面向节能降耗的电熔镁炉智能闭环设定控制方法研究

The fused magnesium furnace is a typical high energy consumption equipments, and the smelting process has complex and different dynamic characteristics. The energy consumption is directly related to the setpoints of the currents running in the three-phase electrodes, timely and effectively obtaining the current setpoints is of vast importance for reducing the energy consumption for fused magnesium furnace. This project focuses on solving the problem of currents setting for the three-phase electrodes in complex dynamic environment. The main research context includes:1) Analyzing the feedforward and feedback information for smelting process, using the control methods such as feedforward , feedback, prediction and compensation, and proposing current intelligent closed-loop setting control method. 2) Based on the current intelligent closed-loop setting control method, by analyzing the electric heating conversion principle and combined with the process data, proposing an energy consumption per ton model of product, to implementing the current setpoints feedforward compensation. 3) By using the human decision experiences and the process knowledge contained in process data, proposing an intelligent decision method for energy consumption per ton desired values in different conditions. 4) By taking the actual fused magnesia furnace as an example, carrying out the research of simulation and industrial validations for the above methods. This research project provides a theoretical framework for current closed-loop setting control of the fused magnesium furnace. The research achievements can also be applied to other complicated industrial processes with similar features.

电熔镁炉是典型的高耗能设备，熔炼过程具有多种复杂动态特性。熔炼过程能耗与三相电极电流设定值直接相关，及时有效的获得合适的电流设定值对实现节能降耗具有重要意义。本项目拟针对复杂动态环境下电熔镁炉熔炼电流的设定控制问题，开展如下研究：1）利用熔炼过程所能获得的前馈和反馈信息，采用前馈、反馈、预报和补偿等基本控制思想，提出一种基于前馈和反馈信息的三相电极电流值智能闭环设定控制方法；2）在所提闭环设定控制方法基础上，分析炉内电热转换机理并结合过程数据，开展单吨能耗预报模型研究，用于实现电流设定值前馈补偿；3）利用人工决策经验和过程数据所蕴含的工艺知识，开展基于不同工况的单吨能耗目标值智能决策方法研究，为实现电流闭环设定提供前提条件；4）以实际电熔镁炉为背景，开展上述方法的仿真和工业验证研究。本项目申请将为电熔镁炉电流值的闭环设定提供理论方法，并在其他复杂工业过程的设定控制中具有推广价值。

电熔镁砂具有熔点高、抗氧化、绝缘性强等特性，是生产耐火材料的主要原料。电熔镁炉是生产电熔镁砂的关键设备，熔炼过程通过调整电熔镁炉三相电极与熔池液面之间的位置来控制三相电极电流，通过电弧放热使炉内菱镁矿石熔化形成熔液，熔液再经过冷却结晶后生成电熔镁砂成品。电熔镁炉熔炼过程是一个具有原料物理化学反应的气液固多相共存的批次过程。由于运行指标单吨能耗在熔炼结束后才能测得，加上熔炼过程的物质变化机理不清，难以建立动态数学模型，难以采用基于模型的方法给出电流优化设定值。本项目针对电熔镁炉熔炼过程的优化设定问题，首先开展了三相电极电流值智能闭环设定控制策略研究，提出了一种由电流预设定模块、单吨能耗预报模块、电流预设定值前馈和反馈补偿模块组成的电熔镁炉智能闭环设定控制策略；其次针对智能闭环设定控制策略的各组成模块，提出了基于数据驱动的三相电极电流预设定算法、基于规则推理的多PI三相电极电流设定值前馈和基于迭代学习的反馈补偿算法，并建立了数据和机理相集合的单吨能耗混合预报模型，实现了电流值的闭环设定；同时，本项目还开展了单吨能耗目标值决策方法的研究，提出了不同工况的单吨能耗目标值智能决策方法，为实现三相电极电流闭环设定提供了前提条件。最后，本项目利用依托单位所开发的电熔镁炉半实物仿真平台对所提出的控制策略和算法的进行了仿真验证，并基于辽宁省大石桥市某电熔镁砂生产企业的实际熔炼过程，研制了电熔镁炉智能闭环设定控制系统软硬件原型，进行了工业验证研究。验证结果表明，本项目所提出的电熔镁炉智能闭环设定控制方法能够对电流值进行优化设定，并能根据实际生产情况的变化对电流设定值进行调整，使熔炼过程处于优化运行状态。本项目开发的闭环设定控制系统在实际工业现场安全稳定运行，使单吨能耗降低3.2%，产品产量提高2.1%，实现了熔炼过程的节能降耗，并在其他复杂工业过程的设定控制中具有推广价值。