автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка системы управления рудно-термической печью, использующей гармонический состав кривой фазного тока

На правах рукописи

ЕЛИЗАРОВ ВЛАДИСЛАВ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РУДНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧЬЮ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ ГАРМОНИЧЕСКИЙ СОСТАВ КРИВОЙ ФАЗНОГО ТОКА

Специальность 05.09.10 — Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ДПР 2012

005019238

Москва, 2012

005019238

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Национальный Исследовательский Университет «МЭИ» на кафедре «Физики электротехнических материалов, компонентов и автоматизации электротехнологических комплексов»

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва

Защита диссертации состоится 11 мая 2012 г. в аудитории М-611 в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Национальном исследовательском университете «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направить по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет НИУ МЭИ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « 10 » аирглз 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Рубцов Виктор Петрович Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор,

зав. кафедрой «Электроснабжения и электротехники» ТГТУ Макаров Анатолий Николаевич кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» НИУ «МЭИ» Анчарова Татьяна Валептиповпа

кандидат технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Наметившаяся в последние годы тенденция к увеличению производства высококачественных легированных сталей и сплавов определила возрастающую потребность в ферросплавах. Ферросплавы массового применения получают в рудно-термических печах (РТП) путем восстановления природных руд, концентратов или технически чистых оксидов специальными восстановителями при высоких температурах, развиваемых в ванне печи, с поглощением тепла.

Рудно-термические печи являются мощными потребителями электрической энергии. Установленные мощности РТП достигают 250 МВА на одну установку, а расходы электроэнергии на тонну выплавленного продукта превышают 10000 кВт-ч. Поэтому задачи повышения энергетической эффективности установок и рационального расходования электроэнергии стоят для данного класса агрегатов наиболее остро. Одним из путей решения поставленных задач является повышение точности и качества регулирования режима плавки, что достигается путем совершенствования используемых регуляторов мощности и создания систем автоматизированного управления на базе современных средств вычислительной техники и новых алгоритмов управления. Разработка и внедрение новых систем автоматизированного управления, позволяющих повысить производительность печей, качество выплавляемого продукта, технологическую и энергетическую эффективность процесса плавки, является непременным условием модернизации эксплуатируемых в настоящее время печей, что определяет актуальность темы диссертации.

Цель работы. Разработка системы управления рудно-термической печью, основанной на анализе гармонического состава кривой фазного тока, обеспечивающей повышение энергетической эффективности печи и снижение стоимости конечной продукции.

Достижение поставленной цели потребовало:

1. Анализа особенностей технологического процесса получения ферросплавов в РТП с закрытой дугой, режимов работы электрооборудования и основных механизмов, уровня и тенденций развития систем управления, конструктивных и компоновочных решений.

2. Построения и обоснования модели электрической части печного агрегата на основе схемы замещения РТП, позволяющей анализировать гармонический состав кривой фазного тока печи, определять токи, протекающие в дуговом промежутке и в стенках тигля, а также мощности, выделяемые в дуге и в шихте.

3. Построения и обоснования упрощенной тепловой модели РТП с закрытой дугой, позволяющей исследовать тепловые поля и режимы работы печи в нестационарном и установившемся режимах.

4. Выбора и анализа критериев оценки рационального теплового режима РТП.

5. Разработки и исследования системы управления тепловым режимом РТП с закрытой дугой по гармоническому составу кривой фазного тока.

6. Разработки методик и аппаратных средств для проведения экспериментальных исследований на действующих печах.

7. Экспериментальных исследований тепловых и электрических режимов работы действующих печей, с целью уточнения параметров разработанной системы управления и проверки выдвинутых гипотез.

8. Реализации системы и разработки алгоритмов управления, обеспечивающих повышение энергетической эффективности процесса плавки, увеличение производительности и снижение стоимости конечной продукции.

Соответствие темы исследования паспорту специальности 05.09.10

Электротехнология:

1. Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых ре-

шений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнологических комплексов и систем.

2. Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнологических комплексов и систем, их оптимизация, разработка алгоритмов эффективного управления.

3. Разработка новых технологических процессов для получения чистых металлов, сплавов с заданными физическими и химическими свойствами, в том числе для нужд полупроводниковой промышленности.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях:

1. Установлена возможность контроля теплового режима работы РТП с закрытой дугой по нечетным гармоническим составляющим кривой фазного тока.

2. Получены зависимости, связывающие суммарную мощность, выделяемую в зоне реакции печи, и её составляющих, выделяющихся в шихте и дуге и гармонические составляющие кривой фазного тока, обосновывающие возможность идентификации технологического режима печи по величинам 3-ей, 5-ой, 7-ой, 9-ой и 11-ой гармонических составляющих кривой фазного тока.

3. Разработана модель теплового состояния РТП с закрытой дугой, которая может использоваться в режиме реального времени для управления технологическим процессом.

4. Разработаны алгоритмы управления технологическим режимом РТП с закрытой дугой по текущему значению гармонической составляющей кривой фазного тока.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

1. Разработана система управления тепловым режимом Pill, использующая нечетные гармоники фазного тока.

2. Разработана методика определения параметров РТП с закрытой дугой, позволяющая обоснованно проектировать режимы работы печи, определять параметры электрического оборудования и производить настройку системы управления.

3. Разработаны алгоритмы управления РТП с закрытой дугой.

4. Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе на кафедре ФЭМАЭК НИУ «МЭИ».

Достоверность полученных результатов. Степень достоверности полученных результатов определяется: применением современных методов научных исследований, опирающихся на общепринятые представления в области электротехнологии, калиброванных измерительных приборов, совпадением результатов аналитического исследования с экспериментальными данными, полученными на действующей печи.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 15-ой, 16-ой, 17-ой и 18-ой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в 2009 - 2012 гг.; 13-ой международной конференции по вопросам электромеханики, электротехнологии, электротехнических материалов и компонентов в 2010 г.; 14-ой международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» в 2010 г.; 2-ой Всероссийской конференции «Инновационная энергетика» в 2010 г.; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «ЭЛЕКТРОТЕРМИЯ-2010» в 2010 г.; 8-ой и 9-ой Международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение XXI век» в 2010 и 2011 гг.; Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновация» в 2010 и 2011 гг.; научной конференции «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-2011» в 2011 г; II всероссийской научно-технической конференции «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортиров-

ки теплоты» в 2011 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 22 печатных работы, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, и получено 3 патента на полезную модель.

Реализация результатов работы: Результаты диссертационной работы внедрены на ЗАО «Тихвинский завод ферросплавов» и используются для управления электрическим режимом РТП для получения высокоуглеродистого феррохрома.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Основной текст диссертации изложен на 152 страницах, работа сопровождается 9 таблицами, 68 рисунками и приложением на 12 страницах, список литературы включает 188 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, описана научно-практическая значимость полученных результатов, и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ состояния развития РТП и их систем управления. Рассматриваются особенности технологического процесса выплавки ферросплавов в РТП с закрытой дугой. Приведены способы и методы исследования процессов, протекающих в ванне печи. Рассмотрены особенности РТП как объекта регулирования. Проанализированы способы управления и системы автоматического регулирования.

Установлено, что, в настоящее время объективных методов контроля распределения мощностей в ванне РТП не существует. Показано, что решение задач повышения эффективности электрических и технологических режимов работы печи возможно только при совершенствовании системы управления процессом плавки в РТП и разработке новых алгоритмов управления.

Вторая глава посвящена разработке и обоснованию модели электрического контура РТП с закрытой дугой, полученной на основании электрической схемы замещения печи.

Картину растекания токов в ванне РТП иллюстрирует рис. 1. В силу технологических особенностей ведения восстановительных процессов в РТП с закрытой дугой нижние концы электродов 1 всегда погружены в шихту 2. Таким образом, дуги горят в тиглях, образованных спекшейся шихтой 3 и газовыми пузырями 4. Образование тигля объясняется тем, что шихта по диаметру печи разогревается и расплавляется неравномерно: чем дальше отстоит шихта от электрода, тем медленнее происходит ее плавление. Размеры тигля не постоянны и изменяются пропорционально выделяющейся в нем мощности. Тигель опирается на жидкий расплав 5. Стенки тигля имеют температуру плавления шихтовых материалов, и именно в них происходят восстановительные реакции. Восстановленный металл каплями стекает на подину печи 6. Подводимый к электроду ток протекает не только по дуге, но и через стенки тигля, поскольку спекшаяся шихта является хорошим проводником. В многоэлектродных печах ток проходит также и от электрода к электроду через шихту, однако, как показывает опыт эксплуатации печей, он пренебрежимо мал.

По мере расплавления шихты в тигле её место занимает шихта, спускающаяся вниз вдоль электродов. Остальные участки шихты (у стен печи 8 и между электродами) остаются неподвижными и не участвуют в восстановительных реакциях. Поэтому, загрузка в РТП, как правило, осуществляется вблизи электродов, создавая вокруг них конусы - колошники 9. Выделяющиеся в процессе

Рис. 1

восстановления газы выходят вдоль электродов и удаляются цеховыми системами пылеулавливания. Накопившийся в печи сплав периодически выпускают через специальное леточное отверстие 7.

Исследования проводились на основе схемы замещения для одной фазы рис. 2. Сопротивление дути в схеме замещения считается чисто нелинейным и представляется зависимостью напряжения от тока и длины дуги гд = їід(ід, 1л). Сопротивление кабелей первичного контура не учитываются в виду их малости. Трансформатор в схеме замещения представлен в виде совокупности активного и индуктивного сопротивления.

Установлено, что для симметричных установок, когда параметры всех фаз одинаковы или близки настолько, что их можно усреднить, характеристики всех фаз одинаковы. При рассмотрении пренебрегают потерями холостого хода трансформатора и объединяют индуктивные и активные сопротивления обмоток трансформатора и короткой сети фазы в сопротивления фазы печного контура X и Я. На рис. 2 приняты следующие обозначения: ис - напряжение сети; и„ - напряжение ванны печи; і — ток электрода печи; ід - ток, протекающий по дуге; £ш - ток, протекающий по проводящим стенкам тигля (ток шихты); Нд - нелинейное сопротивление дуги; - сопротивление проводящих стенок тигля, Яр - сопротивление расплава.

Для схемы замещения рис. 2 составлена система уравнений на основании законов Кирхгофа, определяющая соотношения между токами и напряжениями в РТП:

Рис. 2

сіі л

ис-ив = і ■ Д Л-1 ■ —; ии=и(ід,Ід) + Ід-^;

"к — «ш ' 'ш/ 1 = *тп 1Д' >

Система уравнений (1) была положена в основу разработанной математической модели рис. 3, составленной в среде МшЬаЬ Зігпиііпк. Модель учитывает инерционность электрической дуги и нелинейность её волътамперной характеристики.

Рис.3

На полученной модели было проанализировано влияние напряжения дуги и сопротивления шихты на гармонический состав кривой фазного тока (определены амплитудные значения первой, третьей, пятой, седьмой и одиннадцатой гармонических составляющих фазного тока), а также на действующие значения полезной мощности фазы печи, мощности в дуге и мощности, выделяемой в шихте. Напряжение дуги в процессе исследования изменялось в пределах от 37,5 В до 90 В, а сопротивление шихты - в пределах от 2,8 мОм до 8,4 мОм. Полученные зависимости третьей (1), пятой (2) гармонических составляющих, а также суммарной мощности (3) и мощностей, выделяемых в дуге (4) и в шихте (5), от фазного тока для сопротивления шихты 5,6 мОм при изменении напряжения дуги от 37,5 В до 90 В приведены на рис. 4.

3 4 5

£

|"""

там

4 80 7 8 9 10 110

Фазный ток, кЛ

Фазный то«, кА

Рис.4

Проведенный анализ показал, что между гармоническим составом фазного тока РТП с закрытой дугой и распределением мощностей в ванне печи имеется явно выраженная зависимость, которая может быть использована для идентификации дуги и теплового режима в печи.

Третья глава посвящена разработке и обоснованию тепловой модели фазы РТП с закрытой дугой.

В основу тепловой модели было положено дифференциальное уравнение нестационарного теплообмена с внутренними источниками теплоты, которое совместно с граничными и начальными условиями позволяет дать полное описание процессов, происходящих в тигле РТП с закрытой дугой. Полученная система уравнений в полярной системе координат записывается в следующем виде

1 йв

13/ дв\ 1 д2в г дг\ дг) г2 дб2

+ IV ■

с - у <И'

в (г, 8,0) = в о = сопэЪ /£¿04

в (г, ОД) = 0Р;

в

(г'И=

(3)

Для упрощения модели были приняты следующие допущения: задача осесимметрична и реакционная зона печи имеет форму правильной полусферы; дуга имеет цилиндрическую форму и располагается строго по оси электрода;

электрическое сопротивление, теплопроводность и теплоемкость шихтовых материалов постоянны; стенки тигля не перемещаются в пространстве в процессе работы печи; в ванне печи основными источниками нагрева являются дуговой разряд и ток, протекающий по шихте, остальными источниками пренебрегают.

Поиск решения нестационарной системы уравнений в силу сложности отыскания аналитического решения производился численным методом (методом конечных разностей) специально разработанной автором программой.

Результат расчета — температурное поле ванны печи показан на рис. 5.

С использованием разработанной автором программы, проведены исследования зависимости температурного поля от напряжения дуги, изменения сопротивления тигля, радиуса тигля, теплофизических параметров шихтовых материалов. Это позволило выявить связь между тепловым режимом печи и гармоническим составом фазного тока.

Установлено, что максимальная температура на стенке тигля достигается при определенном соотношении мощности выделяемой в дуге и мощности, выделяемой в шихте, а не при максимуме мощности в дуге или шихте.

Проведенные исследования позволили дать рекомендации по выбору рациональных значений температур и соотношений мощностей для повышения производительности, а также методы их контроля.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию системы автоматического управления тепловым режимом РТП по гармоническому составу кривой фазного тока на основе обобщенной модели, включающей в себя модели электрической и тепловой части РТП с закрытой дугой.

Рис. 5

Функциональная схема разработанной системы управления для одной фазы печи приведена на рис. 6. В основу системы положен типовой двухканаль-ный регулятор АРР-1, обеспечивающий независимое поддержание тока в каждой фазе путем перемещения электрода Э и общее регулирование напряжения

путем переключения ступеней напряжения регулируемого трансформатора РТ. В предлагаемой схеме введен третий канал регулирования, который осуществляет коррекцию задания тока в функции его гармонического состава. Поскольку в процессе работы ток печи изменяется, то в системе регулирования использовано значение пятой гармоники, отнесенное к значению первой. С этой целью в схему введен блок выделения высшей гармоники БВВГ, блок выделения первой гармоник составляющей БВПГ и блок деления БД, на выходе которого вырабатывается корректирующий сигнал, пропорциональный отношению гармонических составляющих. Корректирующий сигнал сравнивается в блоке сравнения БС2 с заданным сигналом коррекции, вырабатываемого блоком задания гармонической составляющей БЗГ. Результирующий сигнал поступает на вход сумматора £, на второй вход которого подается сигнал задания тока. Сигнал разности поступает на блок сравнения БС1, где сравнивается с сигналом, пропорциональным току, вырабатываемым датчиком тока ДТ. Результирующий сигнал управления приводом перемещения электрода поступает на вход регулирующего устройства РУ, сигнал с выхода которого используется для управления приводом Пр, приводящим в движение механизм Мех перемещения электрода Э. При отклонении тока от заданного значения более чем на 10 - 15 %, на блок управления переключением ступеней трансформатора БПСН поступает сигнал, обеспечиваю-

РТП

Рис. 6

щий в зависимости от знака отклонения тока снижение или повышение напряжения печи. Допустимая величина отклонения тока задается в блоке зоны нечувствительности БЗН.

Разработанная система исследовалась в пакете прикладных программ МайаЪ БтиНпк. Для этого построена модель полной системы управления РТП с закрытой дугой, которая приведена на рис. 7. В модели учтены динамические свойства дуги и зависимость её характеристик от длины, а также температурные зависимости сопротивления шихтовых материалов.

Разработанная система позволяет исследовать режимы работы печи и анализировать влияние различных факторов на основные показатели плавки.

Проведенные исследования показали, что введение дополнительного канала регулирования позволяет повысить качество регулирования и производительность печи, за счет косвенной оценки составляющих мощностей, выделяющихся в реакционной зоне печи и введения соответствующей коррекции в управляющие сигналы регулятора электрического режима. На рис. 8 показаны переходные процессы кривой фазного тока в системе при отсутствии канала коррекции (кривая 1) и при его наличии (кривая 2).

В пятой главе разрабатывается методика экспериментального исследования, проводимого на действующей РТП с закрытой дугой, приводятся результаты экстре««"1! " ...... периментального исследова-

Рис.8

ния теплового и электрического режимов работы, проводится сравнение аналитических и экспериментальных исследований, уточняются параметры модели системы управления, разрабатываются алгоритмы управления и даются рекомендации по реализации и настройке системы.

Показано, что разработанная методика проведения экспериментальных исследований на действующей РТП с закрытой дугой, позволяет контролировать в режиме реального времени гармонический состав кривой фазного тока и напряжений, фазный ток, полезные и полные мощности фаз и другие электрические параметры, необходимые для оценки электрического и теплового режима печи. Выявлено совпадение в пределах погрешностей измерительных приборов результатов экспериментальных исследований с аналитическими выводами, сделанными в предыдущих главах, подтверждающее адекватность разработанных моделей действующей печи и обоснованность принятых допущений. Установлено устойчивое функционирование разработанного регулятора электрического режима РТП с закрытой дугой и показано, что система при стабилизации тока пятой гармоники обеспечивает поддержание теплового режима печи, которое может быть оценено по равномерности выпуска готового продукта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ:

1. На основе анализа современного уровня и перспектив развития рудно-термических печей доказана целесообразность и возможность повышения их энергетической эффективности путем совершенствования систем управления режимами работы на основе современной вычислительной и микропроцессорной техники.

2. На основе разработанных моделей электрической части рудно-термической печи получены зависимости, связывающие гармонический состав кривой фазного тока с суммарной мощностью, выделяемой в реакционной зоне и дуге, которые доказывают возможность использования предложенного подхода к оценке теплового режима печи.

3. Разработана упрощенная тепловая модель реакционной зоны рудно-термической печи с закрытой дугой, адаптированная к задачам построения системы управления, позволяющая контролировать тепловой режим печи по гармоническому составу кривой фазного тока.

4. Разработана система управления электрическим режимом рудно-термической печи с закрытой дугой, применительно к каждому из трех регуляторов печи. Разработана система коррекции теплового режима в реакционной зоне печи по гармоническому составу кривой фазного тока.

5. Исследования системы управления рудно-термической печи, проведенные на имитационной модели, показали её устойчивость и возможность стабилизации температуры в ванне печи при поддержании заданного значения пятой гармонической составляющей фазного тока.

6. Разработана методика экспериментального исследования электрического и теплового режимов рудно-термической печи с закрытой дугой, которая позволяет контролировать в режиме реального времени гармонический состав кривой фазного тока и напряжения, фазный ток, полезные и полные мощно-

сти фаз и другие электрические параметры, необходимые для оценки электрического и теплового режимов работы печи.

7. Разработанный регулятор электрического режима рудно-термической печи внедрен в промышленную эксплуатацию и по полученной системе получен патент на полезную модель.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Елизаров В.А. Разработка тепловой модели рудно-термической печи с закрытой дугой. // Электрометаллургия. - 2011. - №10. - С. 32-39.

2. Елизаров В.А., Рубцов В.П. Анализ гармонического состава формы кривой фазного тока для оценки теплового режима в рудно-термической печи с закрытой дугой. // Вестник МЭИ. — 2011. — №2. — С. 61-67.

3. Елизаров В.А., Рубцов В.П. Анализ гармонического состава кривой фазного тока для оценки распределения мощности в тигле рудно-термической печи. // Электрометаллургия. — 2011. — №3. — С. 11-19.

4. Елизаров В.А., Елизаров К.А., Рубцов В.П. Исследование электромеханического регулятора мощности дуговой сталеплавильной печи с асинхронным электродвигателем. // Вестник МЭИ. — 2010. - №5. — С. 54-60.

5. Патент РФ на полезную модель № 94393, МГЯС Н05Р 7/00. Регулятор режима дуговой печи. / В.А. Елизаров, К.А. Елизаров, В.П. Рубцов. -2009148749/22; Заявл. 29.12.2009; Опубл. 20.05.2010 Бюл. №14. - 1 с.

6. Патент РФ на полезную модель № 96266, МПК G05F 1/02. Регулятор электрического режима рудно-термической печи. / В.А. Елизаров, К.А. Елизаров, В.П. Рубцов. - 2010112485/22; Заявл. 01.04.2010; Опубл. 20.07.2010 Бюл. №20. - 1 с.

7. Патент РФ на полезную модель № 110582, МПК Н05В 7/148 G05F 1/02. Регулятор режима дуговой печи. / В.А. Елизаров, К.А. Елизаров, Д.В. Мас-лов, В.П. Рубцов. - 2011124285/07; Заявл. 16.06.2011; Опубл. 20.11.2011 Бюл. №32. - 1 с.

8. Елизаров В.А. Исследование возможности управления температурой тигля в руднотермической печи с закрытой дугой. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XV Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспи-ратнов: Тез. докл. в 3-х т. Т.2. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - С. 153154.

9. Елизаров В.А. Определение мощностей в рудовосстановительной печи. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XVI Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспиратнов: Тез. докл. в 3-х т. Т.2. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - С. 164-165.

10. Елизаров В.А., Елизаров К.А. К выбору рационального привода перемещения электродов дуговой печи. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XVI Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспиратнов: Тез. докл. в 3-х т. Т.2. М.: Издательство МЭИ, 2010. - С. 165-167.

11. Elizarov V., Rubtsov V. Using of harmonious structure of phase current in the ore-smelting furnace with closed arc for identification of the thermal mode. // 13th International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electro-materials and Components. Alushta, Crimea, Ukraine - 2010. 19-25 September. P. 114.

Елизаров В., Рубцов В. Использование гармонического состава фазного тока для идентификации теплового режима в ванне руднотермической печи с закрытой дугой. // 13-ая Международная конференция по вопросам электромеханики, электротехнологии, электротехнических материалов и компонентов. - Алушта. - Крым. - Украина. - 2010. 19-25 Сентября. -С. 114.

12. Елизаров В.А. Применение гармонического состава фазного тока для построения системы управления тепловым режимом руднотермической печи с закрытой дугой. // Соверменные проблемы электрометаллургии стали. Материалы XIV международной конференции. В 2-х ч. Ч. 1. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. С. 228-232.

13. Елизаров В.А. Комплексное моделирование однофазной руднотермической печи с закрытой дугой. // Инновационная энергетика: материалы второй научно-практической конференции с международным участием. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. - С. 217-220.

14. Елизаров В.А., Крутянский М.М., Нехамин С.М. Электрическая дуга в руднотермической печи и возможности управления технологическим процессом. II Проблемы рудной и химической электротермии. Сб. труд. Всероссийской науч.-техн. конф. с междунар. участ. «ЭЛЕКТРОТЕРМИЯ -2010». СПб.: Проспект науки, 2010. - С. 13-21.

15. Елизаров В.А. Идентификация теплового режима ванны руднотермической печи с закрытой дугой по гармоническому составу кривой фазного тока. // Энерго- и ресурсосбережение XXI век. Сб. материалов VII Междунар. науч.-практич. интернет-конференции. Орел, 2010. - С. 114-116.

16. Елизаров В.А. Применение гармонического состава кривой фазного тока для оценки теплового режима тигля руднотермической печи с закрытой дугой. // Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской науч. конф. молодых ученых в 4-х частях. Ч. 2. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010.-С. 150-152.

17. Елизаров В.А. Построение тепловой модели фазы руднотермической печи с закрытой дугой. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XVII Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспиратнов: Тез. докл. в 3-х т. Т.2. М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - С. 190-191.

18. Елизаров В.А., Елизаров К.А., Рубцов В.П. Управлешге рудно-термической печью с закрытой дугой по гармоническому составу кривой фазного тока. // Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-2011. Сборник научных трудов. Екатеринбург: ФГАОУ ВПО УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2011. - С. 260-265.

19. Елизаров В.А. Моделирование подэлектродного пространства однофазной руднотермической печи с закрытой дугой. // Труды Б Всероссийской научно-технической конфернции «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты». Ч. I. Махачкала: ДГТУ, 2011. - С. 184-189.

20. Елизаров В.А. Построение модернизированной энергосберегающей системы управления рудно-термической печью с закрытой дугой. П Энерго- и ресурсосбережение - XXI век: Сборник материалов 1Х-ой международной научно-практической интернет-конференции. Орел: ООО ПФ «Картуш», 2011.-С. 165-167.

21. Елизаров В.А. Построение модернизированного регулятора электрического режима рудно-термической печи с закрытой дугой. // Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской научной конференции молодых ученных в 6-ти частях. Часть 2. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - с. 47-49.

22. Елизаров В.А. Идентификация модели рудно-термической печи с закрытой дугой по экспериментальным данным. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XVIII Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 4-х т. Т.2. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - С. 349.

Подписано в печать ве Тир. $00 п.л. 1,%!)

Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

61 12-5/2362

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РУДНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧЬЮ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ ГАРМОНИЧЕСКИЙ СОСТАВ КРИВОЙ

ФАЗНОГО ТОКА

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Рубцов В.П.

На правах рукописи

Елизаров Владислав Александрович

Москва, 2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1. Анализ состояния развития рудно-термических печей и систем управления................................................................................................................9

1.1. Особенности технологического режима работы рудно-термической печи с закрытой дугой..........................................................................................9

1.2. Подходы к изучению подэлектродного пространства рудно-термической печи с закрытой дугой.................................................................14

1.3. Особенности рудно-термической печи с закрытой дугой как объекта регулирования и анализ способов управления и систем автоматического

управления...........................................................................................................19

Выводы по главе 1..............................................................................................30

2. Разработка электрической модели рудно-термической печи с закрытой дугой и исследование режимов работы печи......................................................31

2.1. Схема электропитания и особенности электроснабжения рудно-термической печи...............................................................................................31

2.2. Схема замещения рудно-термической печи...........................................35

2.3. Разработка модели электрической части рудно-термической печи ....40

2.4. Выбор и обоснование метода исследования..........................................44

2.5. Исследование влияния электрического режима ванны рудно-

термической печи на гармонический состав фазного тока............................46

Выводы по главе 2..............................................................................................58

3. Разработка тепловой модели ванны рудно-термической печи с закрытой дугой........................................................................................................................59

3.1. Постановка задачи исследования............................................................59

3.2. Разработка и обоснование тепловой модели ванны РТП.....................59

3.3. Исследование тепловых режимов РТП...................................................76

3.4. Критерий выбора рационального теплового режима............................78

Выводы по главе 3..............................................................................................81

4. Разработка и исследование системы управления тепловым режимом РТП по гармоническому составу кривой фазного тока.............................................82

4.1. Разработка системы управления..............................................................82

4.2. Разработка модели системы управления РТП по гармоническому составу кривой фазного тока.............................................................................85

4.2.1. Канал перемещения электрода..........................................................85

4.2.2. Канал переключения напряжения.....................................................90

4.2.3. Канал коррекции заданного тока в функции гармонического состава..............................................................................................................91

4.2.4. Рудно-термическая печь переменного тока с закрытой дугой......93

4.3. Исследование системы.............................................................................98

Выводы по главе 4............................................................................................111

5. Экспериментальные исследования и реализация системы управления ..112

5.1. Описание экспериментальной установки.............................................112

5.2. Разработка методики экспериментального исследования..................114

5.3. Обработка экспериментальных данных...............................................118

5.4. Исследование электрического режима на действующей РТП...........121

5.5. Исследование теплового режима РТП..................................................124

5.6. Исследование системы управления режимом печи............................125

5.7. Реализация системы управления и разработка алгоритмов управления 127

Выводы по главе 5............................................................................................131

Список литературы..............................................................................................134

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................153

ВВЕДЕНИЕ

Рудно-термические печи (РТП) широко применяются в современной промышленности, в связи с тем, что конечные продукты из них могут выпускаться в различных агрегатных состояниях (пар или газ, жидкость-расплав, твердое тело, извлекаемое целым слитком (штейны) [1]):

• в черной металлургии - для выплавки ферросплавов, сплавов циркония и чугуна;

• в цветной металлургии - для выплавки медных и медно-никелевых штейнов;

• в огнеупорном производстве - для получения плавленых огнеупоров;

• в химическом производстве - для выплавки карбида кальция, фосфора.

По режиму работы РТП разделяются на печи непрерывного действия и печи периодического действия. Режим работы определяет конструктивные особенности, геометрические размеры и электрические параметры печи [2].

В печах непрерывного действия шихту подают дозированными порциями, а выпуски металла и шлака производят через равные промежутки времени по графику. Печь находится все время под током, а процесс плавки протекает непрерывно.

В печах периодического действия завалку шихты прекращают за некоторое время перед выпуском. Во время выпуска из печи сливают весь расплав, а затем завалку начинают вновь, и плавка повторяется.

В зависимости от требуемого конечного продукта в РТП используют шлаковые и бесшлаковые процессы. Характеристикой шлакового процесса служит кратность шлака, т.е. отношение массы выпущенного из печи шлака к массе выпущенного металла.

Обычно к бесшлаковым процессам относят выплавку ферросплавов, при которой количество шлака незначительно и составляет 3-10% от массы металла (например, выплавка кристаллического кремния, ферросилиция, си-ликокальция, силикоалюминия, ферросиликохрома). Шлаковые процессы со-

провождаются образованием значительного количества шлака. Кратность шлака может составлять от 1,2-1,5 при выплавке высокоуглеродистого ферромарганца и силикомарганца и 2,5-3,5 при получении феррохрома [3]. Наличие или отсутствие шлака влияет на конструкцию, электрический режим, способы дозирования и корректировки шихты и приёмы выпуска расплавов и шлаков [4].

В рудно-термических печах, как правило, проводятся процессы восстановления природных руд, концентратов или технически чистых оксидов специальными восстановителями (углерод, кремний, алюминий и др.) при высоких температурах, развиваемых в ванне печи, с поглощением тепла.

Установленные мощности РТП достигают 250 МВА [5] на одну установку, а расход электроэнергии на тонну продукции колеблется в пределах 720 — 10000 кВт ■ ч в зависимости от выплавляемых сплавов [6]. Из-за высоких удельных концентраций энергии, задачи повышения энергетической эффективности и рационального расходования электроэнергии являются для данного класса агрегатов наиболее актуальными. В настоящее время известны несколько способов решения данных задач:

• улучшение технологии;

• внесение изменений в конструкцию и структуру печи;

• совершенствование используемых регуляторов мощности и создание систем автоматизированного управления на базе современных средств вычислительной техники и новых алгоритмов управления.

Следует отметить, что технология выплавки практически не нуждается в доработке, поскольку механизмы и кинетика восстановительных термических реакций, протекающих в ванне РТП, в настоящее время достаточно хорошо изучены и освещены в литературе, например [3], [7-9], определены и оптимизированы условия протекания этих реакций.

Результаты многочисленных исследований и внедрений, направленных

на совершенствование конструкций печей и обслуживающих их механизмов,

подбора шихтовых материалов по оптимальным физико-химическим свой-

5

ствам, позволили существенно повысить энергетические показатели процессов, производительность и качество выплавляемых продуктов [10, 11]. Однако в настоящее время и этот резерв практически исчерпан. Кроме того, истощение месторождений и снижение качества руды и углеродистых восстановителей приводит к значительному ухудшению технико-экономических показателей производства.

Появление нового поколения средств вычислительной техники расширяет возможность повышения энергетической эффективности и рационального расходования электроэнергии за счет внедрения новых принципов и алгоритмов управления. Поэтому задача построения современной системы управления РТП является наиболее актуальной в настоящее время.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка системы управления рудно-термической печью, основанной на анализе гармонического состава кривой фазного тока, обеспечивающей повышение энергетической эффективности печи и снижение стоимости конечной продукции.

Достижение поставленной цели потребовало:

1. Анализа особенностей технологического процесса получения ферросплавов в РТП с закрытой дугой, режимов работы электрооборудования и основных механизмов, уровня и тенденций развития систем управления, конструктивных и компоновочных решений.

2. Построения и обоснования модели электрической части печного агрегата на основе схемы замещения РТП, позволяющей анализировать гармонический состав кривой фазного тока печи, определять токи, протекающие в дуговом промежутке и в стенках тигля, а также мощности, выделяемые в дуге и в шихте.

3. Построения и обоснования упрощенной тепловой модели РТП с закрытой дугой, позволяющей исследовать тепловые поля и режимы работы печи в нестационарном и установившемся режимах.

4. Выбора и анализа критериев оценки рационального теплового режима РТП.

5. Разработки и исследования системы управления тепловым режимом РТП с закрытой дугой по гармоническому составу кривой фазного тока.

6. Разработки методик и аппаратных средств для проведения экспериментальных исследований на действующих печах.

7. Экспериментальных исследований тепловых и электрических режимов работы действующих печей, с целью уточнения параметров разработанной системы управления и проверки выдвинутых гипотез.

Реализации системы и разработки алгоритмов управления, обеспечивающих повышение энергетической эффективности процесса плавки, увеличение производительности и снижение стоимости конечной продукции.

В первой главе проводится анализ состояния развития РТП и их систем управления. Рассматриваются особенности технологического процесса выплавки ферросплавов и способов исследования процессов, происходящих в подэлектродной области.

Вторая глава посвящена разработке и обоснованию модели электрического контура РТП с закрытой дугой, полученной на основании электрической схемы замещения печи. В результате исследования на модели получены зависимости гармонического состава кривой фазного тока, распределения мощностей и токов в ванне печи от электрических параметров печи.

В третьей главе рассмотрены вопросы разработки и обоснования тепловой модели фазы РТП с закрытой дугой. Выявлены связи и получены зависимости между электрической и тепловой мощностями печи и соотношениями высших и основной гармонических составляющих кривой фазного тока. Предложены критерии выбора рационального теплового режима.

В четвертую главу включены вопросы, связанные с разработкой и исследованием системы автоматического управления тепловым режимом РТП по гармоническому составу кривой фазного тока. Определены и обоснованы модели основных элементов системы. Проведены исследования устойчивости системы регулирования, качества и точности регулирования. Рассмотрены вопросы синтеза системы.

В пятой главе разрабатывается методика экспериментального исследования на действующей РТП с закрытой дугой, приводятся результаты экспериментального исследования теплового и электрического режимов работы, проводится сравнение аналитических и экспериментальных исследований, уточняются параметры модели системы управления, разрабатываются алгоритмы управления и даются рекомендации по реализации и настройке системы.

1. Анализ состояния развития рудно-термических печей и

систем управления

1.1. Особенности технологического режима работы рудно-

термической печи с закрытой дугой

В силу технологических особенностей ведения восстановительных процессов в РТП с закрытой дугой нижние концы электродов всегда погружены в шихту [12]. Таким образом, дуги горят в тиглях, образованных газовыми пузырями и спекшейся шихтой. Образование тигля объясняется тем, что шихта по диаметру печи разогревается и расплавляется неравномерно: чем дальше отстоит шихта от электрода, тем медленнее происходит ее плавление. Размеры тигля не постоянны и изменяются пропорционально выделяющейся в нем мощности. Тигель опирается на жидкий расплав. Стенки тигля имеют температуру плавления шихтовых материалов, и именно в них происходят восстановительные реакции. Восстановленный металл каплями стекает на подину печи. Следовательно, подводимый к электроду ток протекает не только по дуге, но и через стенки тигля, поскольку спекшаяся шихта является хорошим проводником. В многоэлектродных печах ток проходит также и от электрода к электроду через шихту, однако холодная шихта имеет высокое сопротивление и этот ток, как показывает опыт эксплуатации печей, пренебрежимо мал [13, 14]. Картину растекания токов в ванне РТП иллюстрирует рис. 1.1.

По мере расплавления шихты в тигле её место занимает шихта, спускающаяся вниз вдоль электродов. Остальные участки шихты (у стен печи и между электродами) остаются неподвижными и не участвуют в восстановительных реакциях. Поэтому, загрузка в РТП, как правило, осуществляется вблизи электродов, создавая вокруг них конусы - колошники. Выделяющиеся в процессе восстановления газы выходят вдоль электродов и удаляются цеховыми системами пылеулавливания. Накопившийся в печи сплав периодически выпускают через специальное леточное отверстие.

Таким образом, превращение подводимой к РТП с закрытой дугой электрической энергии в тепловую происходит непосредственно на сопротивлениях отдельных зон рабочего пространства печи: в проводящих стенках тигля, расплаве и в дуговом разряде. В свою очередь, сопротивления этих зон зависят от множества факторов, обусловленных электрическими, теплофизи-ческими и физико-химическими процессами в ванне печи и свойствами, составляющих их материалов (например, неоднородностями проводящей среды [15], формой рабочих концов электродов [16], величиной заглубления электродов [17] и т.д.).

Рис. 1.1, Схема РТП с закрытой дугой: 1 - электрод; 2 - шихта; 3 - стенки тигля; 4 -газовый пузырь; 5 - расплав; 6 - подина; 7 - леточное отверстие; 8 - стенки печи; 9 -колошник; lA, Iв, 1С - фазные ток печи; 1д - доля тока, протекающая через дугу; 1Ш -доля тока, замыкающаяся по шихте; 1мэ - доля тока, замыкающаяся от электрода к

электроду

В качестве примера, рассмотрим процессы, происходящие в ванне РТП с закрытой дугой для выплавки 75% ферросилиция в разных режимах работы: оптимальном, с недостатком восстановителя и его избытком [18].

На рис. 1.2 схематично показана ванна печи при рациональном режиме работы. Гарнисаж 3 у стен печи представляет собой спекшуюся плотную

массу «прореагировавшей шихты, частично или полностью лишенную bocio

становителя и являющуюся хорошей огнеупорной теплоизоляцией. В центре печи между электродами образуется также гарнисаж 4 вследствие недостаточной плотности мощности и, следовательно, недостаточной температуры. Его размеры определяются выбранным распадом электродов. Верхний слой 2 колошника несет свежую шихту, нагревающуюся до 500 °С пламенем 1 газов, сгорающих над колошником. На небольшой глубине от поверхности, в зоне 5, шихта уже раскалена до белого каления и содержит расплавленный и частично восстановленный кремнезем (силоксикон). Ниже, в зоне 6, находятся восстановленный кремний, карбид кремния, капли расплавленного железа и ферросилиция. Эта зона примыкает к зоне электрических дуг 5. Поверхность раздела зон 6 и 8 (7) частично покрыта серовато-белой глазурью. Здесь продукты плавки преобразуются в расплав и газы, на поду собирается «болото» металла 9, включающее частицы карбида кремния и силоксикона, которые восстанавливаются. В результате реакций материалы в зонах 5 и 6 становятся рыхлыми. Выделяющиеся в зоне 8 газы легко пробивают свод и выходят наружу, реагируя по пути с недовосстановленной массой силоксикона.

Рис. 1,2. Ванна печи при рациональном режиме плавки 75% ферросилиция В случае недостатка восстановителя (рис. 1.3) электропроводность шихты уменьшается, снижается ток, протекающий по электроду и суммарная мощность печи. Увеличивается заглубление электродов, уменьшаются размеры реакционных зон