 率 因 数运 行 曲 线电 弧 电 流 (kA)运 行 范 围串 联 电 抗 :Ohm0.6切 除 SVG短 网 电 阻 :mOhm0.4短 网 电 抗 :mOhm3.7最 大 二 次 电 压 :V1248.7炉 变 一 次 电 压 :kV33额 定 频 率 :Hz50最 大 过 载 :%20额 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炉变二次电压(V)研究对象案例1:交流电弧炉 010203040506070809010011012013014015070727476788082848688909294969810012345678910111213

12、 14151617 18192021总 用 电 无 功 功 率 （ MVar）用电电路效率（%）串 联 电 抗 :Ohm0.6切 除 SVG短 网 电 阻 :mOhm0.4短 网 电 抗 :mOhm3.7最 大 二 次 电 压 :V1248.7炉 变 一 次 电 压 :kV33额 定 频 率 :Hz50最 大 过 载 :%20额 定 容 量 :MVA125炉 变 二 次 电 压 (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研究对象案例1:交流电弧炉 010203040506070809010011012013014015001020304050607080901001101201301401501234567891011121314151617181920213237424752576267720.60.650.70.750.80.850.9总 用 电 无 功 功 率 （ MVar）总用电有功功率（MW）视 在 功 率 MVA功 率 因

14、 数运 行 曲 线电 弧 电 流 (kA)运 行 范 围串 联 电 抗 :Ohm0.6投 入 SVG短 网 电 阻 :mOhm0.4短 网 电 抗 :mOhm3.7最 大 二 次 电 压 :V1248.7炉 变 一 次 电 压 :kV33额 定 频 率 :Hz50最 大 过 载 :%20额 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炉变二次电压(V)研究对象案例1:交流电弧炉 01020304050607080901001101201301401507072747678808284868890929496981001 2 34 56 789101112 131415161718192021总 用 电 无 功 功 率 （ MVar）用电电路效率（%）串 联 电 抗 :Ohm0.6投 入 SVG短 网 电 阻 :mOhm0.4短 网 电 抗 :mOhm3.7最 大 二 次 电 压 :V

16、1248.7炉 变 一 次 电 压 :kV33额 定 频 率 :Hz50最 大 过 载 :%20额 定 容 量 :MVA125炉 变 二 次 电 压 (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研究对象案例1:交流电弧炉 0246810121416

17、182022242628303234024681012141618202224262830323412345678910192429343944490.60.650.70.750.80.850.9总 用 电 无 功 功 率 （ MVar）总用电有功功率（MW）视 在 功 率 MVA功 率 因 数运 行 曲 线电 弧 电 流 (kA)运 行 范 围切 除 SVG短 网 电 阻 :mOhm0.37短 网 电 抗 :mOhm2.8最 大 二 次 电 压 :V420炉 变 一 次 电 压 :kV33额 定 频 率 :Hz50最 大 过 载 :%20额 定 容 量 :MVA28短 路 容 量 :MVA1

18、32991: 2202: 2413: 2674: 2865: 3076: 3327: 3518: 3719: 39410 : 420炉变二次电压(V)研究对象案例1:交流电弧炉 02468101214161820222426283032345052545658606264666870727476788082848688909294969810012345678910总 用 电 无 功 功 率 （ MVar）用电电路效率（%）切 除 SVG短 网 电 阻 :mOhm0.37短 网 电 抗 :mOhm2.8最 大 二 次 电 压 :V420炉 变 一 次 电 压 :kV33额 定 频 率 :Hz5

19、0最 大 过 载 :%20额 定 容 量 :MVA28炉 变 二 次 电 压 (V)1: 2202: 2413: 2674: 2865: 3076: 3327: 3518: 3719: 39410 : 420研究对象案例1:交流电弧炉 0246810121416182022242628303234024681012141618202224262830323412345678910192429343944490.60.650.70.750.80.850.9总 用 电 无 功 功 率 （ MVar）总用电有功功率（MW）视 在 功 率 MVA功 率 因 数运 行 曲 线电 弧 电 流 (kA)运

20、行 范 围投 入 SVG短 网 电 阻 :mOhm0.37短 网 电 抗 :mOhm2.8最 大 二 次 电 压 :V420炉 变 一 次 电 压 :kV33额 定 频 率 :Hz50最 大 过 载 :%20额 定 容 量 :MVA28短 路 容 量 :MVA132991: 2202: 2413: 2674: 2865: 3076: 3327: 3518: 3719: 39410 : 420炉变二次电压(V)研究对象案例1:交流电弧炉 02468101214161820222426283032345052545658606264666870727476788082848688909294969

21、810012345678910总 用 电 无 功 功 率 （ MVar）用电电路效率（%）投 入 SVG短 网 电 阻 :mOhm0.37短 网 电 抗 :mOhm2.8最 大 二 次 电 压 :V420炉 变 一 次 电 压 :kV33额 定 频 率 :Hz50最 大 过 载 :%20额 定 容 量 :MVA28炉 变 二 次 电 压 (V)1: 2202: 2413: 2674: 2865: 3076: 3327: 3518: 3719: 39410 : 420研究对象案例1:交流电弧炉 交流电弧炉运行仿真数据报表（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电弧炉供电关口运行参数电弧炉供电关口运行参数电弧运行参数电弧运行参数电极控制参数电极控制参数 电弧 用电参数电弧阻抗参数调节参数约束参数目 标 参数UBkVIBASBMVAPBMWQBMvarB UEVIEkASEMVAPEMWREmXEmYDkSPDDLARCmmCE kSRWIkW.V/cm2 %333116177.7106.7142.10.60341.792.1694.594.53.71

25、0.000.181104.70.743070.36411088.5C 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。以表A.1为例，工作点YD的取值范围是0.0980.126，若对有功需求是92MW95MW,读仿真数据报表，YD=0.1020.111,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%。研究对象案例2: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： P-Q运行曲线案例2:矿热炉 -Q运行曲线案例2:矿热炉 研究

26、对象案例2:矿热炉 研究对象案例2:矿热炉 研究对象案例2:矿热炉 矿热炉运行仿真报表（矿热炉运行仿真报表（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矿热炉供

28、电关口用电参数矿热炉供电关口用电参数负载运行参数负载运行参数电极控制参数电极控制参数负载用电参数负载阻抗参数操作参数约束参数目标参数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 研究对象案例2:矿热炉矿热炉运行仿真报表（矿热炉运行仿真报表（UN=113.5，n=26, Ld=1m, m1=18,m2=18） 矿热炉供电关口用电参数矿热炉供电关口用电参数负载运行参数负载运行参数电极控制参数电极控制参数负载用电参数负载阻抗参数操作参数约束参数目 标参数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.