003李令冬电炉冶炼电能耗散数学模型与智能用电技术讲解资料

,李令冬,20,16,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,kWh/t,415,300,243,185,35,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,（,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-A,FeMn68C7.0,FeMn64Si18,FeCr67C6.0,FeMn68C7.0,标准成分,Si75,Mn65,Mn+Si82,Cr50,Mn65,电耗限额限定值,kWh/t,8800,2700,4400,3500,焦炭,1350kg/t,电耗限额先进值,kWh/t,8300,2300,4000,2800,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,kWh/t,铬铁比,焦炭,30kg/t,单位换算,电当量：,0.1229kgce/kWh,；电等价值,0.404kgce/kWh,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,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,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。,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：,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,研究对象,案例,1:,交流电弧炉,研究对象,案例,1:,交流电弧炉,研究对象,案例,1:,交流电弧炉,研究对象,案例,1:,交流电弧炉,研究对象,案例,1:,交流电弧炉,研究对象,案例,1:,交流电弧炉,研究对象,案例,1:,交流电弧炉,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,X,SR,=0.6,；,SVG=1,；,n=18,i=1,）,33,2463,140.4,108.1,89.6,0.77,459.9,72.83,100.5,100.5,6.31,0.05,0.130,106.8,0.87,425,0.182,162,92.9,33,2408,137.3,107.1,85.9,0.78,467.1,71.22,99.8,99.8,6.56,0.07,0.126,105.9,0.88,432,0.173,164,93.2,33,2350,134.0,105.9,82.1,0.79,474.5,69.49,98.9,98.9,6.83,0.09,0.123,104.7,0.89,440,0.165,165,93.4,33,2292,130.7,104.5,78.5,0.80,481.7,67.77,97.9,97.9,7.11,0.12,0.119,103.5,0.89,447,0.158,166,93.7,33,2229,127.1,103.0,74.5,0.81,489.0,65.93,96.7,96.7,7.42,0.14,0.115,102.0,0.90,454,0.150,167,93.9,33,2163,123.4,101.2,70.6,0.82,496.5,63.97,95.3,95.3,7.76,0.18,0.111,100.2,0.91,462,0.142,167,94.2,33,2093,119.4,99.1,66.6,0.83,504.2,61.90,93.6,93.6,8.14,0.21,0.106,98.2,0.91,469,0.135,167,94.4,33,2027,115.6,97.1,62.1,0.84,511.3,59.94,92.0,91.9,8.53,0.25,0.102,96.3,0.91,476,0.129,166,94.7,33,1953,111.4,94.7,58.7,0.85,519.0,57.76,89.9,89.9,8.98,0.29,0.098,93.9,0.92,484,0.122,165,94.9,电弧炉供电关口运行参数,电弧运行参数,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,U,B,kV,I,B,A,S,B,MVA,P,B,MW,Q,B,Mvar,B,U,E,V,I,E,kA,S,E,MVA,P,E,MW,R,E,m,X,E,m,Y,D,kS,P,D,D,L,ARC,mm,C,E,kS,RWI,kW.V,/cm,2,%,33,3116,177.7,106.7,142.1,0.60,341.7,92.16,94.5,94.5,3.71,0.00,0.181,104.7,0.74,307,0.364,110,88.5,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,Y,D,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，,Y,D,=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,Y,D,=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（,U,N,=113.5,，,n=27,L,d,=1m,m,1,=22,m,2,=26,）,113.5,193.9,38.11,26.67,27.23,0.70,81.26,96.67,22.56,0.036,0.805,179.3,98.90,0.552,1.675,11611,84.61,113.5,194.8,38.29,26.44,27.70,0.69,79.91,97.22,22.29,0.036,0.786,178.4,99.37,0.557,1.736,12022,84.32,113.5,195.7,38.47,26.20,28.17,0.68,78.54,97.77,22.01,0.036,0.768,177.5,99.83,0.563,1.801,12453,84.02,113.5,196.8,38.70,25.88,28.76,0.67,76.80,98.45,21.64,0.036,0.744,176.3,100.41,0.570,1.889,13023,83.62,113.5,197.7,38.87,25.61,29.24,0.66,75.38,99.00,21.33,0.036,0.726,175.3,100.88,0.575,