автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности использования электрической энергии в системах электроснабжения металлургических предприятий

МОСКОВСКИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИНСТИТУТ

СТЕХНИЧЕСЖШ УНИВЕРСИТЕТ)

Р Г Б ОД

На правах рукописи

ЛОСКУТОВ Алексей Борисович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы , включая их управление и

регулироаание

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Нижегородском Государственном техническом университете

Научные консультанты: - доктор техн. наук. проф. Вагин Г. Я.;

доктор техн. наук. проф. Кудрин Б. И.

профессор Шевченко В. Б. профессор Гераскин О.Т. профессор Ленинская Т.Б

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доктор технических наук, доктор технических наук.

Ведущая организация -

институт ГИПРОМЕЗ г.Москва

Защита состоится " 2. " (2. 1994 года в < ' часов з аудитории М-214 на заседании специализированного Совета Л. 053.16.04 в Московском энергетическом институте.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: .103835, Москва,' ГСП, Е-250, уя. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ.

Автореферат разослан Ш 1994 Г.

Ученый секретарь специализированного Совета Л 033.16.04

к.т.н., доцент

Э. А. Киреева

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Предприятия черной металлургии являются крупными потребителями электроэнергии СЭЭЗ. Отрасль в целом потребляет около 18 У. вырабатываемой в стране ЭЭ и является .наиболее энергоемкой отрасль!) промышленности. Эффективность ее использования составляет около 60%. Поэтому все исследования, направленные на повышение эффективности использования ЭЭ на этих предприятиях, позволяющие снизить их электропотребление, являются актуальными и имеют важное народно-хозяйственное значение. Исследование удельных расходов электроэнергии 5 для различных видов продукции выпускаемой металлургическими предприятиями СМП), показывает, что несмотря на значительное число публикаций об экономии ЭЭ на МП, повышается. Прячем эти в 1,5 - 2 раза выше, чем в ведущих странах ССША, Англия, Франция, Япония, Германия и др.З. Основными причинам низкой эффективности использования ЭЭ на МП являются следующие:

1. Недостаточная теоретическая проработка проблемы.

2. Отсутствие научно-обоснованных методов расчета электрических нагрузок на всех уровнях система электроснабжения и в первую очередь от резкопеременных и пиковых, что приводит к больиим погрешностям в расчете нагрузок и неправильному выбору элементов систем электроснабжения. Это обуславливает большие потери ЭЭ и резкое увеличение капитальных затрат на сооружение систем электроснабжения.

3. Ошибочная концепция о необходимости сооружения крупных металлургических яредепршгтай. Это обосновывалось тек что на таких предприятиях удельные расходы всех видов энергоресурсов будут ниже. Проведенные исследования показывают, что на наших гигантах МП удельные расходы ЭЭ на выпуск 1 т металла в 1,5 - 2 раза выше, чем на ыинизаводах США, Германия и Япония.

4. Многие металлургические предприятия имеют большой срок эксплуатации, старую технологию в соответственно на 40 - 50% больший удельный расход, чем на новых предприятиях.

5. Отсутствие концепции выбора оптимальных мощностей и числа дуговых сталеплавильных печей СДСГО, что приводит к усложнению и удорожанию систем электроснабжения из-за необходимости применения дорогостоящих хомпенсаторов реактивное «оиностн.

6. Нет теоретически обоснованных методов построения систем

электроснабжения МП с учетом электромагнитной совместимости электроприемников.

7. Нет рекомендаций по вый чу оптимальных уровней напряжения на зажимах отдельных электроприемников и узлов нагрузки.

Актуальность проблемы исследования подтверждается тем, что она выполнялась в рамках следующих целевых программ: 1) "Провести исследование систем электроснабжения промышленных предприятий ССЭПГО и разработать принципы оптимального построения СЭПП, -обеспечивающие повышение качества, надежности и эффективности этих СЭПП" (Постановление ГК1ГГ СССР от £2.13.80 г. N 326/260. Проблема 0.01.11. Тема 03.Н1Э; 2) целевая ^«тлексная программа О.Ц. 003 (подпрограмма 0.01.13. Ц "Повышение качества электроэнергии по напряжение и снижение потерь в электрических сетях ЕЭС СССР"); 3) координационный план АН СССР по научному направлению 1.9.2 "Электрофизика и электроэнергетика". Проблема 1.9.2.2.1 "Дальнейшее развитие теории и методов расчета электромагнитных процессов в ЕЭС СССР (постановление N 110 - 494 - 1216 от -5.12.83 г.).

Цепь работы и задами исследования: Провести анализ и разра- . ботать теорию, методы расчета и проектирования систем электроснабжения предприятий черной металлургии," учитывавших специфику • режимов, работы электроприемников СЭГО и позволявших повысить эффективность использования ЭЭ и ее качество. Исходя из указанной цели в работе решаются следующие научные задачи:

1. Проводится классификация всех действующих в стране металлургических предприятий по степени однородности технологических процессов, что позволит выявить причины нерациональных расходов ЭЭ и наметить мероприятия по экономии ЭЭ.

2. На основе анализа к синтеза режимов работы ЭП большой группы МП находятся общие закономерности формирования индивидуальных и групповых графиков нагрузки, что позволит разработать новые методы расчета электрических нагрузок.

3. Разрабатывается теория и методы расчета электрических нагрузок МП с учетом специфики режимов работы ЭП и уровней СЭПП.

4. В связи с большой разветвленностью систем электроснабжения Ш и большим многообразней ЗП и их режимов работы разрабатываются методы имитационного моделирования на ЭВМ.

5. Проведено экспериментальное исследование электромагнит

ных помех (ЭМГО, создаваемых различными ЭП, разработаны математические модели источников ЭМП и методы расчета ЭМП.

6. Разрабатываются экономические характеристики ЭП и узлов нагрузки в функции отклонений напряжения и рекомендации для выбора средств регулирования напряжения.

7. Впервые проводится исследование динамики расходов ЭЭ по МП, разрабатываются математические модели злектропотребления и основные направления по экономии ЭЭ.

8. Разрабатывается концепция построения оптимальных систек электроснабжения МП.

Методы исследований. Построение и анализ математических моделей индивидуальных и групповых графиков нагрузки выполнено с использованием основных положений теории случайных импульсных потоков и теории марковских процессов. Исследование энергетических характеристик проведено на основе вероятностного анализа. Теоретическое и экспериментальное исследование электромагнитных помех выполнено с использованием методов математической статистики, корреляционного и спектрального анализа.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждена экспериментальной их проверкой на действующих предприятиях, использовавших при проектировании, реконструкции и эксплуатации предлагаемые автором методы.

Научная новизна. Разработаны математические модели индивидуальных и групповых графиков нагрузки различных типов электроприемников и металлургических предприятий, выявлены закономерности их формирования и получены аналитические выражения■ для определения характеристик случайных процессов, что послужило основой для разработки методов расчета эффективных и пиковых нагрузок дуговых сталеплавильных печей я прокатных станов.

Доказано, что импульсные нагрузки прокатных станов не оказывает влияния на перегрев электрических сетей и трансформаторов, и их выбор по нагреву следует производить по эффективной • нагрузке.

Разработаны методы имитационного моделирования на ЭВМ электрических нагрузок на различных уровнях систем электроснабжения по удельным расходам электроэнергии, а также эффективных и пиковых нагрузок электроприемников с импульсным я резкопеременным режимами работы.

Проведена классификация электромагнитных помех (ЭМП), создаваемых различными злектроприемникаьш металлургических предприятий, разработаны математические модели основных видов ЭМП, что позволяет дать рекомендации по их расчету и снижению при проектировании МП.

Разработаны методы выбора оптимальной емкости ДСП в зависимости от производительности.

Разработаны методы определения оптимальных уровней напряжения для отдельных электроприемников и узлов нагрузки металлургических предприятий, что позволяет выбирать экономически целесообразные средства регулирования напряжения и снижения ЭМП.

Разработаны математические модели злектропотребления и основные направления экономии энергии на металлургических предприятиях.

Практическая ценность. Математические модели индивидуальных и групповых трафиков нагрузки, полученные в диссертации, позволяют повысить точность расчета электрических нагрузок; автоматизировать с помощью ЭВМ трудоемкие методы расчета; производить расчеты при неполной исходной информации и производить проектирование МП параллельно со строительством.

Разработанный в диссертации метод расчета доз колебаний напряжения позволяет снизить погрешности расчета колебаний напряжения, правильно выбирать устройства для снижения колебаний напряжения от дуговых сталеплавильных печей и значительно снизить затраты на системы электроснабжения МП.

Методика выбора оптимальной емкости ДСП позволяет повысить эффективность их использования и в 2-4 раза снизить затраты на электрометаллургические производства.

Разработанные экономические характеристики электроприемников и узлов нагрузки позволяют: производить выбор экономически целесообразных средств регулирования напряжения и оптимально регулировать напряженна в различных точках систем электроснабжения МП.

Математические модели злектропотребления позволяют производить прогнозирование расходов электроэнергии по всем классам металлургических предприятий и определять наиболее экономичные технологически схемы МП.

Внедрение результатов работы. Материалы диссертации исполь-

зовались ВНИИЭ при разработке проекта ГОСТ 13109 - 94 "Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения " и "Правил присоединения потребителя к сети энер-госнабжаощей организации и электроприемнкков к сетям потребителей по условиям влияния на качество электроэнергии".

Математические модели элекгропотребления, математические модели источников высших гармоник и методы построения экономических характеристик использовались Институтом электродинамики АН Украины при разработке и внедрении источников питания для металлургических производств следующих предприятий: ПО "Радар" Сг. Киев); ПО "Киевтрактородеталь"; ПО "Кузлитмаш" Сг. Пинск); Предприятия фирмы LEMIND (Югославия); ПО "Маяк" Сг. Киев?; Завод "Авангард" (г. Москва).

При проектировании системы электроснабжения Исфаханского металлургического завода СИсламская республика Иран) для расчета электрических нагрузок, выбора схемы электроснабжения, устройств компенсации реактивной мощности и фильтров высших гармоник агрегатов "печь - ковш" использовались институтом ГИПРОМЕЗ материалы диссертации и программы расчета для ПЭВМ IBM PC.

Исследования электромагнитных помех в сетях металлургического производства Нижегородского машиностроительного завода позволили определить экономический ущерб от них. Экономические характеристики электроприемников и узлов нагрузки использовались при определении перерасходов электроэнергии на данном предприятии.

Методы расчета электрических нагрузок электрических печей были использованы АО "Русский мотор", что позволило снизить стоимость устанавливаемого электрооборудования литейных цехов.

Материалы диссертационной работы, изложенные в монографий "Повышение эффективности использования электроэнергии в системах злектротехнологии" и в учебном пособии "Моделирование в системах электроснабжения", используются в учебном процессе при чтении лекций и выполнении курсовых и дипломных проектов по специальности 10.04. "Электроснабжение""в Нижегородском государственно»! техническом университете.

Основные положения, выносимые на заииту:

1. Классификация металлургических предприятий по однородности технологических процессов.

2. Закономерности формирования индивидуальных и групповых графиков нагрузки и гх математические модели.

3. Теср:::: и методы расчета электрических нагрузок систем электроснабжения металлургических предприятий.

4. Методы имитационного моделирования графиков нагрузки электроприемников с резкопеременным режимом работы на ЭВМ.

3. Результаты исследования электромагнитных помех (ЭМП), создаваемых различными электроприемниками, математические модели источников ЭМП и методы расчета и прогнозирования ЭМП.

6. Экономические характеристики злектроприемников и узлов нагрузки в функции отклонений напряжения и рекомендации для выбора средств регулирования напряжения.

7. Динамика удельных расходов электроэнергии по металлургическим предприятиям и модели электропотребления.

8. Основные направления по экономии энергии.

9. Концепция построения оптимальных систем электроснабжения металлургических предприятий.

Апробация рг.боты. Отдельные положения и разделы диссертации докладывались и обсуждались с 1985г. более, чем на 20-ти конференциях, научно-технических совещаниях и семинарах. В том числе на 8-и сессиях Всесоюзного научного семинара "Кибернетика электрических систем. Электроснабжение промышленных предприятий." Новочеркасск 1982, 1333, 1385, 1583, 1989, 1990, 1993 гг; на 2-х Всесоюзных конференциях по моделированию энергетических систем Баку 1982 г., Рига 1987 г.; на 7-ми научно-технических семинарах проводимых МДНТП г.Москва 1978, 1979, 1981, 1984, 1988, 1989, 1991 гг.; на 3-ти региональных конференциях "Актуальные проблемы электроэнергетики. " Н. Новгород 1989-93 гг..

Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 научных работ. Из них 3 коллективные монографии и одно учебное пособие. Государственную регистрацию во ВНТИЦентре имеют 8 отчетов по научно-исследовательской работе, связанных с тематикой диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем диссертации 382 страницы, в том числе 84 рисунка, 42 таблицы, 232 наименования библиографии и приложений на 37 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, ее цель н решаемые научные задачи, показана новизна научных положений и практическая ценность работы.

Первая глава посвящена исследованию и разработке моделей формирования индивидуальных и групповых графиков нагрузки МП.

Проведена классификация технологических схем всех МП бывшего СССР. Установлено, что их можно объединить в три-группы: 1) МП с полным циклом передела; 2) МП с неполным циклом; 33 специфические МП. К специфическим МП относятся: коксохимические, огнеупорные, метизные, готнообогатительные, трубные. На предприятиях 1-й группы выплавляется 37 % стали.

Проведена классификация ЭП металлургических предприятий. Установлено, что имеется две основные группы электроприемников: 1) ЭП с электродвигателями; 2) Электротехнологические установки СЭТУ). Определены процентные соотношения установленной модности ЭП и ЭТУ для различных производств МП табл. 1.

По режиму работы ЭП с электродвигателями различаются:

1) продолжительного режима, работающие без перерывов Снасосы, компрессоры, дымососы, вентиляторы, газодувки);

2) продолжительного режима, работающее с перерывами Сдробилки, мешалки, скрубера, окомкователи, грохоты к др.);

3) повторно-кратковременного режима (различные краны, перегружатели, конвееры, рольганги, кантователи и др.);

4) импульсного режима Сглавные приводы прокатных станов).

По режиму работы ЭТУ различаются:

1) продолжительного режима Струбозлектросварочные станы (ТЭС), печи электрошлакового переплава, агрегаты ковшовой обработки стали (АКОС)Э;

2) резко-переменнного режима работа СДСП).

Проведена классификация ЭП напряжением до 1000 В МП по виду графиков нагрузки: периодические, циклические и нецикличные.

Проведено исследование графиков нагрузки прокатных станов; установлено, что для всех -видов прокатных станов потребление тока носит импульсный характер со случайными видоизменениями в чередовании импульсов и формы. Показано, что реальные графики нагрузки прокатных станов можно представить в виде случайной последовательности групп импульсов тока. Результаты исследования

о Таблица 1.

Состав электроприемников металлургических предприятий

N пп Наименование цеха или производства Процентный состав ЭП

Электропривод ЭТУ ДСП Насосы Вентилятош ПТС

0,4кВ ЮкВ =1 0,4кВ ЮкВ 0,4кВ ЮкВ 0,4кВ ЮкВ

1 £ л 4 э 0 ( й У 1и 11 1с: 13

1 Доменное производство - - - - - 2-4 8-16 2-4 59-74 6-8 14-20

2 Кислородно-конвертор. - - - - - 19-21 22-25 12-16 18-20 10-14 19-25

3 Электросталеплавильн. - - - 0-16 81-95 0,8-1 - 1-2 1-2 0,01 2,1-3

4 Прокатное 0,33 15-17 25-26 26-31 - 2-4 8-16 3-5 - 8-16 25-27

5 Трубное 12-14 18-21 12-16 - - . 12-13 - 5-7 - 10-34 -

6 Метизное 6-8 17-16 13-18 - - 11-12 - 4-9 - 19-40 -

7 . Горно-обогатительное. - - - 2-4 - 5-8 9-15 1-2 4-5 45-51 34-40

8 Пр-во агломерата - - - - - 7-8 10-12 12-14 15-16 28-32 41-44

9 Пр-во окатышей - - - - - 16-19 8-14 16-17 8-9 20-21 20-24

10 Коксохимическое - - - - - 29-30 - 46-50 - 20-25 -

11 Цехи металлизации - - - - - 20-21 - 45-48 25-26 10-15

Примечание: ЭТУ - электротехнологические установки; ДСП - дуговые сталеплавильные печи; ПТС - поточно-транспортные, системы.

показали, что все индивидуальные графики прокатных станов обладает свойствами стационарности, ординарности и не обладают последствием, время пауз и циклов изменяется по экспоненте и их можно отнести к классу марковских стационарных эргодических процессов. На основании методов теории импульсных процессов выведены формулы характеристик моделей индивидуальных графиков, необходимые для расчета электрических нагрузок и электромагнитной совместимости; среднего и эффективного тока, дисперсии тока, корреляционной функции и спектральной плотности.

Проведено исследование графиков нагрузки ДСП, установлено, что все ДСП создают случайные графики нагрузки с резко-переменным характером в период расплавления металла. Вид графика нагрузки ДСП зависит от принятой технологии выплавки стали. Исследование реальных графиков нагрузки показало, что делает невозможным получение реализаций графиков нагрузки ДСП с помощью статистических характеристик известных вероятностных распределений. В диссертации предложено при проектировании использовать вместо реальных нестационарных графиков их модели.

Критериями соответствия модели реальному графику являются одинаковые математические ожидания нагрузки и расхода электроэнергии за цикл,а также идентичность зависимостей дисперсии нагрузки от интервала осреднения в

№д~2/8 | ¿т | ЙСт) 6т .

О О

Совпадение зависимости БР =ГС в ) для фактического графика и модели позволяет использовать ее в любоы интервале осреднения нагрузки.

Приведены возможные модели индивидуальных графиков ДСП рис.1. Модель(а) соответствует директивному расчетному режиму ведения плавки, С б) характеризует модель с постоянной за время плавки нагрузкой, равной ее математическому ожиданию,и расходом ЭЭ. Модель Св) характеризуется иатематическим ожиданием нагрузки • технологических стадий плавки, причем продолжительность последних изменяется для каждой конкретной плавки. Модель Сг) отражает возможный дидлазон изменения мощности печи в период расплава и относительно стабильный характер нагрузки в последующие стадии..

Приведены выражения для определения корреляционных функций и спектральных плотностей графиков нагрузки ДСП, а

также зависимости ЕСт) и 2Сы) для различных типов ДСП.

120~¡Ьо и и

имаа

гаа 1&о | ^

») г)

Рис.1. Модели графиков-электрической нагрузки ДСП.

Проведено исследование характеристик и разработаны математические модели групповых графиков нагрузки на различных уровнях системы электроснабжения Ш. Установлено, что групповые графики нагрузки МП бывают двух видов; почти периодические и случайные.

Почти периодические, графики нагрузки имеют следующие производства: кокса, агломерата, окатышей, доменное, мартеновское и кислородно-конверторное. Данные производства характеризуются стабильность» расхода ЭЭ за смену.

Случайные графики нагрузки имеют следующие ЭП: ДСП, прокатные и трубные производства.

Исследование показало, что в общем случае случайные графики не являются стационарными, однако в этих нестационарных графиках имеются участки стационарности продолжительностью от 30 до 160 мин. Получены выражения для корреляционных функций и спектральных плотностей групповых графиков.

Разработке теории и методов расчета электрических нагрузок посвящена вторая глава диссертации.

Проведенный анализ показал, что имеются два подхода к расчету электрических нагрузок МП. Институт ВНШШ "ТЯЖПРОМЭЛЕКТРО-ПРОЕКТ" придерживается подхода, когда расчет нагрузок производится "снизу вверх" - от отдельного ЭП до ввода на МП, используя методы-, упорядоченных диаграмм, удельных расходов и директивных графиков нагрузки.

Б.И.Кудрин доказав, что применение метода упорядоченных диаграмм для МП дает большое завышение расчетных нагрузок, предложил комплексный метод расчета, который был принят на вооружение институтом ГИПРОМЕЗ. Комплексный метод расчета предполагает расчет нагрузок "сверху - вниз" используя основные электрические показатели А^ Уср Рср г, Км, Тм Тг по всем предприятиям отрасли, которые имеются в банке данных института ГИПРОМЕЗ. Точность расчета электрических нагрузок по комплексному методу будет зависеть от статистической устойчивости этих основных показателей. В диссертации исследована динамика изменения всех вышеуказанных показателей по 320 МП бывшего СССР за период с 1970 по 1985 г и установлено, что все показатели, кроме «уд имеют большой разброс изменения даже для предприятий с аналогичной технологией. Гистограммы плотности распределения этих показателей нельзя апроксимировать стандартными законами распределения С нормальным или равномерным). Таким образом, из анализируемых показателей для определения расчетных нагрузок наиболее досто- • верным является ыуд.

Применение того или иного метода расчета должно обосновываться необходимой точностью расчета. Применительно к системам электроснабжения МП должны определяться два вида электрической нагрузки: греющая и пиковая. Греющая нагрузка служит для выбора сечения сетей и мощности трансформаторов. Для выбора сечения

сетей вполне достаточна точность + 10 X, а для выбора трансформаторов + 30 '/,. В соответствии с рекомендациями ПУЭ в качестве расчетного тока следует принимать получасовой максимум тока, что связано с предположением о 10 мин. постоянной времени нагрева.

' Анализ реальных систем электроснабжения МП показал, что постоянная времени нагрева равна 10 мин. только для проводов и кабелей сечением до 25 ым^. Это имеет место на I и II уровнях систем электроснабжения при питании ЭП мощностью до 50 кВт. В качестве расчетной нагрузки на III и IV уровнях систем электроснабжения можно принимать часовой максимум нагрузки, а на V, VI и т.д. уровнях среднесменную' нагрузку. Для выбора мощностей трансформаторов в качестве расчетной можно применять также среднесменную нагрузку.

Таким образом, проведенный анализ показал, что для определения греющих нагрузок на стадии технического проекта основным Методом расчета нагрузок должен стать метод удельных расходов электроэнергии.

Разработаны методы расчета электрических нагрузок прокатных станов. В основе методов положена информация об индивидуальных графиках станов. В качестве расчетной нагрузки по нагреву принимается эффективная нагрузка. Предложено определять два вида пи- ковой нагрузки: максимальный пик и 'зависимость пиковой нагрузки от продолжительности пика.

Разработаны методы расчета греющих и пиковых нагрузок от ДСП. В основу методов положены модели графиков нагрузки ДСП, разработанные в первой главе.

Разработаны методы имитационного моделирования графиков нагрузки на ЭВМ. •

Третья глава диссертации посвлаена исследованию ЭМП создаваемых ЭП МП и разработке методов оценки ЭМС ЭП.

Проблема обеспечения ЭМС ЭП должна решаться в следующих направлениях: выявление источников ЭМП; определение восприимчивости ЭП и их систем управления к уровню ЭМП; в различных точках систем электроснабжения; построение систем электроснабжения с учетом ЭМС.

В системах электроснабжения МП наблюдаются следующие виды ЭМП: -

1) отклонения напряжения - они создаются всеми видами ЭП

при нормальной работе;

2) колебания и провалы напряжения - они создаются прокатными станами и дутовыми печами;

3) несимметрия напряжений- создается однофазными нагрузками СЭШП, стыковая сварка, индукционные установки) и ДСП в период расплава;

43 несинусоидальность напряжений - создается преобразователями прокатных и трубосварочных станов, а также дуговыми печами;

5) коммутационные помехи - создастся при включении и отключении электроприемников.

Результаты исследования ЭМП на ряде МП, проведенные автором, подтверждают исследования других авторов в которых, утверждается, что наибольшие ЭМП на МП создают прокатные станы и ДСП. Особенно большие проблемы создают ДСП. Это объясняется постоянным увеличением их количества и мощности, а также подключением их к сети 110 кВ. Это приводит к тому, что ЭМП, создаваемые ДСП, влияют не только на ЭП данного предприятия, но и на ЭП других предприятий через сети энергосистем.

Разработаны математически«» модели источников высших гармоник (ВГ) с резкопеременным характером работы Спрокатные станы, ДСП). Установлено, что отсутствие детерминированных связей между отдельными нелинейными реэкопеременныки нагрузками определяют случайность генерации ВГ. Наличие инерционности ЭП и сети обуславливает использование динамических моделей при изучении воздействия ВГ. С учетом уэкополосности помехи ВГ от группы ЭП, независимости индивидуальных процессов, линейности преобразующей системы и связи между инерционными максимумами первого и второго порядка, модель ИГ с резкопеременным характером работы предложено строить в виде идеальных источников тока отдельных гармоник со случайным характером огибаюашх с известными функциями распределения. Такая модель позволяет сочетать метод оценки ЭМС по динамическому показателю несинусоидальности и случайным характером помехи с традиционным метолом расчета ВГ. Блок-схема моделирования процесса генерации, преобразования и вероятностно-динамической оценки ЭМС по критерию ВГ приведена на рис. 2.

Входной блок 1 выделяет из • напряжения иСО сети помеху уШ, фильтр 2 моделирует воздействие ?С1), по которому оценивается помеха.

Рис. 2. Блок-схема моделирования воздействия ЭМП 1 - входной блок, 2 - фильтр, 3 - квадратор; 4 - низкочастотный блок

ВГ, генерируемые резкопеременной нагрузкой, можно рассматривать как группу импульсов со случайными временами импульсов и пауз, а также гармоническим заполнением. Фундаментальную роль в формировании огибающих таких процессов играют индивидуальные графики нагрузки. Предложено для эквивалентирования индивидуальных графиков использовать аппарат характеристических функций. Характеристическая функция суммарного процесса при независимости

индивидуальных графиков имеет вид

п

ХЬ2 Хы-

Для ЭП со спектральным составом ВГ, определяемым ограниченным набором параметров Спрокатные станы), индивидуальные характеристические функции, описывавшие.,последовательности импульсов, имеют вид

к

v = 2 ехрад

Для ЗП с большим числом факторов, влияющих на спектральный состав (ДСП) прогнозирование уровней ВГ на основании чисто теоретических соображений затруднительно. Поэтому для оценки ВГ тока в этом случае рекомендуется пользоваться результатами измерений, проведенных на действующих установках. Характеристическая функция помехи генерируемой ДСП ь течение всего времени плавки, запишется в виде

.к

Функция плотности распределения ВГ, генерируемых группами ЭП, находится обратным Фурье преобразованием изображений эквива-

лентных характеристических функций.

Разработан машинный алгоритм моделирования ВГ, создаваемых группой ЭП с резкопеременным режимом работы. Входными данными пакета программ могут являться функции распределения или характеристические функции квадраторных составляющих токов отдельных гармоник,генерируемых индивидуальными нелинейными ЭП. Показано, что задание информации в виде характеристических функций более предпочтительно с точки зрения оптимизации времени расчетов на ЭВМ.

Установлено , что принятые в проектной практике методы расчета колебаний напряжения дают значительные погрешности, что приводит к необоснованному удорожанию систем электроснабжения МП. Разработаны методы расчета доз колебаний напряжения путем моделирования на ЭВМ графиков нагрузки и сети электроснабжения. Алгоритм расчета предполагает . первоначальное определение дозы колебаний нагрузки группового графика. Для определения спектральной плотности суммарного непериодического графика нагрузки использовано финитное преобразование Фурье . Приведены результаты расчета аналитических и экспериментальных доз в сети 110 и 330 кВ одного из МП.

Проведено исследование статических компенсаторов прямой и косвенной компенсации, которые применяются на МП для снижения ЭМП и компенсации реактивной мощности (РМ). Установлено, что несмотря на их большую стоимость, эффективность их низка, так как они не успевают отслеживать колебания напряжения . Разработана методика расчета электромагнитной совместимости ДСП и -питающих сетей.

Разработке способов и средств обеспечения электромагнитной совместимости ЭП посвящена четвертая глава диссертации.

Мероприятия по обеспечению ЭМС электроприемников делятся на две группы.-

1) не требующие специальных устройств; •

2) требующие специальных устройств.

К мероприятиям первой группы относятся: правильный выбор типа и модности ЭП; разделение питания ЭП, создающих ЭМП и чувствительных к ЭМП; увеличение модности источников питания; применение блокировок, ограничивающих одновременное включение круп-

ных ЭП; применение сетей с уменьшенным индуктивным сопротивлением.

К мероприятиям второй группы относятся следующие устройства:' применение сдвоенных реакторов; применение параметрических фильтрокомпенсирующих и фильтросимметрируюих устройств.

Большое значение для обеспечения ЭМС ЭП имеет правильный выбор их типа. Известно, что один и тот же технологический процесс могут обеспечивать ЭП различных типов.

ЭМП, генерируемые электроприемниками, в значительной степени определяются их мощностью. Особенно большие мощности на МП имеют ДСП и РТП.

Необходимость увеличения емкости и мощности ДСП в работах института ВНШТО объясняют стремлением получить более высокие, чем существующие, технико-экономические показатели. Дальнейшее повышение -э;,'кости ДСП до 300-400 т вызовет необходимость применения для их пкта::ия напряжения 220 кВ, при этом соответственно в сотни раз повысится стоимость системы электроснабжения предприятий. Рассотрены технико-экономические показатели вариантов использования ДСП различной емкости при одинаковой годовой производительности с учетом стоимости системы электроснабжения. Определены оптимальные емкости ДСП.при выплавке стали в одной, двух, трех и более печах.

. Таблица 2

Оптимальные емкости ДСП

Годовая производительность ГГ, тыс. т/тод Оптимальная емкость ДСП

1 х ДСП 2 х ДСП 3 х ДСП

50 < П < 100 20 20 20

100 < П < 200 50 40 40

200 < П < 400 50 35 40

П = 400 100 80 50

400 < П < 800 50-80 50 - 80 50 - 80

П = 800 100 - 120 100 - 120 100

П > 800 - . 60 - 120 100

Автором бнли проанализированы емкости ЛСЛ мияи-эаводов США и их годовые производительности. Результаты анализа хорошо согласуются с результатами расчетов табл.2.

Схемные решения проблемы электромагнитной совместимости являются предпочтительными, так как не требуют больших капитальных затрат. Одним из наиболее простых схемных решений является разделение питания ЭТУ и электроприемников, чувствительных к

эмп.

Б общем виде систему электроснабжения промышленного предприятия следует рассматривать как динамическую систему, при математическом описании которой можно пользоваться аппаратом дифференциальных уравнений. Поскольку постоянные времени основных силовых элементов системы электроснабжения ССЭС) достаточно велики и их можно рассматривать как широкополосные элементы, пропускающие низкочастотные изменения огибающей напряжения практически без искажений, параметры силовик элементов д частотном спектре огибающей напряжения С0-12 Гц) можно считать постоянными, а сами элементы рассматривать как линейные.

Характер преобразования случайного процесса UjCO линейной системой с постоянными или зависящими от времени коэффициентами описывается дифференциальным уравнением

d%a) dUpCl)

a„Cl) -+ ... + а,СП —ь- + anCUU?Ct) =

n clL" 1 dt ü d

d%,U) dU<CL)

= bract) —+ ... + ь,ш —i— + ьпащш.

и dln l dt 01

Наибольший практический интерес имеет определение статистических характеристик, в первую очередь математического ожидания и среднеквадратичного отклонения случайного процесса изменения огибающей напряжения на выходе любого, элемента СЭС.' Известно, что для стационарного случайного процесса математическое ожидание инвариантно ко времени, т.е. MfUjCOl = Hg? MiUjCUJ = Hj Тогда математическое ожидание огибающей напряжения на выходе -линейного элемента будет связано с математическим ожиданием' на входе элемента Сна шинах ДСП) соотношением

н2 = КСjw) Hj, где |KCj«)| - модуль передаточной функции элемента.

Определены коэффициенты передачи всех элементов систем электроснабжения МП.

Рассмотрены специальные устройства снижения ЭМП, основанные на методе прямой и косвенной компенсации реактивной мощности. Приведены результаты обследования наиболее мощных статических компенсаторов, работающих совместно с ДСП. Показана их неэффективность, которая объясняется большим временем запаздывания в системе управления. Использование схемных решений позволяет отказаться от применения очень дорогих статических компенсаторов.

Пятая глава посвящена построению экономических характеристик электроприемников и узлов нагрузки.

Из всех показателей качества электрической энергии на работу электроприемников наибольшее влияние оказывают отклонения напряжения. Они приводят к следующим последствиям: изменение производительности механизмов, изменение удельных расходов электрической энергии, изменение срока службы основного и вспомогательного электротермического оборудования и инструмента. В ^яде случаев"большие отклонения напряжения приводят к изменению качества выпускаемой продукции.

Исследования показывают, что при расчете ущербов от откло-. нения напряжения доминирующими факторами являются: снижение производительности СДЮ и изменение потребления активной мощности (АР) или изменив удельных расходов электрической энергии (¿и).

Рассмотрены экономические характеристики электроприемников с асинхронными короткозамкнуткми электродвигателями, имеющими наиболее массовое распространение. Под экономической характеристикой электроприемника принимается зависимость (функция) разности' приведенных затрат на выпуск продукции при фактическом и номинальном напряжении. Зту разность затрат принято называть ущербом У. При отклонениях напряжения суммарный ущерб У^ складывается.из технологической Ут и электромагнитной У3 составляющих

В технологическую составляющую ущерба для электроприемников с электродвигателями входят

где Ур Yg- соответственно, ущербы от изменения производительности и брака продукции.

В электромагнитную составляющую ущерба для данных электроприемников входят- * -»

Уэ в У3 + Ч + у5 * У6 ,

где У2- ^ - соответственно, ущербы от изменения потреб-

ления активной энергии, реактивной энергии, потерь активной энергии и срока службы электродвигателей.

Проведенные исследования показывают, что при отклонениях напряжения в пределах ±15% для электроприемников с электродвигателями можно пренебречь составляющими У^ и

На рис.3 приведены зависимости изменения относительной производительности от отклонений напряжения для прокатных станов с приводами с асинхронными двигателями (кривая 1) и с приводами от двигателей постоянного тока и их преобразователями (кривая 23.

Рассмотрены методы построения экономических характеристик узлов- нагрузки. Источниками питания . всех крупных металлургических предприятий являются собственные ТЭЦ и энергосистемы. Электрическая энергия от энергосистемы подается на одно или несколько УРП. Узлами нагрузки металлургического предприятия являются шины 110 кВ УРП и ТЭЦ, шины. 10 кВ ПГВ и шины 0,4 кВ цеховых подстанций.

Доля участия каждого потребителя с модностью Р^ и экономической характеристикой составит УАМ(Рр Для всех

потребителей, подключенных к узлу .

" п" У а Г V. Р уз 1 СР1

При большом количестве различных электроприемников аналитический расчет экономических характеристик узлов нагрузки весьма трудоемок. Одним из путей решения этой проблемы является- -имитационное моделирование экономических характеристик узлов нагрузки ка ЭВМ. На рис. 4 приведены экономические характеристики МП.

Рассмотрен вопрос применения экономических характеристик для выбора средств регулирования'' напряжения. * Проведение мероприятий по . регулированию напряжения. экономически целесообразно (при условии, что соблюдаются норму ГОСТ 1310907), если эффект от регулирования напряжения Сйуэ3 будет больше, чем затраты на регулирование СЗэЗ. то есть если выполняется неравенство

МУэ > Зэ

Величина Муэ определяется как разность математических ожи даний ущербов при фактическом и оптимальном уровнях напряжения.

иУэ = йУф " МУо •

Оптимальным уровнем напряжения называется такое напряжение,

при котором математическое ожидание ущерба будет принимать минимальную величину. Поскольку отклонения напряжения изменяются по случайному закону, то следует оперировать характеристиками, этих законов.

Глава шестая посвящена нормированию расходов и экономии электроэнергии.

Правильное нормирование расходов ЭЭ по энергоемким-установкам является мощным рычагом ее экономии. Для разработки мероприятий по экономии ЭЭ необходимо установить плановые нормы ее расхода на единицу производимой продукции. Сравнение статей фактического ЭБ позволяет выяснить причины нерационального расхода ЭЭ. Сравнение нормированных ЭБ различных технологических процессов, выпускающих одинаковую продукцию с одинаковым качеством, позволяет оценить потенциальные энергозатраты и резервы, экономии.

Для оценки эффективности эксплуатируемых ДСП и построения оптимальных энергетических режимов плавки,определяющих соответствующие графики электрической нагрузки, произведен анализ структуры затрат на процесс выплавки стали с использованием электроэнергетических балансов. Оптимизация процесса плавки заключается в Еыборе режимов работы печи, позволяющих получить необходимое количество металла определенного качества за минимально возможное время с наименьшими затратами.

Энергетические затраты на выплавку стали в ДСП и соответствующий электрический режим зависят от ряда факторов, определяемых особенностями конструкции печей и технологических процессов. Особое внимание при исследований^режимов работы ДСП уделяют проблеме увеличения их производительности. Расчеты, выполненные для ДСП-150, показали,' что при организации необходимого электрического режима и повышении производительности .от 65 до 90 т/час при одинаковом тепловом состоянии печи и шихты в начале плавки энергетические КПД увеличиваются: т?э = 88,7-90,7; т)т = 62,7-70,5; п-= 59,6-63,9, Тепловое состояние футеровки печи к началу следующей плавки во многом зависит от длительности ыежплавочного

Рис.4. Экономические характеристики узлов нагрузки МП. Сномера кривых соответствуют номерам строк табл.1)

простоя. При значительном остывании футеровки требуются существенные аккумуляционные затраты энергии по ходу плавки, увеличивается время нахождения металла в печи, возрастают тепловые потеря. Расчеты показали, что при снижении начальной температуры футеровки от 1700° др 1100° и при вариации продолжительности плавки от 100 до 160 мин энергетические КПД изменяются в следующих диапазонах: щ = 88,1-93,8; т)г = 78,1-48,7; т, = 71,1-44,3. Соответствующие расчетные зависимости приведены на рис. 5, 6.

Основным методом нормирования расходов ЭЭ является расчетно-аналитический, в основе которого лежит построение нормализованных ЭБ. Нормализованный ЭБ по цеху получают суммированием аналогичных статей расходной части ЭБ, питающих ЭП линий, а ЭБ питающих линий - суммированием аналогичных статей расходной части ЭБ отдельных ЭП.

В табл. 3 приведен электрический баланс одного из металлургических заводов:

Энергетический баланс

Спо электроэнергии) предприятия

Таблица 3 металлургического

Статья ЭБ

Приход энергии из электрической сети

Расход энергии

Дуговые сталеплавильные печи Технологическое оборудование: производство окисленных окатышей металлизация окисленных окатышей насосы печи сушки бегуны, мельницы прокатные станы

прочие поточно-транспортные системы крановое оборудование Вентиляция Освещение Бытовые нужды ■ Прочее оборудование Невязка баланса

100

62,К 11.7 2,09 1,45 1,82 2,4 2,57 6,98 1,88 0,12 5,95 0,2 0,11 0,08 0,1

^^ "Л ,о .е 1.0

0,9 0,8 0,7 0,6

V

65

70

75

80

85 Q>т/ч

Рис.5. Зависимости КПД печи от ее производительности

Абсолютный и удельный расходы 33, получаемые из ЭБ цеха, соответствуют строго определенному состоянию производства и параметрам технологического процесса. При их изменении абсолютный и удельный расходы под действием объективных причин также изменяются. Провести анализ электропогребления в этом случае позволяют энергетические характеристики. Они выражают зависимость абсолютного и удельного расхода ЭЭ от того или иного показателя производства, принимаемого в качестве аргументированной величины, причем все прочие показатели считаются неизменными. Если в качестве аргументированной величины выбрать объем выпуска продукции, то практически можно зафиксировать другие параметры технологического процесса, которые будут случайным образом изменяться. Данные изменения обусловлены рядом объективных и субъективных причин. Объективные факторы - колебания количественных и качественных показателей сырья и готовой продукции, случайные отклонения от принятой технологии, изменения технического состояния оборудования и степени его загрузки, физического и морального износа. Субъективные факторы - квалификация и трудовые на-

2о

,ы>г.ч/ т

140 Ыл^ла

Ч э.о

0,91 0,90 0,89 0,88

мо°с

?<хГс

•

1 50 • И 0 Я0 1 30 14 0

ч.о.е.

140 шидо

м -о

Рис. 6, Расчетные зависимости и, т>, т)т, т?э = ГС1ПП)

пл

быки участников технологического процесса, их физические и моральные качества. В силу одновременного действия большого количества неопределенных факторов функциональная связь переходит в статическую. Описать эту статическую зависимость можно с помощью методов регрессионного анализа, т.е. представления процесса в виде математической модели, у которой зависимая переменная -случайная величина, а независимые переменные - детерминированные. В качестве зависимой переменной выступает расход ЭЭ (абсолютный или удельный). Под независимыми переменными понимается объем выпуска продукции как по всему цеху, так и по отдельным технологическим потокам, выпускающим разнородную по номенклатуре С'по электроемкости) продукцию. Для разработки данных математических моделей используются отчетные ежемесячные статистические данные по расходу ЭЭ и выпуску продукции за- 5-10 лет работы цеха. Таким образом, получаем вектор значений расхода электроэнергии * и матрицу данных обьема выпуска продукции П. Результаты ^гсследоваки& показывают, что для ЭТУ и цехов с ЭТУ можно принять линейную форгсу связи между расходом ЭЭ и объемом выпуска продукции. Таким образом, математическая модель электропотребления будет иметь следующий вид:

* = ¿0 +ДА1П1 + с- Ш

где Аф и - коэффициенты регрессионного уравнения, отн. ед.; ПА - выпуск продукции по 1-му технологическому потоку, т; е — ошибка расчета по уравнению регрессии, отн.ед.

Для величины е вводятся следующие допущения: ошибка является случайной, ее математическое ожидание равно нулю, а дисперсия - постоянной величине, последовательные значения с не зависят друг от друга.

Модель электропотребления можно записать в матричной форме 1*1 = 1<х| |А| + И, где |ч| - видоизмененная матрица |П|, в которой для получения свободного члена уравнения С1) первый столбец заполнен единицами; (А| - матрица коэффициентов уравнения регрессии.

Оценки параметров А можно получить методом наименьших квадратов по формуле А = где ч' - транспонированная матрица ч; (ц'ч)- обратная величина произведения матриц (ч'ч). При полной записи матриц ч. я'. * уравнение (6.2) будет

иметь бия

А =

Г I ... I

П11 П21 Пп1

п12 п22... П^

• » • • • •

• » • I « •

* • • » • •

П1к П2к Ппк

I пп п12 ... п1к

1 П21 П22 П2к 1 П31 П32 — П3к

» • ♦ • • • • • • • » •

1 ПШ Пп2 — Пш

I I ... Г »1 ¿0

П11 "21 ПШ *2 А1

X П12 • п22 • » 1 Пп2 ♦ *3 = А2

• * • • • * • 1 • • • • •

П1к п2к ... Ппх V "п **

Для случая парной регрессии коэффициенты определяются более простым способом:

■

¿Л'

пэ

Е сп. - шс 1=1 1 Ад ■ I - А] ¡Г .

Взаимосвязь расхода ЭЭ с выпуском продукции по различным технологическим потокам измеряется с помощью коэффициента- множественной корреляции:

Я =

1 -

¿Л

ю*

.Е -

где - предсказанное (расчетное) значение ¥ по уравнению регрессии для заданных значений выпуска продукции, когда Ад и А^ определены.

Для сравнения режима электропотребления и степени эффектиь-

ности использования энергии между различными цехами целесообразно иметь энергетическую характеристику, отражающую зависимость удельного расхода ЭЭ от объема выпуска продукции. Данная характеристика также получается методом регрессионного анализа на основе статистической информации о расходе ЭЭ и выпуске продукции за месяц. Необходимый объем статистики: 3-6 лет устойчивой работы цеха.

При построении энергетической характеристики вида ы = ГСП) также встает вопрос о выборе формы уравнения связи. Исходя из физической интерпретации удельного расхода ЭЭ наиболее приемлемыми видами зависимости являются

со = А + В /- П;

Ч,-*8; р

«уд = А + ВН + СП" ;

Ыуд = А - ВП, где А, В, С - коэффициенты уравнения регрессии. , Авторов были построены математические модели электропотреб-лекия цехов и производств, объединенных выпуском одной продукции.-

Рассмотрены основные направления экономии энергии на металлургических предприятиях.

При производстве чугуна и стали можно выделить четыре основные энергоемкие стадии:

1) добыча и переработка руды - на данной стадии расход энергии составляет 5 - Т/. от общего расхода на выпуск продукции;

с) прозводство передельного чугуна - на данной стадии раскол с-кергии составляет от 40 до 45% от общего расхода;

3) производство стали - на данной стадии расход энергии . от' 5 до 8% от общего расхода;

4) прокатное производство - на данной стадии расход энергии составляет от 40 до 50'/. от бощего расхода.

На первые две стадии идет до 50% всех энергоресурсов, потребляемых металлургическими предприятиями.

Исключение этих двух стадий позволит также получить большую экономию энергии на металлургических предприятиях РФ. Для исключения первых двух стадий производства стали, необходимо развитие системы мини-заводов, которые включают только электросталеплавильное производство к прокатное производство и работают на ло-

ме. В США в 1988 году на минизаводах выплавлялось около 20% всей стали. Эти заводы максимально приближены к потребителям продукции и имеется почти во всех штатах.

40 - 50'/, энергии потребляет прокатное производство. Поэтому следующим генеральным направлением по экономии энергии на МП, является переход к непрерывной разливке стали. Являясь разработчиком установок непрерывной разливки стали (УНРСЗ, бывший СССР в дальнейшем значительно отстал по их внедрению от ведущих стран.

Анализ- существующих технологических структур показал, что большинство мартеновских печей может быть выведено из технологического процесса и демонтированы, при этом дефицит выплавляемого металла должен восполняться увеличением производительности конвертеров и ДСП.

В конце 50х - начале 60х годов в США была сформулирована основная концепция мини-заводов. Объем производства металлопродукции должен быть не более 100 тыс. тлод. Оборудованием таких заводов являются: дуговая печь (одна или две однотипных}, работающая на ломе; обжимной стан для производства заготовок из небольших слитков или УНРС; а также стан сортовой прокатки. Основной продукцией является сортовой прокат, в некоторых случаях облегченный сортовой прокат, а также уголки и швеллеры малого размера. Рынки сбыта таких заводов находятся в радиусе 300 - 500 км. В настоящее время в США часть заводов отступили от этого положения, увеличив прежде всего объемы производства.

В России существует мощная индустрия черной металлургии с устаревшим оборудованием и крупнейшими в мире металлургическими комбинатами. Класс мини-заводов представлен следующими МП: Днепросталь, Горьковский, Электросталь, Серп и молот, Молдавский, Белорусский, Сибэлектросталь.

Отсутствие в России сети металлургических мини-заводов привело к сосредоточению материальных и энергетических ресурсов на крупных МП. Став монополистами в производстве многих видов продукции металлургические комбинаты, поднимая цены на продукцию, не заинтересованы в повышении эффективности производства. В условиях рынка единственным способом построения эффективных металлургических производств является конкуренция в однородной среде мини-заводов. Основные достоинства мини-заводов: отсутствие зг висимости потребителей металлопродукции от срывов техкологичес-

ких процессов крупных СмонополистоьЗ МП; гибкость технологии мини-заводов позволяет выпускать более широкий сортамент выпускаемой продукции; потребляя небольшую мощность Сотносительно мощности питающей энергосистемы), мини-заводы имеют значительно меньшие затраты на систему электроснабжения. Таким образом, МП с неполным циклом передела видимо будут представлять сеть мини-заводов с годовой прокзводитьльностью до 500 тыс. т , с одной или двумя ДСП емкостью до 100 т , с УНРС и различного рода прокатными станами. Появление этого класса заводов видимо будет происходить вначале на базе трубных метизных и мелких МП с однородными технологиями, а затем строительство сети мини-заводов с годовой производительностью 100 тыс. т. Это будет . самый многочисленный класс МП, который создаст существенную конкуренцию крупным МП с полным циклом передела. Расширяя первичную переработку сырья, крупные МП станут источником сырья для мини-заводов.

Наиболее перспективным технологическим процессом получения высококачественного сырья для производства стали является процесс восстановления рудного концентрата в виде окатышей, содержащих большое количество окислов железа, в газовых печах металлизации. Получаемые таким образом окатыш являются сырьем для сталеплавильного производства в дуговых печах и кислородных конвертерах. Мировое производство окатышей в 1989 году составило 233 млн.т, что соответствует 23,7'/. от мирового производства железных руд. Крупнейшими производителями окатышей являются Россия и США, которые произвели 67 и 57,3 млн.т соответственно.

С энергетической точки зрения получение стали иэ окатышей является более экономичным, так как энергия нагрева рудного концентрата Сокисленных окатышей) до. температуры 572°С, при которой происходит восстановление Ге203 до чистого железа, меньше чем энергия расплава шихты в горне доменной печи при температуре 2000°С.

Производство металлопродукции на мини-заводах ло технологии с использованием процесса восстановления железа в газовых печах позволит экономить 14 - 30'/. от энергозатрат МП с полным циклом, а по технологии с использованием лома дает экономию 43 - 49%.

Выплавка электростали на мини-заводах позволяет в наибольшей степени удовлетворить растущие требования потребителей к качеству металла и оперативно реагировать на изменения рыночной

коныжтуры. Все это свидетельствует о том, что новый для России класс МП мини-заводы с неполным циклом передела будет развиваться в условиях современной экономики.

В приложениии приведены технологические схемы основных производств МП, установленные мощности ЭП производств и отдельных крупных установок, а также документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведено теоретическое обобщение и решена крупная научная проблема разработки системного подхода к проектированию и эксплуатации систем электроснабжения МП, позволяющего повысить эффективность и качество использования электроэнергии в этой наиболее энергоемкой отрасли промышленности. При этом получены следующие научные и практические результаты;

1. Проведена классификация технологических схем всех видов существующих металлургических предприятий, что позволяет производить термодинамический анализ технологических процессов и разработать нормативы по электропотреблению, а также определить источники ЭМП.

2. Проведена классификация электроприемников металлургических предприятий по их режимам работы, определено их процентное содержание во всех цехах и производствах, что позволяет более точно выбирать методы расчета их электрических нагрузок. Теоретически обоснован метод расчета электрических нагрузок "сверху -вниз" от высших уровней системы электроснабжения к низшим, позволяющий избежать больших завышений расчетных нагрузок и снизить затраты на систему электроснабжения.

3. Исследованы индивидуальные и групповые графики нагрузки электроприемников металлургических предприятий и разработаны их математические модели. Это позволяет повысить полноту и точность исходной информации о графиках нагрузки таких специфических эяектроприемниКоь как ДСП и прокатные станы, которые являются определяющими при построении систем электроснабжения. Предлагаемые математические модели позволяют повысить точность расчета электрических нагрузок, разработать новые методы расчета электрических нагрузок, учитывающие случайный характер графиков наг-

рузки.

4. Проведено исследование динамики изменения различных показателей графиков нагрузки МП и доказано, что они не подчиняются стандартным законам распределения. Использование коэффициентов Ку, Кс, Тм, имеющихся в информационном банке "Черметэлект-ро", не позволяет существенным образом повысить точность расчетов электрических нагрузок в силу их временной неустойчивости и большого доверительного интервала. Поэтому их применение должно быть ограничено.

5. Обоснована необходимая точность расчета электрических нагрузок на различных ступенях распределения ЭЗ и разработаны новые методы расчета греющих и пиковых нагрузок для электроприемников со случайным и импульсным характером нагрузки.

6. Разработаны методы имитационного моделирования графиков нагрузки на ЭВМ, позволяющие автоматизировать трудоемкие методы расчета. В основу методов положены спектральные и корреляционные характеристики графиков нагрузки электроприемникоь со случайным и импульсным характером нагрузки.

•7. Проведено исследование ЗИП, создаваемых электроприемниками металлургических предприятий, и разработаны математические модели источников ЭМП, В основу математических моделей положен метод характеристических функций составляющих случайного процесса, позволяющий упростить вычислительный процесс расчета случайных процессов ЭМП.

8. Разработаны методы прогнозирования ЭМП, необходимые для выбора средств снижения помех. Учитывая случайный характер ЭМП, предлагаемые методы позволяют выбрать расчетный уровень помех с заданной вероятностью и длительностью. Это позволяет правильно выбрать тип устройства, снижающего помехи, его параметры и мощность.

9. Разработаны методы построения экономических характеристик электроприемников и узлов нагрузки в функции отклонений напряжения, что позволяет проводить оптимизационные расчеты по правильному выбору средств регулирования напряжения. Кроме того, правильный выбор оптимальных уровней напряжения позволяет экономить до 10 - 12 У. электроэнергии.

10. Проведено исследование динамики изменения расходов ЗЭ на выпуск основных видов продукции МП. Установлено, что они в

1,5-2 раза выше, чей в ведущих страдах (Японии, США, Германии и др.3. Предложены генеральные направления по экономии энергии это: отказ от мартеновского способа производства стали; широкое применение установок непрерывной разливки стали; развитие сети мина-заводов с двумя или тремя ДСП емкостью до 100 т и годовой производительностью до 500 тыс.т/год; расширение производства металлизованных окатышей и их широкое использование в электросталеплавильном производстве.

11. Разработаны математические модели электропотребления и методы повышения энергетических характеристик ДСП.

12. Разработана концепция выбора оптимальных мощностей ДСП и размещение компенсирующих и регулирующих устройств. Построенные зависимости свидетельствуют о том, что оптимальной емкостью ДСП при годовой производительности до 400 тыс. т/год является 25 - 50 т, при годовой производительности равной 400 тыс. т/год является 100 т, при годовой производительности от 400 до 800 тыс.т/тод оптимальны ДСП емкостью 50 г, а при годовой производительности более 800 тыс. т/год оптимальными являются ДСП 100 -150 т. Разработка ДСП. емкостью более 150 т экономически нецелесообразна.

Основное содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах:

1. Борисов Б. П. , Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б., Шидловский А. К. Повышение эффективности использования электроэнергии в системах электротехнологии. - Киев: Наукова думка, 1990. - 240 с.

2. Лоскутов А. Б.. Методы имитационного моделирования графиков нагрузки на ЭВМ - В кн.: Расчеты электрических нагрузок систем электроснабжения промышленных предприятий. / Шидловский А. К., Вагин Г, Я., Куренный Э.Г,, М:, Энергоатомиздат, 1992г. с. 148-152.

3. Лоскутов А. Б.. Оценка ЭМС имитационными методами // Электромагнитная совместимость электроприемников промышленных предприятий. / А.К.Шидловский, Б.П.Борисов, Г.Я.Вагин, Э.Г.Куренный, И. Г.Крахмалга. Киев, Наукова думка, 1992г. с. 174-178.

4. Лоскутов А. Б. Построение оптимальной магистральной цеховой сети в системе автоматизированного проектирования /V Известия ВУЗов Электромеханика, 1983, N 12. с. 60-62

5. Лоскутов А.Б.. Расчет нагрузок дуговых печей методом имитационного моделирования на ЭВМ // Расчеты электрических нагрузок систем электроснабжения промышленных предприятий. / Шидловскнй А. К. , Вагин Г. Я. , Куренный Э. Г.. - М.: Энергоатомиздат, 1991, С. 154-163.

6. Лоскутов А.Б.. Расчет нагрузок электросварочных установок методом имитационного моделирования на ЭВМ. // Расчеты электрических нагрузок систем электроснабжения промышленных предприятий. / Шидловский А. К., Вагин Г. Я., Куренный Э. Г., М.: Энергоатомиздат, 1992г. с. 160-163.

7. Лоскутов А.Б.. Схемное обеспечение ЭВМ. // Электромагнитная совместимость электроприемников промышленных предприятий. / А. К. Шидловский, Б. П. Борисов, Г. Я. Вагин, Э. Г. Куренный, И. Г. -Крахмалин. Киев, Наукова думка, 1992г. с.180-184.

8. Борисов Б. П. , Вагин Г. Я. , Лоскутов А. Б., Гардин А. И. Нормирование и экономия электрической энергии в электротехноло-

^ических установках. ИЭД АН УСССР. Препринт-528, Киев, 1987г. 43 с.

- 9. Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б. Исследование режимов работы трубоэлектросварочных станов // Промышленная энергетика, 1981, N 10, С. 28-30.

10. Вагин Г. Я., Лоскутов А.Б. Кибернетическоие моделирование цеховой сети электроснабжения // Сборник докладов Всесосз. кокф. ■■ Моделирование электроэнергетических систем. Баку, 1982, С. 172-173.

11. Вагин Г.Я., Яоскутов А.Б. Концепция управления электропотреблением энергоемких электротехнологических процессов // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1990, N 1, Том 36. с. 5057.

12. Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б. Модели индивидуальных графиков нагрузка сварочных машин у/ Известия ВУЗов Электромеханика, 1986, N 12. с. 6-9.

13. Вагин Г.Я., Лоскутов А.Б. Моделирование электрических нагрузок в промышленных сетях на ЭВМ // Сборник докладов Все-союз. конф - АНСССР, Минвуз СССР, РШ, Моделирование электроэнергетических систем, Рига, 1987г. с. 316-317.

14. Вагин Г.Я., Яоскутов А.Б. Нормирование электропотребления электросварочных машин // Сборник докладов Всесоюз. сем.:

Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в промышленности. - Ы.: МДНТП им. Ф.Э.Дзержинского, 1981г. с.112-116.

15. Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б. Применение методов статистического моделирования на ЭЦВМ для проектирования систем электроснабжения // Соорник докладов Всесоюз. сем.: Проектирование и эксплуатация систем электроснабжения промышленных предприятий. -М.: МДНТП им. Ф. Э;Дзержинского, 1984г. с. 111-116.

16. Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б. Прогнозирование электропотребления дуговых сталеплавильных печей // Сборник докладов Всесоюз. конф.: Уральский дом научно-технической пропаганды, Челябинск, 1989г. с. 106-108.

17. Вагин Г. Я. , Лоскутов А.Б. Состояние и перспектива построения систем электроснабжения с дуговыми печами // Сборник докладов Всесоюз.сем.: Энергосбережение и атоматизация проектирования электрохозяйства промышленных проедприятий. М.: МДНТП им. Ф.Э.Дзержинского, 1991г.

18. Вагин Г.Я., Лоскутов, Головкин H.H. Концепция применения мощных дуговых сталеплавильных печей на металлургических предприятиях. // Промышленная энергетика, 1990, N И, с. 19-24.

19. Вагин Г.Я., Лоскутов A.B., Редькин Е.В. Динамическое моделирование узлов электрической нагрузки с ДСП // Сб. науч. тр. Оптимизация систем питания и электрооборудования электротехнологических установок: - Киев: Ин-т электродинамики АН УССР, 1989, с. 9-16.

20. Вагин Г.Я., Лоскутов А.Б., Редькин Е.В. Имитационное моделирование электрических нагрузок дуговых сталеплавильных печей на ЭВМ. // Известия ВУЗов. Электромеханика, 1988, N 9, с. -27-31.

21. Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б., Редькин Е. В. Исследование энергетических балансов крупных дуговых сталеплавильных печей // Сборник докладов Всесоюз. сем. Научно-технический прогресс в отраслях топливно-энергетического комплекса. - М.: МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского, 1388, с. 18-21.

22. Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б.. Редькин Е. В. Расчет доз колебаний напряжения от дуговых сталеплавильных печей. // Промышленная энергетика, 1993, N2, с. 44-47.

23. Вагин Г. Я,, Лоскутов А. Б., Редькин Е. В. Нормирование и

прогнозирование расходов электрической энергии металлургическими заводами // Сборник докладов Всесоюз. сем. Совершенствование нормирования и регулирования энергопотребления в промышленности. - М.; МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского, 1987, с. 27-32.

24. Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б. , Редькин Е. В. Определение электрических нагрузок крупных сталеплавильных цехов с ДСП // Тезисы докладов XI Всесоюзного научного семинара Кибернетика электрических систем. - Абакан, 1989, с. 6-7.

25. Вагин Г. Я., Доскутов А. Б., Шалаев С. А. План ГОЭЛРО и развитие топливно-энергетического комплекса страны Сдискуссия по статье д. т.н. Б.И. Кудрина)//Промышленная энергетика, 1993, N12.

26. Вагин Г.Я., Лоскутов А.Б., Соснина E.H., Шалаев С.А. Исследование динамики изменения показателей нагрузок металлургических предприятий. // Известия ВУЗов Электромеханика, 1993, Н 6. с. 42-44.

27. Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б., Гардин А. И. , Котельников О.И. Удельные расходы электрической энергии на электроплавильных

''печах в машиностроении // Сборник докладов Всесоюз. сем.: Рациональное использование электроэнергии. Н.: МДНТП им. Ф.Э.Дзержинского, 1978г. с. 93-99.

28. Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б. , Кудрин Б. И., Соснина Е. Н. Расчет электрических нагрузок предприятий черной металлургии // Сборник докладов Всесоюз. сем.: Электрические нагрузки и электропотребление в новых условиях хозяйствования. М.: МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского. 1989г.

29. Лоскутов А.Б., Редькин Е. В. Анализ однородности электроприемников металлургических заводов // Тезисы докладов Электропривод и автоматизация промышленных установок. - Горький: ГПИ им. А. А.Жданова, 1987, С. 177-180.