本發(fā)明涉及一種故障檢測與診斷技術(shù)，具體地說是一種基于電熔鎂爐的基于電熔鎂爐的變壓器有載調(diào)壓構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
：：鎂是自然界廣泛分布的輕金屬元素之一，是具有重要使用價值的自然金屬，每個國家都十分重視對鎂資源的開發(fā)和利用。是極為重要的戰(zhàn)略資源，在現(xiàn)代工業(yè)中占據(jù)舉足輕重的地位。中國的菱鎂礦儲量非常大，但是分布地區(qū)范圍比較小，主要集中在山東，遼寧等省份，遼寧菱鎂礦資源十分豐富，根據(jù)地質(zhì)勘查的礦區(qū)有10多個，儲量25億噸，約占全國總儲量的85％，約占世界總儲量的20％。遼寧的菱鎂礦雜質(zhì)相對較少，品位高，利用價值非常大。遼寧省菱鎂礦資源集中，礦床巨大，如海城一大石橋菱鎂礦帶比較大，埋藏比較淺，非常適合露天大規(guī)模機(jī)械化開采，交通運(yùn)輸業(yè)相對方便。這些電熔鎂砂又稱電熔氧化鎂，熔點2852℃，沸點3600℃，是一種晶格化了的氧化鎂。電熔鎂砂具有nacl型結(jié)晶格子，其晶體為面心立方結(jié)構(gòu)，具有硬度高、脆性大等特點。由于電熔鎂砂具有熔點高、抗金屬或熔渣的侵蝕性強(qiáng)、抗渣性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性、抗氧化、結(jié)構(gòu)完整、組織致密、耐磨損等優(yōu)良特性，在冶金行業(yè)中被廣泛用于堿性耐火材料中。同時在化工、航天及光學(xué)儀器等領(lǐng)域也被廣泛使用作為絕緣材料和導(dǎo)熱材料。電熔鎂砂的使用價值和性能與其含有的氧化鎂純度相關(guān)，一般采用氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)來衡量電熔鎂砂的性能。氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，表示電熔鎂砂中的晶體越大，使用價值就越大。如何在實際電熔鎂砂冶煉中提升熔畢的電熔鎂砂熔坨中氧化鎂品位，降低能耗，提高產(chǎn)量是研究者的研究熱點和努力方向。據(jù)統(tǒng)計近20年來，我國在110～500kv變壓器事故或故障中，有載分接開關(guān)的事故和故障分別占變壓器事故和故障的19％和18.5％；500kv變壓器的89次故障中，有載分接開關(guān)約占30％。因此在電力系統(tǒng)中會廣泛采用有載調(diào)壓技術(shù)減少電力系統(tǒng)事故的一種供電和調(diào)壓方案。其基本原理是通過一次繞組或二次繞組的加匝或減匝實現(xiàn)變壓器電壓比的變化。為了供給穩(wěn)定的電壓、控制電力潮流或調(diào)節(jié)負(fù)載電流，均需對變壓器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，變壓器調(diào)壓的方法是在其某一側(cè)繞組上設(shè)置分接，切除或增加一部分繞組的線匝，以改變繞組的匝數(shù)，從而達(dá)到改變電壓比的有極調(diào)壓方法，這種繞組抽出分接以供調(diào)壓的電路叫做調(diào)壓電路。變壓器的調(diào)壓方式包括有載調(diào)壓和無載調(diào)壓，其主要區(qū)別在于調(diào)壓變壓器有無調(diào)壓分接頭，利用有載分接開關(guān)的調(diào)壓方式為有載調(diào)壓。利用有載分接開關(guān)，在保證不切斷負(fù)載電流的情況下，變換高壓繞組分接頭，來改變高壓匝數(shù)進(jìn)行調(diào)壓?？梢姏]有分接開關(guān)的無載調(diào)壓變壓器在負(fù)載變化時需要停電進(jìn)行調(diào)壓，而帶有分接開關(guān)的有載調(diào)壓變壓器，可在不停電的情況下隨負(fù)載變化做到有載調(diào)壓?，F(xiàn)階段電熔鎂砂生產(chǎn)過程存在自動化水平很低，耗能嚴(yán)重，產(chǎn)品品味難以控制，爐內(nèi)物料化學(xué)成分復(fù)雜，化學(xué)變化難以掌控，機(jī)理模型難以創(chuàng)建等諸多問題。電熔鎂爐中物料的不斷加入相當(dāng)于在當(dāng)前電壓下負(fù)載發(fā)生了變化，此時如果隨著調(diào)料次數(shù)的增加適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)電壓，可以在能耗相對較低的情況下提高電熔鎂結(jié)晶質(zhì)量，降低皮砂率。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)中電熔鎂砂生產(chǎn)過程存在自動化水平低、耗能嚴(yán)重等不足，本發(fā)明要解決的問題是提供一種可使電熔鎂砂單位能耗和熔坨皮砂率這兩項指標(biāo)上均優(yōu)于現(xiàn)有恒電流控制策略的基于電熔鎂爐的基于電熔鎂爐的變壓器有載調(diào)壓構(gòu)建方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明一種基于電熔鎂爐的變壓器有載調(diào)壓構(gòu)建方法，包括以下步驟：分析以電極位置和電壓值為自變量的功率需求；根據(jù)上述功率需求，以最小單位能耗和皮砂率建立優(yōu)化目標(biāo)；求解優(yōu)化問題，確定各填料階段電壓值及作用時間；根據(jù)各填料階段電壓值及作用時間制定有載調(diào)壓方案。分析以電極位置和電壓值為自變量的功率需求包括以下步驟：取電弧熱作為電熔鎂爐溫度場模型的內(nèi)熱源，建立內(nèi)熱源電弧與氣體空腔導(dǎo)電區(qū)模型；根據(jù)熱源電弧與氣體空腔導(dǎo)電區(qū)模型分析電極位置和電壓值及溫度間的關(guān)系，分別對氧化鎂比熱容c和密度ρ對溫度的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到溫度與比熱、溫度與密度關(guān)系變化曲線，表示成溫度和電壓的關(guān)系式，得到各階段電壓、電壓作用時間以及電極提升高度和溫度變化的作用關(guān)系。內(nèi)熱源電弧與氣體空腔導(dǎo)電區(qū)模型建立之前，對電弧模型做出如下假設(shè)：電弧處于穩(wěn)定狀態(tài)；陽極即熔池表面無變形；電弧與氣體空腔導(dǎo)電區(qū)作圓柱體處理；空腔中氣體介質(zhì)設(shè)為空氣；電弧等離子體為光學(xué)薄的，即忽略不計等離子體輻射損失中的自吸收部分；電弧發(fā)熱功率等效為電弧電壓降和電流的乘積。各階段電壓，電壓作用時間，提升高度和溫度變化的作用關(guān)系如下：→表示正比關(guān)系，t0和ti為常量值，t0為熔融態(tài)氧化鎂的溫度，設(shè)為2800-3600℃之間，ti為添加生料提升電極后溫度，t為當(dāng)前溫度值，δti為該階段電壓的作用時間，d(t)為該階段溫度t的高階函數(shù)，t值由ti變化到t0，ε為該階段料層的上升高度值因數(shù)，i為電熔鎂爐填料次數(shù)。以最小單位能耗和皮砂率建立優(yōu)化目標(biāo)包括單位能耗優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建和熔坨皮砂率優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建，由單位能耗優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和皮砂率優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)提出如下形式的批次電壓控制策略的多目標(biāo)優(yōu)化模型：其中tstart為起弧電壓，整個熔煉批次內(nèi)的電壓ui為優(yōu)化決策數(shù)學(xué)模型式的決策變量，umax，umin分別為變壓器二次側(cè)電壓的上下限，f1為0～δmt批次時間內(nèi)的電熔鎂砂單位能耗，f2為0～δmt批次時間內(nèi)的皮砂率，u1，...,um為批次電壓，δti熔煉作用時間，mmgo(t)熔坨中皮砂的質(zhì)量，i為電熔鎂爐填料次數(shù)。單位能耗優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建為：熔坨中電熔鎂砂的質(zhì)量為：mmgo(t)＝ρmgo·vmgo(t)熔坨中電熔鎂砂的密度為ρmgo(t)＝3580kg/m3設(shè)二次相電壓為u，則0～δmt批次時間內(nèi)的電熔鎂砂單位能耗由下式計算：其中，ui為(i-1)·δt到i·δt批次時間內(nèi)的電壓值，umax，umin分別為二次側(cè)電壓的上、下限，由現(xiàn)場工藝所確定；i為電熔鎂爐填料次數(shù)，vmgo(t)為t∈(1200,+∞)時電熔鎂砂單元體積，f1為0～δmt批次時間內(nèi)的電熔鎂砂單位能耗，δti熔煉作用時間，ui為(i-1)·δt到i·δt批次時間內(nèi)的電壓值，ri為熔池等效電阻，mmgo(t)熔坨中皮砂的質(zhì)量。熔坨皮砂率優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建為：熔坨中皮砂的質(zhì)量為：mwaste(t)＝ρwaste·vwaste(t)冷卻了的熔坨中皮砂的密度為ρwaste＝3000kg/m3則皮砂率可以由以下公式計算：mwaste為熔坨中皮砂的質(zhì)量，vwaste(t)為t∈(0,1200)時電熔鎂砂單元體積，mmgo(t)熔坨中皮砂的質(zhì)量。求解優(yōu)化問題為：求解多目標(biāo)優(yōu)化問題，得到一組解的集合，即pareto非劣最優(yōu)解集，從求得的pareto非劣最優(yōu)解集中采用粒子群算法選取一個合適的解作為批次電流控制策略的pareto最優(yōu)解集。根據(jù)各填料階段電壓值及作用時間制定有載調(diào)壓方案為：在批次電流控制策略的pareto最優(yōu)解集中，繪制多個批次電壓隨調(diào)料過程變化和電壓作用時間隨填料過程變化圖表，用以表示隨調(diào)料次數(shù)增加所需的電壓值的變化和隨調(diào)料次數(shù)增加在某電壓下需要作用時間的變化，分別選取其中單位能耗最低和皮砂率最低以及折中解兩個有載調(diào)壓設(shè)計方案，按生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)電壓的大小。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點：1.本發(fā)明構(gòu)建方法通過計算結(jié)果表明，理論上采用提出的有載調(diào)壓設(shè)計方案可以使電熔鎂砂單位能耗和熔坨皮砂率這兩項指標(biāo)上均優(yōu)于現(xiàn)有恒電流控制策略，這種有載調(diào)壓設(shè)計方案對電熔鎂爐生產(chǎn)過程具有重要的指導(dǎo)意義。2.本發(fā)明方法將原來的恒電流控制策略變?yōu)樽儔赫{(diào)壓，將恒壓變壓器改為有載調(diào)壓變壓器，以電熔鎂砂單位能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，調(diào)節(jié)電極位置，電壓值以及電壓的作用時間，來滿足電極提升過程中功率和溫度分布需求，達(dá)到較好熔煉和結(jié)晶效果。附圖說明圖1為本發(fā)明方法涉及的電弧與氣體空腔區(qū)示意圖；圖2為本發(fā)明方法流程圖；圖3為本發(fā)明方法涉及的氧化鎂比熱容隨溫度變化關(guān)系曲線圖示；圖4為本發(fā)明方法涉及的氧化鎂密度隨溫度變化關(guān)系曲線圖示；圖5為本發(fā)明方法涉及的粒子群算法流程圖；圖6為本發(fā)明方法涉及的電流控制策略的pareto曲線圖示；圖7(a)為本發(fā)明方法涉及的策略1中電壓隨填料過程變化柱狀圖；圖7(b)為本發(fā)明方法涉及的策略1中電壓作用時間隨填料過程變化柱狀圖；圖8(a)為本發(fā)明方法涉及的策略2中電壓隨填料過程變化柱狀圖；圖8(b)為本發(fā)明方法涉及的策略2中電壓作用時間隨填料過程變化柱狀圖；圖9(a)為本發(fā)明方法涉及的策略3中電壓隨填料過程變化柱狀圖；圖9(b)為本發(fā)明方法涉及的策略3中電壓作用時間隨填料過程變化柱狀圖。具體實施方式下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。本發(fā)明針對電熔鎂爐高耗能問題，提出了有載調(diào)壓設(shè)計。分析電壓、功率、溫度三者關(guān)系，在滿足熔煉功率和溫度的前提下，對爐內(nèi)傳熱，電阻等進(jìn)行分析，找到電壓和溫度間的關(guān)系，最后求解各階段的電壓值，通過單噸能耗和皮砂率的計算，驗證方法的節(jié)能性。如圖1所示，本發(fā)明基于電熔鎂爐的變壓器有載調(diào)壓構(gòu)建方法，包括以下步驟：分析以電極位置和電壓值為自變量的功率需求；根據(jù)上述功率需求，以最小單位能耗和皮砂率建立優(yōu)化目標(biāo)；求解優(yōu)化問題，確定各填料階段電壓值及作用時間；根據(jù)各填料階段電壓值及作用時間制定有載調(diào)壓方案。本發(fā)明從功率角度分析，針對原有電熔鎂爐變壓器保持電熔鎂爐的輸入功率不變的恒壓恒流控制策略而提出的改進(jìn)設(shè)計，在每批次達(dá)到目標(biāo)熔煉效果時，如果能在每批次達(dá)到目標(biāo)熔煉效果的同時，不僅升降電極和添加物料，也改變電壓大小來調(diào)節(jié)功率大小，即滿足熔煉要求的溫度和熔煉品質(zhì)需求，又不浪費(fèi)多余能量，從而降低單噸能耗。電熔鎂爐熔煉過程中內(nèi)熱源主要分為三根電極末端與熔池表面間產(chǎn)生的電弧熱和電流流經(jīng)熔池產(chǎn)生的電阻熱。其中，電弧熱是制備電熔鎂砂單晶的主要熱源(約占輸入電能的97％)。電弧的內(nèi)部放熱機(jī)制是極其復(fù)雜的，高溫的等離子體向四周傳播熱量，與周圍的氧化鎂生料相互作用發(fā)生熱對流現(xiàn)象，導(dǎo)致了空氣腔的存在，電弧在形成的空氣腔中燃燒，部分電弧熱傳遞給氣腔周圍的物料(約占電弧電熱的15％～20％)，少部分電弧熱以熱輻射的方式將熱量傳遞至氣腔表面(約占電弧電熱的7％)。同時，石墨電極陰極電弧等離子體射流以高速穿過空氣腔抵達(dá)陽極熔池表面，對陽極熔池表面產(chǎn)生的沖擊力非常劇烈，難以通過實驗來獲取電弧等離子體射流的流動特征。從以上分析可知，實際傳遞到熔池表面的熱量約占電弧電熱的65％～70％。電熔鎂爐在工作中，內(nèi)部產(chǎn)生的交流電弧是非穩(wěn)定的，其形狀與輸入電流的大小有關(guān)，同時對電弧電壓非常敏感，這往往導(dǎo)致電弧根部在電極末端的陰極表面上進(jìn)行不規(guī)則地移動，使電弧變得彎曲或扭曲，且分散而不穩(wěn)定，熔池表面的陽極斑點形狀也發(fā)生改變。這使得電弧本身所涉及的物理現(xiàn)象極其難以確定，計算三相交流電熔鎂爐內(nèi)部發(fā)熱率就變得尤為困難。為了簡化起見，本發(fā)明忽略發(fā)熱量占爐內(nèi)熱量較少的熔池電阻電熱，取發(fā)熱量占主要作用的電弧熱作為電熔鎂爐溫度場模型的內(nèi)熱源對電弧模型做出如下假設(shè)：電弧處于穩(wěn)定狀態(tài)；陽極(熔池表面)無變形；電弧與氣體空腔導(dǎo)電區(qū)作圓柱體處理；空腔中氣體介質(zhì)設(shè)為空氣；電弧等離子體為光學(xué)薄的，即忽略不計等離子體輻射損失中的自吸收部分；電弧發(fā)熱功率等效為電弧電壓降和電流的乘積?；谝陨霞僭O(shè)，內(nèi)熱源電弧與氣體空腔導(dǎo)電區(qū)模型如圖2所示。分析以電極位置和電壓值為自變量的功率需求包括以下步驟：取電弧熱作為電熔鎂爐溫度場模型的內(nèi)熱源，建立內(nèi)熱源電弧與氣體空腔導(dǎo)電區(qū)模型；根據(jù)熱源電弧與氣體空腔導(dǎo)電區(qū)模型分析電極位置和電壓值及溫度間的關(guān)系，分別對氧化鎂比熱容c和密度ρ對溫度的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到溫度與比熱、溫度與密度關(guān)系變化曲線，表示成溫度和電壓的關(guān)系式，得到各階段電壓、電壓作用時間以及電極提升高度和溫度變化的作用關(guān)系。本實施例中，從料層溫度和功率間的關(guān)系、熔煉過程中的電阻、生料層溫度值的影響因素以及熔煉過程中的功率耗散等角度進(jìn)行了分析，得到氧化鎂比熱容c隨著溫度變化的曲線(如圖3所示)以及氧化鎂密度隨溫度變化關(guān)系曲線(如圖4所示)，其中：每個料層溫度差和作用功率及時間的關(guān)系：t0為每層填料后熔煉完畢后，添加生料同時提升電極前的料層溫度，即每各層熔煉的設(shè)定的溫度目標(biāo)值，取mgo熔點值，大概；t1，t2…tn為每次剛填加料層同時提升電極后的料層初始溫度。每層電極功率作用時間δti，pυ為耗散功率，每次填料間隔，可假設(shè)功率耗散是相同的。在添加生料后，該生料層溫度值的影響因素有：1.生料層自身的預(yù)熱溫度，其傳導(dǎo)溫度受填料厚度影響；2.下層高溫融料層對生料層的熱傳導(dǎo)溫度；3.三相電極自身產(chǎn)生的電弧熱溫度；4.受電弧作用后，生料層熔池電阻產(chǎn)熱溫度。本發(fā)明中，熔煉過程中的功率耗散分析如下：電熔鎂爐熔煉過程中存在者3種形式的功率耗散。在熔煉過程中，熔池內(nèi)部存在2個耗散形式即對流換熱和熱輻射。氧化鎂自身黏度很多，對流換熱量比較小，可假設(shè)熔池內(nèi)部的對流換熱與熱輻射熱量可以忽略不計。電極表面與外界的熱量交換也比較少，也將這部分熱量忽略不計。爐殼外表面與爐口處同時與周圍環(huán)境進(jìn)行對流換熱和熱輻射換熱，由于溫度較高，熱輻射傳熱不能忽略不計。這里，將輻射項轉(zhuǎn)化到復(fù)合傳熱系數(shù)中，等效為一個表面對流換熱系數(shù)，如下式：由式可得等效對流換熱系數(shù)為：其中，ε為爐殼外表面發(fā)射率，取氧化鋼板在600℃時的法向發(fā)射率0.8；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；tw為爐殼外表面溫度；te為周圍環(huán)境溫度，取313.15k(30℃)。本實施例將爐殼處的對流換熱系數(shù)h取為15w/(m2·k)，爐口處的對流換熱系數(shù)h取為25w/(m2·k)。所在位置料層溫度的影響因素有：該位置初始溫度，以及每次提升的高度，在該位置的電壓值和作用時間。以溫度為目標(biāo)，達(dá)到目標(biāo)溫度后，要維持或者降低電極功率，以達(dá)到節(jié)能效果。當(dāng)熔煉層物料鎂粉熔煉完畢呈熔融狀態(tài)，新填入生料層，生料層底部吸熱溫度驟升，熔化層不會明顯降低，熱量損失可以忽略。雖然生料層吸熱溫度驟升，但整個生料層不會立減熔化成熔融狀態(tài)。熔煉的目的是兩層均達(dá)到熔融狀態(tài)，成為狀態(tài)一致的熔融狀態(tài)氧化鎂。設(shè)兩種物質(zhì)a和b，其質(zhì)量分別是m(a)和m(b)，比熱分別為c(a)和c(b)，溫度分別為t(a)和t(b)，假定混合后溫度為t，則不考慮熱量損失時，a吸收或放出的熱量等于b放出或吸收的熱量，列寫熱量平衡公式：m(a)c(a)[t(a)-t]＝m(b)c(b)[t-t(b)]若有熱量損失，則平衡溫度t'＜t，熱量損失為：q＝[m(a)c(a)+m(b)c(b)][t-t']填入生料幾秒內(nèi)，設(shè)生料層整體溫度不會升高太多，因為底層熔融狀態(tài)氧化鎂能量以及電極產(chǎn)熱會大部分最終傳遞給上層生料，所以認(rèn)為生料由初始溫度開始吸熱升溫。熱量來源有兩部分，一部分是下層熔融狀態(tài)的氧化鎂接觸傳熱，另外一大部分是三相電極產(chǎn)生的電弧熱。部分熱量以爐口空氣對流，爐壁傳導(dǎo)到爐壁并輻射到周圍空氣中。爐口空氣對流熱占比較小，可以忽略不計，主要熱量耗散在爐壁傳導(dǎo)熱，設(shè)熱量耗散約占功率供給的ξ％。底層熔融狀態(tài)的氧化鎂對上層的氧化鎂生料的功率為下層所有高溫物料的的μi倍。熔煉過程中料層能量守恒定律：cmδti＝cm(t0-ti)＝piδti+pωδti-pυδti＝(pi+pω-pυ)δti(i＝1,2,...,n)由于每次填入生料后，生料溫度升溫規(guī)律幾乎相同，可假設(shè)t1＝t2＝......＝tn。每次填料后提升電極高度都是h，如果調(diào)料和提升高度離散成εh，ε∈[0,1.5]為比例參數(shù)，即每次填料后提升電極高度不是固定不變的。此時物料質(zhì)量m也是可變的，第i次填料和提升電極后變?yōu)棣舖i。電熔鎂爐功率耗散的簡化計算pi，pω，pυ存在非常復(fù)雜的非線性關(guān)系，為簡化計算。熱量耗散約占功率供給的ξ％，取ξ＝15，底層熔融狀態(tài)的氧化鎂對上層的氧化鎂生料的傳熱功率為下層所有高溫物料的的μi倍，μi是隨著底層物料質(zhì)量的增加而變化的，考慮到下層熔融氧化鎂隨著溫度降低進(jìn)行少量結(jié)晶，但溫度整體高于結(jié)晶溫度2800℃，電弧熱仍是產(chǎn)熱的主要來源。則上式可簡化為：(3)電極位置和電壓值和溫度間的關(guān)系分別對氧化鎂比熱容c和密度ρ對溫度的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，找到氧化鎂比熱容和密度和溫度近似的數(shù)學(xué)關(guān)系。對氧化鎂比熱容c與溫度的關(guān)系進(jìn)行matlab數(shù)據(jù)擬合，得到比熱容c與溫度的函數(shù)關(guān)系，這里溫度是熱力學(xué)溫度，單位k。c＝7.1600×10-12t5-1.5826×10-8t4+2.1469×10-5t3-0.0174t2+7.7637t-236.2925生料層質(zhì)量為m＝ρ·2π·r2，氧化鎂密度ρ隨著溫度變化而變化；對ρ進(jìn)行matlab數(shù)據(jù)擬合，得到ρ與溫度的的函數(shù)關(guān)系，這里溫度是熱力學(xué)溫度，單位k。ρ＝-1.0089×10-15t7+2.9182×10-12t6+4.6440×10-9t5-4.4374×10-6t4-0.0026t3+0.9171t2-176.2532t+17004由上述計算公式知，熔池等效電阻等效功率為結(jié)合上述公式中，取g(ρh)＝0.005ωm，g(ρr)＝10-6ωm，可推得如下反映各階段電壓，電壓作用時間，提升高度和溫度變化的作用關(guān)系：公式(3.21)表示在相同預(yù)想溫度t變化條件下，每次提升電極高度不同，會造成電壓和作用時間乘積的不同。→表示正比關(guān)系，t0和ti為常量值，t0為熔融態(tài)氧化鎂的溫度，可設(shè)為2800-3600℃之間，ti為添加生料提升電極后溫度，t為當(dāng)前溫度值。δti為該階段電壓的作用時間，d(t)為該階段溫度t的高階函數(shù)，t值由ti變化到t0。ε為該階段料層的上升高度值因數(shù)。d(t)該階段溫度隨時間變化函數(shù)的討論：即當(dāng)前溫度t的影響因素，以及溫度變化對結(jié)晶的影響。公式(3.21)可以看出，溫度受電壓和作用時間的影響。這里只要找到電熔鎂爐合理的溫度變化情況，就可以對電壓和電壓作用時間進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時公式(3.21)還有兩個變化因素和μi和ε，可將ε設(shè)為定值，即填料高度一定。μi的大小直接影響電壓ui大小。μi取值取決于下層對上層的影響，根據(jù)文獻(xiàn)可知，μi的取值在2％到8％之間。根據(jù)熔煉的進(jìn)程，設(shè)置每個階段不同的μi。針對溫度t隨時間的變化情況，當(dāng)溫度變化率不穩(wěn)定，忽大忽小，容易造成物料吸熱過程不均勻，即耗能又影響物料熔化效果，所以希望爐內(nèi)融料溫度能均勻變化，這里取t盡可能線性變化的溫度函數(shù)，取一次函數(shù)形式的溫度和時間的變化函數(shù)，取t0＝2500。本發(fā)明中，以最小單位能耗和皮砂率建立優(yōu)化目標(biāo)包括單位能耗優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建和熔坨皮砂率優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建，由單位能耗優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和皮砂率優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)提出如下形式的批次電壓控制策略的多目標(biāo)優(yōu)化模型：其中tstart為起弧電壓，整個熔煉批次內(nèi)的電壓ui為優(yōu)化決策數(shù)學(xué)模型式(3.28)的決策變量，umax，umin分別為二次側(cè)電壓的上下限。所述單位能耗優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建為：控制電熔鎂砂產(chǎn)品的單位能耗是是評價電熔鎂行業(yè)工藝水平的一項重要指標(biāo)，所謂單位能耗，即為生產(chǎn)一噸電熔鎂砂所消耗的電能大小。電熔鎂行業(yè)存在耗電量大，造成嚴(yán)重的用電壓力和電網(wǎng)污染。降低電熔鎂砂的單位能耗是工廠追求的一個主要目標(biāo)。本章建立以輸入電壓為決策變量的電熔鎂砂單位能耗優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，現(xiàn)場熔煉結(jié)束時，皮砂與電熔鎂砂分界面的溫度平均為1200℃。因此，結(jié)合溫度場求解結(jié)果，將爐內(nèi)溫度場劃分為以下兩個區(qū)域：(a)皮砂區(qū)：t∈(0,1200)℃；(b)電熔鎂砂區(qū)：t∈(1200，+∞)℃?；跍囟葓龇抡媲蠼饨Y(jié)果，分別統(tǒng)計在這兩個區(qū)域范圍內(nèi)的皮砂和電熔鎂砂單元體積為：設(shè)冷卻了的熔坨中電熔鎂砂的密度為ρmgo(t)＝3580kg/m3，則熔坨中電熔鎂砂的質(zhì)量為：mmgo(t)＝ρmgo·vmgo(t)設(shè)二次相電壓為u，則0～δmt批次時間內(nèi)的電熔鎂砂單位能耗可以由下式計算：其中，ui為(i-1)·δt到i·δt批次時間內(nèi)的電壓值，umax，umin分別為二次側(cè)電壓的上下限，由現(xiàn)場工藝所確定。由上述公式可知，單位能耗優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)由批次電壓u1，...,um和熔坨中電熔鎂砂質(zhì)量mmgo(t)決定。其中mmgo(t)由爐內(nèi)溫度場分布所決定。在二次總電阻基本不變條件下，爐內(nèi)溫度場分布只受電壓大小和熔煉時間δt的影響。所以，單位能耗的大小只受電壓大小和熔煉時間δt的影響。所述熔坨皮砂率優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建為：熔坨皮砂率是指熔坨中的皮砂質(zhì)量占整個熔坨質(zhì)量的百分比。電熔氧化鎂的目的就是將含較低純度氧化鎂的菱鎂礦石或輕燒鎂粉經(jīng)高溫電弧熔融、冷卻、排雜、結(jié)晶后，得到提純了的高質(zhì)量大結(jié)晶氧化鎂。因此，降低熔坨的皮砂率，提高電熔鎂砂產(chǎn)量和質(zhì)量，也是衡量電熔鎂行業(yè)工藝水平的一項重要指標(biāo)。下面闡述對熔坨皮砂率函數(shù)的定義。根據(jù)文獻(xiàn)基于溫度場仿真求解結(jié)果，統(tǒng)計了皮砂區(qū)的單元體積為vwaste(t)設(shè)冷卻了的熔坨中皮砂的密度為ρwaste＝3000kg/m3，則熔坨中皮砂的質(zhì)量為：mwaste(t)＝ρwaste·vwaste(t)則皮砂率可以由下式計算：在上述公式中，mmgo(t)和mwaste(t)之間的數(shù)值大小是此消彼長的，其大小受到爐內(nèi)溫度場分布的影響。爐內(nèi)溫度場分布只受電壓變化和每批次的熔煉時間δt的影響。所以，mmgo(t)和mwaste(t)的數(shù)值大小也只受電壓變化的影響。因而，同單位能耗一樣，熔坨皮砂率優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)也只受電壓和熔煉時間變化的影響。本發(fā)明中，求解優(yōu)化問題為：求解多目標(biāo)優(yōu)化問題，得到一組解的集合，即pareto非劣最優(yōu)解集，從求得的pareto非劣最優(yōu)解集中采用粒子群算法選取一個合適的解作為批次電流控制策略的pareto最優(yōu)解集。多目標(biāo)優(yōu)化問題區(qū)別于單目標(biāo)優(yōu)化問題多目標(biāo)優(yōu)化問題通常得到的是一組解的集合，而單目標(biāo)優(yōu)化問題只是確定的唯一最優(yōu)解，我們稱多目標(biāo)優(yōu)化問題為pareto非劣最優(yōu)解集。集合中的每個pareto最優(yōu)解之間無法進(jìn)行優(yōu)劣比較，即集合中的每個pareto最優(yōu)解在使某一個目標(biāo)函數(shù)得到優(yōu)化的同時，卻可能使另一個目標(biāo)函數(shù)得到惡化。我們需要從求得的pareto非劣最優(yōu)解集中選取一個合適的解作為最終多目標(biāo)優(yōu)化問題的最優(yōu)解[17，18]。對于pareto支配的定義：1)pareto支配：稱向量u＝(u1,…,un)支配向量v＝(v1,…,vn)，記作u＞v，當(dāng)且僅當(dāng)同時滿足：2)pareto最優(yōu)解或非劣解：稱決策向量x*為pareto最優(yōu)解，當(dāng)且僅當(dāng)：由所有pareto最優(yōu)解構(gòu)成的集合稱為pareto非劣最優(yōu)解集，解集中每個非劣最優(yōu)解對應(yīng)的目標(biāo)向量構(gòu)成的區(qū)域稱為pareto前端。(2)基于多目標(biāo)粒子群算法簡介基于多目標(biāo)的粒子群算法，即pso算法。它是從這種生物種群行為中尋找特性，提出的用于求解優(yōu)化問題的一種方法。在pso中，把一個優(yōu)化問題看作是在空中覓食的鳥群，那么“食物”就是優(yōu)化問題的最優(yōu)解，而在空中飛行的每一只覓食的“鳥”就是pso算法中在解空間中進(jìn)行搜索的一個“粒子”(particle)。用隨機(jī)解初始化一群隨機(jī)粒子，然后通過迭代找到最優(yōu)解。在每一次迭代中，粒子通過跟蹤兩個“極值”來更新自己：一個是粒子本身所找到的最好解，即個體極值(pbest)，另一個極值是整個粒子群中所有粒子在歷代搜索過程中所達(dá)到的最優(yōu)解(gbest)即全局極值。找到這兩個最好解后，接下來是pso中最重要的“加速”過程，每個粒子不斷地改變其在解空間中的速度，以盡可能地朝pbest和gbest所指向的區(qū)域“飛”去。假設(shè)在一個n維空間進(jìn)行搜索，粒子i的信息可用兩個n維向量來表示第i個粒子的位置可表示為的xi＝(xi1,xi2,…xin)t，速度為vi＝(vi1,vi2,…vin)t。在找到兩個最優(yōu)解后，粒子即可根據(jù)下式來更新自己的速度和位置：是粒子i在第k次迭代中第d維的速度；是粒子i在第k次迭代中第d維的當(dāng)前位置；i＝1，2，3…，m：種群大小。粒子群算法流程圖如圖5所示。本發(fā)明中，根據(jù)各填料階段電壓值及作用時間制定有載調(diào)壓方案為：在批次電流控制策略的pareto最優(yōu)解集中，分別選取其中單位能耗最低和皮砂率最低以及折中解兩個有載調(diào)壓設(shè)計方案，得到的多個批次電壓隨調(diào)料過程變化和電壓作用時間隨填料過程變化圖表，用以表示隨調(diào)料次數(shù)增加所需的電壓值的變化和隨調(diào)料次數(shù)增加在某電壓下需要作用時間的變化，按生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)電壓的大小。本實施例中，有載調(diào)壓的三種設(shè)計方案所得到的20個批次電壓隨調(diào)料過程變化和電壓作用時間隨填料過程變化如圖7(a)～7(b)、圖8(a)～8(b)、圖9(a)～9(b)所示。其中圖7(a)～7(b)為方案一柱形圖，此方案使得單位能耗最低，但皮砂率最大；圖8(a)～8(b)為方案二柱形圖，此方案使得皮砂率最低，但是單位能耗最大；圖9(a)～9(b)保證皮砂率和單位能耗適中。柱形圖橫坐標(biāo)為填料次數(shù)，縱坐標(biāo)(a)隨調(diào)料次數(shù)增加所需的電壓值的變化，縱坐標(biāo)(b)隨調(diào)料次數(shù)增加在圖(a)所示電壓下需要作用時間的變化。本實施例中，通過matlab仿真，得到迭代200次后的批次電壓非劣解目標(biāo)向量集如圖6所示，最終pareto最優(yōu)解集中滿足條件的解的個數(shù)為68。pareto最優(yōu)解集中應(yīng)根據(jù)實際生產(chǎn)需求進(jìn)行選取合適的解。有載調(diào)壓設(shè)計3種方案所得的20個批次電壓隨填料過程變化和電壓作用時間隨填料過程變化如圖7(a)、圖7(b)、圖8(a)、圖8(b)、圖9(a)以及圖9(b)所示，選擇合適的最優(yōu)解，確定各批次電壓和電壓作用時間。本發(fā)明中，根據(jù)各填料階段電壓值及作用時間制定有載調(diào)壓方案。在起爐階段，進(jìn)行熔池的建立，要求物料很快熔化，熔池的形成時間要求比較短。并且要求在該過程中電弧功率大，熔池電阻功率小，因此變壓器二次電壓應(yīng)為較高電壓。從7(a)、圖7(b)、圖8(a)、圖8(b)、圖9(a)以及圖9(b)也可以看出，該階段電壓值較高，作用時間比較短。在熔化階段，不僅要求物料熔煉快，并且還要求維持適當(dāng)?shù)娜鄢厣疃取Ｈ鄢厣疃鹊谋３忠笕鄢仉娮韫β蔬m當(dāng)，如果電弧功率過大會產(chǎn)生燒飛，過小則物料熔煉慢，所以要求有合適的電弧電壓。該階段填料20次，持續(xù)約8個小時。從7(a)、圖7(b)、圖8(a)、圖8(b)、圖9(a)以及圖9(b)也可以看出，該階段電壓值較高，作用時間較短。在收尾階段，收尾階段要求電弧功率小，熔池電阻功率大，以保證熔池恒溫，并將熔池上方的生料燒結(jié)、封口，避免生料進(jìn)入熔池，污染產(chǎn)品。為此，在收尾階段降低變壓器二次電壓。最后一批料層覆蓋爐口熱量，利用余熱對這批料層進(jìn)行加熱。下面通過單噸能耗和皮砂率的計算，驗證該方法在單位能耗下能夠生產(chǎn)出更高質(zhì)量的電熔鎂結(jié)晶。恒電流控制策略與有載調(diào)壓的對比，在現(xiàn)有工藝電流恒等于10000a條件下，熔畢一爐電熔鎂砂的單位能耗為1735.3kwh/t，熔坨皮砂率為37.2552％。優(yōu)化后得到的pareto最優(yōu)解集中，只有部分解的單位能耗及皮砂率均優(yōu)于現(xiàn)有生產(chǎn)工藝下的這兩項指標(biāo)。降低電熔鎂砂單位能耗和熔坨皮砂率，提高電熔鎂砂產(chǎn)量是電熔鎂砂企業(yè)在生產(chǎn)中追求的目標(biāo)。因此，本文有載調(diào)壓選出pareto最優(yōu)解集中單位能耗及皮砂率均優(yōu)于現(xiàn)有工藝下這兩項指標(biāo)的解作為有載調(diào)壓的候選解集合，有12個解滿足。從12個解中分別挑選單位能耗最低和皮砂率最小的兩個有載調(diào)壓控制策略和單位能耗和皮砂率介于兩者之間的一個最優(yōu)折中解，都列于表3.1所示。表3.1控制策略對比table3.1controlstrategycomparison由表中數(shù)據(jù)可知，在這三種基于有載調(diào)壓的電熔鎂爐整個生產(chǎn)過程，單位能耗均低于現(xiàn)有工藝條件下生產(chǎn)電熔鎂砂的單位能耗，同時熔坨的皮砂率較現(xiàn)有工藝均有下降。其中，有載調(diào)壓設(shè)計1的單位能耗最低，但皮砂率最大，有載調(diào)壓設(shè)計2皮砂率最低，但單位能耗最大。有載調(diào)壓設(shè)計3的單位能耗和皮砂率相對適中。若決策者以降低能耗是第一考慮目標(biāo)，則可以選擇有載調(diào)壓設(shè)計1作為電熔鎂爐生產(chǎn)方案。較之于現(xiàn)有生產(chǎn)工藝下10000a的恒電流控制策略，有載調(diào)壓設(shè)計1的電熔鎂砂單位能耗比現(xiàn)有生產(chǎn)工藝降低9.6546％，熔坨的皮砂率降低0.2406％。若決策者以降低皮砂率是第一考慮目標(biāo)，則可以有載調(diào)壓設(shè)計2作為電熔鎂爐生產(chǎn)方案。較之于現(xiàn)有恒電流控制策略，策略2的單位能耗比現(xiàn)有恒電流控制策略降低0.4770％，熔坨皮砂率降低18.37％。如生產(chǎn)者想在兩者之間有個折中，同時考慮皮砂率最小和單位能耗最小，可以選擇有載調(diào)壓設(shè)計3作為生產(chǎn)方案，單位能耗降低2.2700％，皮砂率降低5.016％。本發(fā)明將恒壓變壓器改為有載調(diào)壓變壓器，以電熔鎂砂單位能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，調(diào)節(jié)電極位置，電壓值以及電壓的作用時間，調(diào)整電熔鎂爐調(diào)壓范圍和調(diào)值幅度，來滿足電極提升過程中功率和溫度分布需求。當(dāng)前第1頁12當(dāng)前第1頁12