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控制模块和控制过程
制磷电炉是黄磷装置的核心设备，具有典型的热化工和电学电气特性，通过控制入炉物料化学组分和制磷电炉电气参数，调整制磷电炉在最佳工况运行，为此引入了制磷电炉功率PC、电极压放(维持电极工作长度)、渣中P2O5含量、出渣及出铁、炉渣酸度系数(Mk)等5个自动化控制模块对其进行操作控制。
对于大中型制磷电炉，通常用制磷电炉功率来定义其生产能力。自动化控制探讨的第一个控制模块就是用于稳定设定的制磷电炉功率，即通过调节制磷电炉功率，实现恒功率控制模式。
设定的制磷电炉功率是通过所建议的电极电流来实现的，电极电流、电压等制磷电炉的电气参数(见表 1)与制磷电炉的炉膛有效电阻(操作电阻)有关，炉膛有效电阻是电气和工艺原料参数的物化特性参数。
表 1
|
工艺参数 |
电气参数 |
|
制磷电炉运行有功功率/MW |
80.0 |
80.0 |
70.0 |
70.0 |
60.0 |
60.0 |
55.3 |
55.3 |
50.0 |
50.0 |
40.0 |
|
电极电流/kA |
83.9 |
90.3 |
79.0 |
85.6 |
73.2 |
79.9 |
71.7 |
79.2 |
69.0 |
72.6 |
60.1 |
|
变压器低压侧线电压/V |
599.0 |
563.1 |
563.1 |
527.2 |
509.3 |
491.4 |
491.4 |
473.4 |
473.4 |
455.5 |
419.6 |
|
变压器电压级数(档位) |
4 |
6 |
6 |
8 |
9 |
10 |
10 |
11 |
11 |
12 |
14 |
|
功率因素COSφ |
0.917 |
0.893 |
0.915 |
0.888 |
0.915 |
0.884 |
0.909 |
0.872 |
0.904 |
0.886 |
0.913 |
|
满负荷制磷电炉功率/MVA |
87.3 |
89.6 |
76.5 |
78.9 |
65.6 |
67.8 |
60.8 |
63.4 |
55.3 |
56.4 |
43.8 |
|
有效相电阻/mΩ |
3.79 |
3.27 |
3.74 |
3.18 |
3.74 |
3.13 |
3.58 |
2.94 |
3.50 |
3.16 |
3.69 |
|
C因子/(V·W-1) |
1.100 |
1.000 |
1.080 |
0.978 |
1.030 |
0.954 |
1.010 |
0.930 |
1.000 |
0.942 |
0.965 |
|
功率损耗/MW |
2.32 |
2.69 |
2.06 |
2.42 |
1.77 |
2.10 |
1.70 |
2.07 |
1.57 |
1.74 |
1.19 |
|
无功功率/Mvar |
34.8 |
40.3 |
30.9 |
36.3 |
26.4 |
31.7 |
25.4 |
31.0 |
23.7 |
26.2 |
17.9 |
一方面，炉膛有效电阻取决于入炉物料的化学特性和粒径分布、炉膛状态(料层结构[3])、电极位置、热工和碳还原的熔池工艺状况等；另一方面，包括制磷电炉有功功率、功率因数等在内的电气参数，又取决于炉膛有效电阻值。
制磷电炉功率自动化控制模块用于调整由于炉膛内有效电阻变化而引起的功率改变，即通过炭质还原剂的粒度分布、还原剂用量、工作区高度(电极位置)、熔池液位(熔池大小)、热场和电极工作端长度的改变来克服干扰，同时还可调节由于炉顶下方温度和压力变化引起的扰动。在实际生产中，通过监测电极的有效相电阻(理论上电极端部应位于制磷电炉富焦层[3-4]刚形成的位置，这样才能保证最佳的制磷电炉功率)，达到稳定制磷电炉功率的目的。该控制模块包括以下的功能：
(1) 选择电极的给定电流和制磷电炉变压器工作级数的算法。
(2) 保持电极的给定电流的算法。通过给定电流值与实际值比较来调整电极位置，即在给定的工作区域移动电极。此外，如果电极电流突然下降超过50%时，禁止移动电极，以防电极折断(对大型制磷电炉自焙烧电极而言)或是在电极端部产生大的电弧而引发严重事故。当电极电流超过设定值的17%时，则进行电极提升操作。
(3) 防止电极折断事故发生的算法。电极折断的原因与电极质量、电极焙烧、电极压放、炉内大塌料、停炉后加热升温过程和熔池形成情况等因素有密切关系。
(4) 在电气参数状态变动和电极偏离设定的工作区域时，维持给定功率的算法。通过观察电极位置来确定炉膛有效电阻是否为2.5~4.5 mΩ，调整制磷电炉变压器电压级数(档位)来控制电极电流。
(5) 在炉盖下方温度和炉内压力偏离工艺指标时，调整制磷电炉功率的算法。通过在设定工作区域内自动移动电极和自动切换变压器抽头开关，以实现制磷电炉输入功率的稳定。
2
控制模块和生产工况调节设计理念2.1制磷电炉功率的控制
第一个控制模块是全自动的；第二~第五个控制模块的操作为半自动方式，即自动化控制系统给出建议，由工艺人员决定是否实施。
(1) 稳定制磷电炉功率的控制电极移动算法(模式一)。通过自动升降电极将预设电流值保持在推荐值，来维持预设有功能量，电流调节响应按2%、4%或6%进行，并延迟3~5 s。
通过长时期的黄磷生产实践经验的积累和摸索，开展了运用DCS冗余及模糊控制进行电极电流解耦和仿人工智能控制电极升降等的建模工作。经长期系统调试，2013年首先在国内黄磷行业实现了热法黄磷装置制磷电炉电极升降自动化控制优化运行。
其原理是通过给定的电极电流来保持电极功率，从而稳定制磷电炉功率。在恒功率模式下，制磷电炉电极的移动方向由实时监测的制磷电炉运行电气参数决定，将非常复杂的电气参数的数学模型解耦转化为3根电极之间的动态调节(提升或下降)，实现了三相电极电压、电极电流、电极功率等参数平衡的目的。该技术的开发应用，使大型制磷电炉电极升降自动控制系统在黄磷生产中应用成为可能。目前国内多电极制磷电炉的6根电极也开始采用电极升降自动化控制，但由于工艺参数的整体调节并未完全实现自动化控制，还需进一步的调试优化来适应黄磷的实际生产。
(2)РКЗ-80Ф型大型制磷电炉维持功率的调档算法。设定制磷电炉功率为80 MW，高压侧电压为112 kV，电极有效相电阻为3.8 mΩ。
U2=110/112×601=590(V)。
制磷电炉变压器5档的电气参数为586.58 V、88.583 8 kA，则：
制磷电炉变压器6档的电气参数为572.78 V、90.718 1 kA，则：
I3=81.75×586.58/572.78=83.72(kA)；
R1=80×1 000/(3×83.722)=3.805(mΩ)。
通常炉膛有效电阻为2.5~4.5 mΩ，如果将制磷电炉变压器电压档位调节为5~6，电极电流相应为81.75~83.72 kA。
制磷电炉变压器4档的电气参数为600.38 V、86.547 8 kA，则：
I4=81.75×586.58/600.38=79.87(kA)；
R2=80×1 000/(3×79.872)=4.18(mΩ)。
如果将制磷电炉变压器电压档位调节为4~5，电极电流相应为79.87~81.75 kA。
人工智能依据此算法学习建模，通过自动调节变压器电压级数(档位)来稳定制磷电炉的功率(模式二)，或自动调节变压器电压级数(档位)协同控制电极移动来稳定制磷电炉的功率(模式三)。通常通过人工智能学习，自适应选择任意一个模式来保障制磷电炉的稳定运行。
2.2
电极工作长度的稳定控制
第二个控制模块用于稳定电极工作长度，即通过电极压放维持其设定的工作长度。电极工作长度是指接触颚板的下沿到电极端面的电极段长度，通过压放使电极保持最佳长度是一个重要的操作过程。最佳的电极工作长度须在炉膛的特定高度内选择，应保证在设计功率下维持电气和工艺工况，同时达到正常工艺参数要求。
电极工作长度算法模块：
——选择电极起始工作长度l0(通常为3.8 m)；
——输入每班电极工作长度计算值(l1)，比较每班电极长度计算值不低于电极起始长度(l1≥l0)；
——不是(l1＜l0)，计算可能的信息；
——结束。
——是，设定累积压放值+每班起始值。
——计算每班累积压放值+每班工作长度起始值+每班电极长度计算值(与电极功率、平均电极功率总和、电极总压放量相对应)；
——计算烧损量[通常为0.023 cm/(MW ·h)]；
——计算电极长度(通常为3.8~4.0 m)；
——保存结果到数据库(历史数据)。
该控制通过算法模块给工艺人员一个是否需压放电极的建议。
在制磷电炉生产运行过程中，电极由于以下3个原因被消耗(又称电极烧失)：
(1) 电极作为导体在高温下的正常消耗；
(2) 电极下端因产生电弧而导致电极损耗；
(3) 矿物质及熔融物与电极中的碳发生反应。
电极烧失后，电极工作长度通过颚板内电极的压放量来补偿，压放量按设定值间断进行。维持炉膛内电极工作端在所需的位置才能保证最佳的工作端长度，使电极端部基本在工作区的中央，即反应区可集中最大的电能，从而获得最佳的磷还原率，减少电能损失和粉尘产生量。
必须注意，在电气参数和工艺条件恶化(炉膛内严重碳化、压放系统检修、无负荷时间太长、制磷电炉加热等)时，应修改电极压放条件(通常由工艺工程师确定)。
对于大型制磷电炉，电极压放后还有电极焙烧的特殊操作，特别是在压放量超过30 cm时，必须控制电极焙烧。采用石墨电极的制磷电炉因无电极焙烧操作过程，可忽略不计。
2.3
渣中P2O5含量控制与炭质还原剂的关系
第三个控制模块用于通过将炉渣中的P2O5含量稳定在设定值范围内来稳定P2O5的还原程度。该控制模块用于补偿因入炉原料化学组成、配料量变化及炉内工作区(焦炭富集区域)波动引起的干扰。
制磷电炉渣中P2O5含量直接反映炉内物料的化学还原反应情况。渣中P2O5含量与炉膛几何尺寸(形成的熔池)、制磷电炉功率以及焦炭粒度、组分和配比有密切关联。实际上，制磷电炉操作中最重要的电气和工艺参数在很大程度上取决于入炉物料中的焦炭粒度、组分及配比，《黄磷生产技术规范》(GB/T 33321—2016)[5-6]中给出了科学的诠释。实践证明，对满负荷运行的制磷电炉，渣中P2O5质量分数为1.0%~2.5%(平均值控制为1.5%)最佳，这主要由粒径3~16 mm的焦炭来保证，渣中P2O5质量分数低于1.0%或高于2.5%都会导致产量降低、消耗增加[4, 7-9]。根据大型制磷电炉的操作经验，制磷电炉功率、渣中P2O5含量和焦炭量关系见式(1)：
式中：w(P2O5)min——渣中P2O5最小允许量，%；
P——制磷电炉运行功率，MW；
K、n——分别为电气系数1和电气系数2，对于РКЗ-80Ф型制磷电炉，分别为0.12~0.19和0.39。
式(1)用于调整炉料中的焦炭量，减少焦炭量和提高负荷以控制富焦区域[4]，通过算法模块给出一个需要改变入炉物料和焦炭配料量的建议。
2.4
出渣及出铁的控制
第四个控制模块用于给出一个稳定炉渣和磷铁液位的建议，再由工艺操作人员通过出渣和出铁操作来实现。在黄磷生产的升华过程中，入炉物料经化学还原反应形成的磷渣累积在炉膛中，出渣操作的目的是消除磷炉渣在炉膛中的大量累积，使黄磷生产得以连续不断地进行[1]；其次是出现紧急情况时，用于消除安全隐患或避免出现制磷电炉故障。
炉前出渣操作工况的控制是一个复杂的过程，受制磷电炉功率、电极位置、磷炉气温度等诸多因素的影响[4]。出渣操作方案应考虑制磷电炉及其相关设备操作的特殊条件，密度较大的磷铁累积在炉底，应定期排放，避免磷铁混入炉渣从渣口流出，引发磷铁下水的事故。根据物料和热量平衡计算，磷炉渣和磷铁依据磷炉运行累计耗电量周期性地排放，出渣、出铁周期都可通过特定算法进行计算。
出渣、出铁算法模块：
——输入前一次出渣后到现在的耗电量，通常25 MW ·h；
——制磷电炉功率，MW；
——渣口(打开、堵住)状态(计时时间)；
——计算渣层厚度，并给出出渣的建议。
2.5
稳定炉渣酸度系数
第五控制模块用于稳定炉渣酸度系数，补偿因炉渣物理化学性质、组成改变引起的干扰。炉渣酸度系数与入炉物料化学组分、硅石配比量、渣中P2O5含量、出渣工况等有关，是磷炉操作中重要的工艺控制指标，国内中小型制磷电炉的炉渣酸度系数一般控制为0.75~0.85，大型制磷电炉和Al2O3含量偏高采用的四元炉渣酸度系数通常控制为0.85~0.95[7]，此时出渣工况较易控制。炉料中的硅石起助熔作用，从热力学分析可知，加入硅石可以降低反应温度，产生易熔的炉渣，有利于P2O5还原反应的进行[1, 8]。
根据炉渣化学组分对入炉物料各组分加入量进行矫正，通过改变硅石的配料量来补偿；若炉渣酸度系数降到最小值以下，应另外添加硅石。
2.6
功率负荷与优质高产
在实际生产过程中，大型制磷电炉工况复杂多变，影响因素较多，特别是功率负荷在40 MW以下运行时，制磷电炉内衬腐蚀严重，经济技术指标下滑。实践经验表明，功率负荷在50 MW以上运行时[4]，制磷电炉各项工艺参数和电气参数都比较理想。制磷电炉的相关资料表明[1, 9]，各制磷电炉的最佳经济负荷不尽相同，如大型制磷电炉建议在50 MW以上运行时，才可以投入自动控制。因此，自动控制模块必须基于此情况进行设计。制磷电炉的电气参数(如电极电流、电压等)与工艺参数(如炉膛有效电阻、渣中残磷含量和酸度系数等)相互影响，如炉膛有效电阻取决于入炉物料的化学特性和粒度分布等工艺参数，同时电气参数又取决于炉膛有效电阻值[10-11]。这种复杂的相互关系增大了自动化控制的难度，需要精确协调和控制各参数，以实现最佳的运行工况。大型磷炉运行参数见表 2。
表 2
|
工艺参数 |
正常工艺指标 |
备注 |
|
电极电流密度/(A·cm-2) |
3.6~3.8 |
相当于电极总电流82~86 kA |
|
电极有效相电阻1)/mΩ |
2.80~3.80 |
1)＜1.65 mΩ时，电极下部可能插入炉渣中；2)＞5.00 mΩ时，电极可能缺相 |
|
制磷电炉平均运行功率2)/MW |
55 |
24 h运行总功率平均累计值55×24=1 320(MW·h) |
|
配料改变后进入制磷电炉的滞后时间/h |
8 |
制磷电炉耗电量350~400 MW·h |
|
电极消耗量/(cm·MW-1·h-1) |
0.023 |
每次压放3 cm，即制磷电炉累计用电量达105~120 MW·h，压放一次电极3 cm |
|
吨黄磷排渣量/t |
8~10 |
50 MW以上连续出渣 |
|
吨黄磷耗电量设计值/MW·h |
13.28 |
72 h制磷电炉性能考核达到设计值 |
|
制磷电炉出铁时间间隔 |
耗电量500~ 800 MW·h出铁 |
出铁量6.5~8.0 t/次，出铁时间约30 min |
注：1)电极有效相电阻不正常低限＜1.65 mΩ，不正常高限＞5.00 mΩ；
2)制磷电炉平均运行功率不正常低限＜40 MW |
一方面通过人工智能学习，自适应调整制磷电炉负荷，达到节能降耗、环保、稳定黄磷生产的效果；另一方面在非正常情况下，由操作人员人工调整制磷电炉工况，实现制磷电炉高负荷稳定运行。
3
结语
(1) 人工智能控制的发展趋势。在人工智能自动化控制技术和数字经济大潮与磷化工实体经济有机融合发展的今天，完整地通过5个独立的控制模块调节制磷电炉电气和工艺工况，实现了制磷电炉操作的完全自动化控制。随着人工智能、大数据和机器学习等技术的不断发展，制磷电炉自动化控制系统将变得更加智能化。
(2) 多参数协同控制。人工智能自动化控制系统具备自主学习和自适应能力，能够根据历史数据和经验，自动调整控制策略，以应对不同的生产条件和工况变化。未来的制磷电炉的自动化控制将不只局限于制磷电炉的功率、电极压放、渣中残磷等个别参数[6, 12]，而是将这些参数以及其他相关参数进行综合考虑和协同控制，以实现制磷电炉整体运行工况的最优。同时，将制磷电炉自动化控制与先进的检测技术、传感器技术、通信技术等深度融合，实现对制磷电炉运行状况更精确的监测和实时反馈，提高控制的及时性、可靠性和准确性，最终达到“双碳”节能降耗的目标，提高社会效益和经济效益。
(3) 将人工智能控制优势发挥到极致。人工智能控制能够自动分析和处理大量的生产数据，实时调整控制参数，以适应制磷电炉复杂多变的工况，实现更精准的控制和优化。目前，计算机只能采集和显示国内热法制磷电炉的工艺参数和电气参数，仅能实施几个简单的操作手段，与制磷工艺电气参数的有机融合、密切联系配合分析尚处于理论研究阶段，黄磷生产的核心操作仍未实现真正的自动化控制[6]，此种状态亟需改变。
(4) 承前启后、抛砖引玉。借鉴引进大型制磷电炉人工智能自动化控制操作系统，对国内独创的中小型多电极黄磷生产的电极压放、渣中P2O5含量、出渣出铁等自动化控制模块进行技术整合，将人工智能自动化控制技术真正应用于热法制磷生产操作和工艺管理中，加快我国制磷电炉人工智能自动化控制进程，并与“双碳”节能降耗目标紧密结合[2]，以提升我国多电极热法制磷电炉的自控技术水平和核心竞争力。相关应用软件的开发应用与黄磷生产技术紧密配合，综合电气、仪表、机械、计算机等多门学科，协同大数据和人工智能工作，使制磷装置在最佳状态和最优工艺条件下稳定生产运行，达到“双碳”节能降耗、优质高产的目标，创造出良好的经济效益。
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