“双碳”背景下热法制磷人工智能自动化控制探讨

在“双碳”目标的背景下，如何提升中小型制磷电炉的运行效率与智能化水平，成为行业亟待突破的关键问题。

对此，武智斌、牛仁杰、孙志立等学者在《“双碳”背景下热法制磷人工智能自动化控制探讨》一文中，结合人工智能与自动化控制技术，提出了多模块协同的解决思路，为制磷行业实现绿色低碳转型提供了新的研究路径。

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。

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。

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。

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。

(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。

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：

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：

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。

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。

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)。

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。

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)：

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；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。

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，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。

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。实践经验表明，功率负荷在50 MW以上运行时，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，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。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。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1。

表1  大型磷炉运行参数

(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。

(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，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。

(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，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，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。

原文引用格式：

武智斌, 牛仁杰, 孙志立, 等. “双碳”背景下热法制磷人工智能自动化控制探讨[J]. 肥料与健康，2024，51(6)：146-151.