автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение энергоэффективности систем электроснабжения сталеплавильных производств обеспечением рациональных электрических режимов основных технологических агрегатов

На правах рукописи

Ищенко Андрей Евгеньевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЕМ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 п НА1"! ¿013

Липецк-2013

005059068

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Шпиганович Александр Николаевич.

Официальные оппоненты:

Качанов Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электрооборудование и энергосбережение» ФБГОУ ВПО «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» (г. Орёл);

Плащанский Леонид Александрович, кандидат технических наук, профессор кафедры электрификации и энергоэффективности горных предприятий ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет».

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Тульский государственный университет.

Защита диссертации состоится «31» мая 2013 года в 1200 на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г.Липецк, ул. Московская 30, административный корпус, ауд. 601.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».

Автореферат разослан «22» апреля 2013 г. Ученый секретарь

т

>

диссертационного совета

В.И. Бойчевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных электросталеплавильных и конверторных цехах все большее распространение получают агрегаты «печь-ковш» (АПК), предназначенные для доводки химического состава и температуры стали, выпущенной из дуговой сталеплавильной печи (ДСП) или конвертора. По своему характеру АПК является неспокойной нагрузкой, вызывающей колебания и отклонения, несимметрию и несинусоидальность напряжения, которые, несмотря на то, что выражены менее значительно, чем у ДСП, оказывают негативные влияния на системы электроснабжения (СЭС) сталеплавильных производств особенно при недостаточной их мощности. Другим негативным фактором является низкий коэффициент мощности АПК, сохраняющийся на всех стадиях плавки, поскольку он работает с «короткой» дугой и простое увеличение ее длины невозможно по соображениям технологии и стойкости самого агрегата. Для борьбы с указанными явлениями принимаются меры, разработанные для СЭС с ДСП. Если в отношении показателей качества электроэнергии они вполне обоснованы, то в части потребления АПК избыточной реактивной мощности не вполне эффективны. Снизить ее можно не только путем применения компенсирующих устройств, но и за счет организации рационального режима работы. При этом, помимо электрических показателей, необходимо учитывать также и технологические: расход шлакообразующих, износ футеровки, скорость нагрева металла. В настоящее время данный подход проработан недостаточно, хотя и является перспективным, поскольку для его реализации необходимо только создание соответствующего алгоритма работы регулятора мощности АПК. Таким образом, решение задачи повышения коэффициента мощности АПК путем выбора рационального электрического и технологического режима работы является актуальным и своевременным.

Цель работы заключается в организации рациональных электрических режимов работы АПК посредством определения и поддержания по ходу плавки значений тока электрода, напряжения дуги и толщины слоя шлака, при которых достигается наименьшее потребление электроэнергии с наибольшей скоростью нагрева металла; разработке алгоритма управления фильтрокомпенсирующим устройством (ФКУ), обеспечивающим рациональный режим и минимизацию коэффициента несинусоидальности питающего напряжения.

Идея работы состоит в решении системы дифференциальных уравнений теплового баланса АПК с целью определения рациональных величин тока электрода, напряжения дуги и толщины слоя шлака с последующей их коррекцией

по ходу плавки путем поддержания максимума коэффициента интенсивности нагрева металла (кин); управлении ФКУ на основании предварительного моделирования показателей качества электроэнергии (ПКЭЭ) в зависимости от различных способов включения его секций.

Научная новизна работы состоит в разработанной математическая модели функционирования АПК, отличающейся от существующих тем, что для описания теплового баланса используются не алгебраические уравнения в конечных приращениях, а система дифференциальных уравнений, которая с большей точностью устанавливает связь между электрическими и тепловыми характеристиками агрегата; предложенной формуле определения кин, учитывающей протекание тока через слой рафинировочного шлака, и разработке рекомендаций для применения этого показателя с целью минимизации расхода электроэнергии, повышения коэффициента мощности, увеличения скорости нагрева металла; созданном для инженерных расчетов электрических режимов АПК методе круговых диаграмм, отличающимся от существующих возможностью построения на одной диаграмме годографов токов электрода и дуги для разных значений сопротивления слоя рафинировочного шлака; разработанном алгоритме работы регулятора мощности, отличающемся от существующих периодической коррекцией в течение плавки тока электрода и напряжения дуги, основанной на поддержании максимума кШ1, определяемого с помощью предложенной уточненной формулы; разработанном алгоритме управления ФКУ, отличающимся от существующих выбором числа и мощности включаемых секций ФКУ на основании предварительной оценки потребляемой агрегатом реактивной мощности и предварительного моделирования ПКЭЭ в зависимости от различных способов включения ее секций.

Практическая ценность состоит в том, что разработанные алгоритмы и способы управления агрегатом позволяют снизить потребление активной и реактивной электроэнергии, уменьшить потери мощности, организовать рациональный режим напряжения в питающей системе электроснабжения, повысить производительность агрегата.

Методы и объекты исследования. В ходе работы применялись методы математической статистики и дифференциальных уравнений в частных производных. Объекты исследования: система электроснабжения сталеплавильного производства; электрическая часть АПК. Предмет исследования: электрические и тепловые режимы АПК; режим напряжения в исследуемой СЭС. Анализу и обработке подвергались данные функционирования СЭС печного отделения Кон-

верторного цеха №2 (КЦ-2) ОАО «НЛМК» с двумя 330 тонными АПК с трансформаторами мощностью 45 МВА.

Достоверность результатов и выводов подтверждена формулировкой задач исследования, сделанной исходя из всестороннего анализа опыта эксплуатации; предварительной выборкой данных, полученных в реальных производственных условиях с помощью современных измерительных приборов; удовлетворительным совпадением результатов проверочных расчетов существующих режимов работы АПК с применением разработанной математической модели с данными, полученными непосредственно при работе агрегата.

Реализация работы. Результаты работы использованы в качестве рекомендаций к инструкции по эксплуатации агрегатов «печь-ковш» КЦ-2 ОАО «НЛМК» по организации рационального электрического и теплового режима АПК, основанного на определении и поддержании с периодической коррекцией рациональных значений тока электрода и напряжения дуги. Способ анализа электрических и тепловых режимов работы АПК при помощи системы дифференциальных уравнений и инженерный метод расчета электрических режимов АПК при помощи круговых диаграмм использованы в КЦ-2 в качестве дополнения к существующим способам расчета электрических и технологических режимов АПК. Ожидаемый экономический эффект составит 370,6 тысяч рублей в год для двух 330 тонных АПК Конверторного цеха №2 ОАО «НЛМК».

На защиту выносится:

- Математическая модель функционирования электрической и тепловой части агрегата «печь-ковш»;

- Способ построения и анализа электрических характеристик АПК с учетом ответвления части тока электрода в проводящий рафинировочный шлак;

- Способ анализа работы электрической части АПК при помощи круговых диаграмм, учитывающий одновременное изменение тока электрода и сопротивления проводящего слоя рафинировочного шлака;

- Метод построения рациональных электрических режимов работы АПК с помощью совместного анализа системы дифференциальных уравнений теплового баланса и изменения коэффициента интенсивности нагрева металла, определяемого с помощью предложенного в работе выражения;

- Алгоритм организации управления ФКУ путем предварительной оценки ПКЭЭ в зависимости от числа и сочетания включаемых в работу секций ФКУ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 10-й Международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение XXI век», г. Орёл; Областной научной конфе-

ренции по проблемам технических наук, г. Липецк.

Публикации. Опубликовано 7 работ, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и двух приложений. Общий объем работы 161 е., в том числе 140 с. основного текста, 33 рисунка, 22 таблицы, библиографический список литературы 114 наименований на 10 с. и 2 приложения на 11 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель, раскрыта научная новизна, практическая ценность результатов исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе: проведен информационный анализ публикаций, посвященных исследованиям негативного влияния электропечных агрегатов на системы электроснабжения. Помимо нарушения ПКЭЭ, о чем было сказано выше, оно выражается в загрузке элементов СЭС значительным реактивным током, что приводит к повышенным затратам на их эксплуатацию. Это явление у ДСП и АПК имеет в целом схожие причины, однако последним присущ ряд специфических особенностей. По требованиям технологии возникает необходимость в экранировании металла толстым слоем рафинировочного шлака, обладающего низким сопротивлением, что в совокупности с отсутствием электромагнитного перемешивания металла приводит к образованию устойчивого контакта между электродом и шлаком, вызывая ответвление в него части вводимой в агрегат активной мощности, расходуемой на его резистивный нагрев.

В специальной литературе рассматриваемое явление описано недостаточно, не указано, как именно величина тока, замыкающегося через шлак, зависит от его толщины, температуры, химического состава. Рациональный электрический режим при этом рекомендуется организовывать из условия излучения дугами максимальной мощности, что некорректно по двум соображениям: при этом не достигается наибольшее усвоение их энергии металлом; не учитывается упомянутое перераспределение вводимой в агрегат активной мощности. В результате наблюдается пониженный коэффициент мощности и повышенный расход электроэнергии.

Выполненный анализ позволил сформулировать и решить следующие задачи:

- классификация факторов, оказывающих негативное влияние на СЭС

сталеплавильных производств с АПК и технологические параметры самих агрегатов;

- построение математической модели СЭС сталеплавильных производств с электропечными установками как потребителями активной и реактивной мощности, а также с точки зрения достижения ими рациональных производственных характеристик (увеличение скорости нагрева металла при сохранении умеренного воздействия дуг на футеровку ковша и крышки);

- выявление зависимости потребляемой АПК реактивной мощности, скорости нагрева металла от тока электрода, параметров дуги и степени экранирования ее шлаком;

- создание универсальной методики определения и поддержания рационального соотношения между электрическими и технологическими показателями работы АПК;

- построение алгоритма управления ФКУ в составе СЭС сталеплавильных производств, исходя из анализа гармонического состава токов и напряжений электропечной нагрузки и величины потребляемой ей реактивной мощности;

- сравнение технико-экономических показателей работы системы электроснабжения при существующих и предложенных режимах работы агрегатов «печь-ковш» и фильтрокомпенсирующих устройств.

Во второй главе выполнен анализ процессов, происходящих как в СЭС с АПК, так и в самих агрегатах. Незначительные (в пределах требований ГОСТ Р 54149-2010) несинусоидальность и несимметрия токов и напряжений в системе электроснабжения с АПК дали возможность представить его электрическую часть схемой замещения, приведенной на рисунке 1. Анализ вторичных токов и напряжений агрегата выявил зависимость реактивного сопротивления печного контура X, от тока электрода 1э и ступени трансформации, которая для удобства дальнейших расчетов была представлена интерполяционным многочленом Лагранжа как функция вида Х1 = Ди'с;1э).

Для определения зависимости скорости нагрева металла V,, от электрических параметров работы АПК был использован коэффициент интенсивности нагрева металла ки н, величина которого пропорциональна ун .

и ьш[л/и'с2-(ГзХ^У-ЬяЛг .__ъ

^Ш.У.УД.

где Ьш - толщина слоя шлака; Ц^ - напряжение питающей сети, приведенное к вторичному напряжению печного трансформатора; Хг - сопротивления печного контура; 11шуду - удельное сопротивление слоя шлака единичной толщины. В порядке сопоставления электрических и технологических параметров плавки на рисунке 2 представлены зависимости потребляемой АПК из сети активной и реактивной мощности от коэффициента интенсивности нагрева ме-

талла.

Рисунок 1. Схема замещения электрической части агрегата «печь-ковш»

Рс,МВт 4 <Зс,МВАр

200 300 400 500 600 ' V,.

МВт-кА

Рисунок 2. Зависимости электрических параметров работы АПК от ки н

Для анализа электрических и тепловых процессов в агрегате необходимо определение сопротивления слоя рафинировочного шлака в ковше. Оно зависит

: «ме-

ог формы проводящей среды (геометрические размеры ковша на границе талл-шлак»; расположение электродов и их диаметр) и удельного сопротивления самого вещества, являющегося функцией своей температуры и химического состава. Исходя из этого, удельное сопротивление слоя шлака было представлено выражением

КШ.уду -т-е-рц

(2)

где к0 - коэффициент формы проводящей среды, предназначенный для перевода удельного сопротивления слоя шлака рш в фактическое; ш и е - поправочные коэффициенты, учитывающие «выдувание» шлака в зоне горения дуги.

Для определения коэффициента к,„ проводящий слой шлака был разбит на 3 одинаковых участка, каждый из которых находится под одним из трех межэлектродных напряжений. Во избежание необходимости моделирования поведения вектора плотности тока ] в шлаке, каждый из трех участков был аппроксимирован подобной элементарной геометрической фигурой (сектор пустотелого цилиндра), где «контактами» выступают цилиндрические поверхности.

, _2-1П(11Э2/11э,)

Ф 3^ ' О)

где И.,,, КЭ2, фэ радиусы и угол раствора сектора аппроксимационной фигуры.

Для обоснования применения кин с целью определения параметров наилучшего электрического режима был проведен анализ тепловой работы АПК. Поскольку мощности, выделяемые в дуге и шлаке, непрерывно изменяются, были применены уравнения теплового баланса записанные не в конечных, а в элементарных приращениях, ставшие, таким образом, не алгебраическими, а дифференциальными.

<К?д.м +с1(1ПСт +с1(1ПЛп); )

^дш =к(сК2ш +сКЗмт„„ +с10„Кп +сК2пг +сЮ,1П),| (4)

где ад, дифференциалы: с!<Зл м - теплоты, выделяемой дугой в пределах металла; ^^м.тепл - теплоты, предаваемой металлу шлаком; с1С>м - теплосодержания

металла; <К2ДШ - теплоты, выделяемой дугой в пределах шлака; <1(2ШРез - теплоты, выделяемой в шлаке за счет резистивного нагрева; сКЗш - теплосодержания шлака; «К2ПДн, с!С>ПСг, с1<ЗПКр - потерь тепла конвекцией и излучением через днище, стенки, крышку ковша соответственно; <1<3ПГ, dQпв- потерь тепла с отходящими газами и охлаждающей водой; к - коэффициент, определяющий долю теплоты, обусловленной электрическим нагревом, в общем количестве теплоты, получаемом металлом и шлаком.

Указанные в системе (4) дифференциалы были найдены по частным производным уравнений количества теплоты по времени плавки. Ее решением являются зависимости температуры металла и шлака от своего начального значения, времени плавки, тока электрода, толщины слоя шлака.

Для инженерных расчетов электрических режимов без учета зависимости сопротивления печного контура от тока электрода и сопротивления шлака от температуры был предложен метод с использованием круговых диаграмм. На основании того, что напряжение дуги при сохранении условий для ее горения зависит только от тока электрода и не зависит от того, какая его часть ответвляется в шлак, было показано, что центры годографов токов электрода 1э и дуги 1Д лежат на перпендикуляре к вектору тока эксплуатационного короткого замыкания 1к , причем расстояние между ними прямо пропорционально проводимости слоя шлака ; годограф напряжения шунтированной и нешунтирован-ной дуги ид будет общим, при этом с изменением сопротивления шлака будет изменяться только его рабочий участок. Разработанный метод позволяет, не меняя параметров схемы замещения, строить на одной диаграмме годографы токов и напряжений для разных значений сопротивления слоя шлака.

Для СЭС, имеющей в своем составе АПК, разработан способ расчета коэффициента несинусоидальности и величины напряжения в ее узловых точках. АПК, являющиеся источником токов высших гармоник, представлены в схеме замещения источниками тока соответствующей гармоники, величины которых определяется результатами измерений в рассматриваемой СЭС. Расчет ведется методом наложения токов и напряжений 1-13 гармоник. При построении схемы замещения учтено наличие в СЭС ФКУ и различных вариантов включения входящих в его состав секций.

В третьей главе описан алгоритм работы регулятора мощности АПК и проведено сравнение параметров существующего и предложенного режимов работы агрегата. Параметром регулирования рассматриваемых АПК выступает диффе-

ренциальная величина А. Регулирование при этом ведется из условия А —> 0.

А = Юд-с1э, (5)

где Ь и с - постоянные коэффициенты.

У рассматриваемых агрегатов на всех ступенях напряжения значения и

Д '

1Э, Ь и с являются постоянными и выбраны по усредненным показателям их работы. Выше показано, что при поддержании постоянными тока электрода и напряжения дуги, активная мощность, вводимая в ковш, не остается таковой, поскольку ее распределение между дугой и шлаком непрерывно изменяется, что приводит к несоответствию постоянных значений ид, 1э, Ь и с рациональному режиму работы агрегата. Исходя из этого, был предложен алгоритм работы регулятора мощности, при котором данные параметры корректируются в течение плавки с определенной периодичностью. Перед началом плавки в вычислительное устройство для двух ступеней трансформации, на которых достигаются наиболее близкие к требуемой скорости нагрева металла, вводятся параметры схемы замещения электрической части АПК, начальные температуры металла и шлака. Решением системы (4) для двух выбранных ступеней напряжения определяются такие значения 1э и Ьш, при которых скорость нагрева металла оказывается максимальной, из них выбирается та, на которой ун будет наибольшей. По найденному значению 1э определяется ид и коэффициенты Ь и с; подается команда на начало плавки. По истечении заданного интервала времени тпер с момента начала плавки выполняется корректировка уставок регулятора

мощности. Решение системы (4) при этом не используется, поскольку при его составлении были введены допущения о постоянстве мощности теплопотерь, несколько снижающие точность определения рационального значения 1э. Значения 1э, ид, Ь и с рассчитываются исходя из условия достижения максимума кин, при определении которого введенные допущения не имеют значения, и принимаются как новая уставка регулятора мощности. Их периодическая коррекция повторно выполняется до тех пор, пока не будет достигнута требуемая температура металла, после чего подается команда на окончание плавки. Описанный алгоритм в виде функциональных блоков представлен на рисунке 3.

Затем были осуществлены проверка точности математической модели и оценка эффективности предложенного алгоритма работы регулятора мощности.

к

Ввод величин, зависящих от параметров плавки

УНТрс6' *пер> X, 1Мз

I

Замер температуры металла ч и

7

шлакооборазующих и присадок при вводе в ковш

Некорректное задание начальных условий

Расчет рациональных значений 1эи И для I и ¡+1 ступеней трансформации

Нет Нет

Г ^ Да

По усмотрению оператора: задать ВУ более низкую скорость нагрева; или вести расчет толщины шлака при номинальном токе 1-й (¡+1) ступени

Г^у >у~~"^>Нет Н.р *Н.|+1 — Да|а) По усмотрению оператора: повысить ступень регулирования напряжения; или работать на заданной заранее

Ввод требуемой массы шлакообразующих шшк

Расчет напряжения дуги ид| и коэффициента регулятора мощности к2. -1 -

Расчет напряжения дуги и коэффициента регулятора мощности к,.

У

Перевести ПБВ (РПН) на нужную (¡; ¡+1) ступень регулирования и начать плавку

Замеры температуры шлака, металла, толщины шлака по ходу плавки Ч,,,,, ;ЧМП; Ь„1П_

Расчет тока, соответствующего максимуму ки н, напряжения дуги ид | и коэффициента регулятора мощности к.

I Продолжить плавку

Ксли нет необходимости выдерживать металл при заданной температуре или проводить дальнейшую обработку, - окончить плавку.

Рисунок 3. Алгоритм работы регулятора мощности АПК

Точность описания тепловой работы АПК системой (4) была проведена сопоставлением вычисленной и наблюдаемой средней скорости нагрева металла на каждой ступени трансформации, средняя погрешность при этом составила 3,24 %. После чего была подтверждена правомерность применения ки н для максимизации скорости нагрева металла. С этой целью для токов, равных 85-г 115% значения, соответствующего максимуму кин при постоянной толщине слоя шлака, с помощью системы (4) согласно выражению (6) была вычислена скорость нагрева металла, при этом максимуму ки н соответствовали максимальные значения V...

_ ^М.Зад ^аы

(6)

где \ ь > \ м - заданная и начальная температура металла; т - время плавки.

На рисунке 4 представлены зависимости скорости нагрева металла и шлака при 1Э и Ьш, соответствующих средним эмпирическим значениям (кривые б) и г)), и значениям, полученным решением системы (4), соответствующим максимуму V,, на 1-й ступени трансформации (кривые а) и в)). В таблице 1 представлено сравнение результатов математического моделирования предложенных режимов работы рассматриваемых АПК с эмпирическими данными для 1-3 ступеней трансформации. Применение предложенного алгоритма работы регулятора мощности на более высоких ступенях трансформации невозможно для рассматриваемых агрегатов из-за того, что максимуму кин соответствуют токи электрода, превышающие допустимые для них значения.

Таблица 1. Сравнение существующего и предлагаемого режимов работа АПК

№ ступени трансформации Перв ток фор.\ ичный трансштора, А Потребляемая активная мощность, МВт Потребляемая реактивная мощность, МВАр Скорость нагрева ун , ° С / мин Коэффициент мощности СОЗфс

сущ. предо. сущ. предл. сущ. предл. сущ. предл. сущ. предл.

1 566 539 18,7 19,0 28,7 26,6 1,52 1,60 0,546 0,581

2 584 574 20,19 20,32 29,1 28,3 1,69 1,77 0,570 0,583

3 607 625 21,87 21,71 29,6 31,1 1,86 1,96 0,594 0,573

По результатам оценки применения алгоритма работы регулятора мощности АПК была подтверждена необходимость в разработке алгоритма управления ФКУ, поскольку наблюдаемое снижение потребления реактивной мощности оказалось недостаточным для отказа от ее компенсации, а при перерывах в работе АПК наблюдается значительное превышение напряжения в рассматриваемой СЭС. Согласно разработанному алгоритму управления ФКУ выбор числа его секций основан на прогнозируемой величине потребления АПК реактивной мощности с последующей коррекцией по ее фактическому потреблению, а варианты включения этих секций определяются из предварительного анализа гармонического состава напряжений в узловых точках СЭС при всех возможных способах их включения. По истечении заранее заданного времени выполЕшегся периодическая коррекция числа и способа включения секций управляемого ФКУ.

Рисунок 4. Зависимость температуры металла Чм и шлака Чш от времени плавки

В четвертой главе выполнена оценка экономической эффективности внедрения рационального электрического режима работы АПК. При сохранении неизменным объема обрабатываемого металла изменится время его обработки, которое будет сокращаться обратно пропорционально скорости нагрева металла:

V • т

_ Н.гсущ. I .сущ.

¡-прей. > (/)

Н.гпредл.

где т,прса, . ^н.гпредл.' Т| сущ. > Ун I сущ " времена работы агрегата и скорости нагрева металла, при работе АПК на ¡-й ступени трансформации в предлагаемом и существующем режимах соответственно. Результаты расчета времени работы

АПК в существующем и предлагаемом режимах представлены в таблице 2.

По вычисленному времени обработки металла и найденным в третьей главе средним величинам потребляемой активной и реактивной мощности за плавку на каждой ступени трансформации определяется количество активной и реактивной энергии, потребляемой агрегатом за год:

\у =УР -т

А. АПК-330.. предл. ¿—м 1.предл. ¡.предл.

Р. АПК-330..предл. ¿.предл. предл.

(8)

где Р , О

^ 1 .предл. '

активная и реактивная мощности, потребляемые агрегатом в

предложенном режиме работы на 1-й ступени трансформации.

Таблица 2. Время работы АПК в существующем и предлагаемом режимах работы

№ ступени трансформации 1 2 3

^ суи,.. час/год АПК №1 47,7 59,7 67,6

АПК №2 42,2 60,3 72,1

час/год АПК №1 45,3 57,0 64,2

АПК №2 40,1 57,6 68,4

Поскольку при внедрении описанного выше режима работы АПК потребляемые им среднегодовые активная и реактивная мощности снизились, уменьшились и потери в питающей энергосистеме, которые были определены согласно известным выражениям. Таким образом, экономия достигается за счет снижения потребления электроэнергии самим агрегатом и за счет уменьшения вызванных этим потерь мощности в питающей СЭС. Для двух 330 тонных АПК КЦ-2 ОАО «НЛМК» она составит 335356 кВт-ч и 651223 кВАр-ч в год.

Для оценки эффективности предложенного алгоритма управления ФКУ были проведены расчеты величины напряжения на шинах, от которых получают питание рассматриваемые АПК, при различном числе и комбинации включении его секций. Установлено, что при его внедрении отклонения указанного напряжения не будет превышать допустимых согласно ГОСТ Р 54149-2010 значений. Для минимизации коэффициента несинусоидальности напряжения установлена необходимость включения секций ФКУ, настроенных на гармоники с наименьшими номерами, при этом их число определяется величиной потребляемой АПК реактивной мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи по снижению влияния мощной электропечной нагрузки на СЭС сталеплавильных производств путем повышения ее коэффициента мощности, минимизации потребления активной электроэнергии и внедрения управления ФКУ на основе прогнозирования величины и коэффициента несинусоидальности напряжения в них. Основные научно-практические результаты сводятся к следующему:

1. Классифицированы факторы, ухудшающие показатели качества электроэнергии в рассматриваемых СЭС, которые могут поддерживаться на приемлемом уровне при достаточной их мощности, симметрировании короткой сети, применении компенсирующих и фильтрующих устройств. Однако актуальной остается проблема потребления АПК значительной реактивной энергии, которую в подавляющем большинстве случаев пытаются решать применением внешних устройств, что не всегда эффективно и экономически обосновано.

2. Предложена математическая модель систем электроснабжения сталеплавильных производств, за основу которой взято описание электропечной нагрузки системой нелинейных дифференциальных уравнений теплового баланса с исследованием кин как интегрального показателя, определяющего связь между электрическим и тепловым режимом работы АПК. Разработан инженерный метод анализа электрических режимов работы АПК с помощью круговых диаграмм, учитывающий одновременное изменение тока электрода и сопротивления слоя рафинировочного шлака.

3. Выявлены и построены зависимости потребляемой активной и реактивной мощности, коэффициента мощности, скорости нагрева металла от кин как величины, объединяющей электрические и технологические параметры АПК.

4. Разработан алгоритм работы регулятора мощности АПК, основанный на определении рациональной величины тока электрода и толщины слоя рафинировочного шлака с последующей коррекцией величины тока электрода путем поддержания максимума кин .

5. Разработан алгоритм управления фильтрокомпенсирующими устройствами, исходя из анализа гармонического состава токов и величины реактивной мощности, потребляемой как одиночным АПК, так и их группой.

6. В ходе проведенной технико-экономической оценки мероприятий по организации рациональных рабочих режимов АПК установлено, что на низких

(1-3) ступенях трансформации наблюдается снижение потребления активной и реактивной электроэнергии на 4,64% и 5,57% соответственно; скорость нагрева металла и коэффициент мощности увеличились на 5,12% и 4,35% соответственно, что составляет экономию электроэнергии на 370652,22 рублей в год для двух 330 тонных АПК Конверторного цеха №2 ОАО «HJIMK». Сделано заключение о большей эффективности внедрения предложенных мероприятий по организации рациональных рабочих режимов на высокоимпедансных ДСП и АПК, а также агрегатах, имеющих более низкие ступени трансформации. При этом максимум кин смещается в сторону меньших значений токов электрода, соответственно возрастает число ступеней регулирования напряжения, где он не будет превышать максимально допустимого для них значения.

Работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Шпиганович А.Н., Зацепин Е.П., Ищенко Л.Е. Выбор оптимального электрического режима электропечных агрегатов путем уточненного определения интегральных параметров их работы II Вести высших учебных заведений Черноземья. - Липецк: ЛГТУ, 2012. №3. С. 29-33.

2. Шпиганович А.Н., Зацепин Е.П., Ищенко А.Е. Инженерный способ определения электрического сопротивления шлака в дуговых электропечных агрегатах // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск: НГАВТ, 2012. №2. С. 279 -283.

3. Шпиганович А.Н., Зацепин Е.П., Ищенко А.Е. Построение и анализ электрических характеристик агрегата «печь-ковш» с учетом специфических особенностей его работы // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2012. №6-2. С. 29-34.

4. Шпиганович А.Н., Зацепин Е.П., Ищенко А.Е. Обеспечение рациональных электрических и тепловых режимов электропечных агрегатов организацией наилучшего алгоритма работы регулятора мощности // Фундаментальные проблемы техники и технологии. - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2013. №1. С. 3-6.

5. Шпиганович А.Н., Ищенко А.Е. Анализ работы электрической части электропечных агрегатов при помощи круговых диаграмм // Энерго- и ресурсосбережение XXI век. Материалы десятой международной научно-практической интернет-конференции. - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2012. С. 135-140.

6. Шпиганович А.Н., Ищенко А.Е. Особенности применения коэффициента интенсивности нагрева металла для обеспечения оптимального режима работы электропечных агрегатов // Успехи современного естествознания. 2013. №1. С. 137-141.

7. Шпиганович А.Н., Ищенко А.Е. Способ анализа эксплуатационных параметров электропечных агрегатов при недостатке эмпирических данных об их работе // Вестник ЛГТУ. - Липецк: ЛГТУ, 2013. №1. С. 30-36.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в следующем: в [1] предложена уточненная формула для определения коэффициента интенсивности нагрева металла; в [2] обосновано представление слоя рафинировочного шлака сложной формы элементарной геометрической фигурой; в [3] построена схема замещения электрической части АПК учетом ответвления части тока электрода в шлак; в [4] разработана схема алгоритма работы регулятора мощности и проведено моделирование ее работы; в [5] доказана возможность использования перпендикуляра к вектору тока 1к в качестве линии переменного параметра для проводимости шлака в [6] разработан метод определения скорости нагрева металла путем анализа системы дифференциальных уравнений теплового баланса электропечного агрегата; в [7] обоснована возможность построения зависимости сопротивления печного контура от тока электрода и вторичного напряжения печного трансформатора путем пересчета зависимости сопротивления короткой сети от коэффициента мощности электропечного агрегата.

Подписано в печать 17.04.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 130 экз. Заказ № 262. Издательство Липецкого государственного технического университета. Полиграфическое подразделение Издательства ЛГТУ. 398600 Липецк, ул. Московская, 30.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201358176

Ищенко Андрей Евгеньевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРрИЗВОДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЕМ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

АГРЕГАТОВ

Специальность: 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор А.Н. Шпиганович

Липецк - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...............................................................................8

1Л Обзор литературных источников..........................................................8

1.2 Задачи исследования.........................................................................27

2 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С АГРЕГАТАМИ «ПЕЧЬ-КОВШ».......................29

2.1 Анализ электрической части агрегата «печь-ковш» с учетом

зависимости сопротивления короткой сети от тока в ней............................34

2.2 Анализ электрической части агрегата «печь-ковш» без учета зависимости сопротивления короткой сети от тока в ней............................49

2.3 Исследование зависимости сопротивления слоя рафинировочного

шлака от его физических и химических параметров..................................58

2.4 Анализ тепловой работы агрегата «печь-ковш».......................................74

2.5 Анализ распределения реактивной мощности и высших гармоник

в системе электроснабжения сталеплавильного производства.....................83

3 ПОСТРОЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С АГРЕГАТАМИ «ПЕЧЬ-КОВШ»............................................................91

3.1 Построение алгоритма работы регулятора мощности агрегата

«печь-ковш»..................................................................................91

3.2/Анализ внедрения алгоритма управления регулятором мощности

агрегата «печь-ковш».....................................................................103

3.3 Построение алгоритма управления фильтрокомпенсирующими

устройствами................................................................................122

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЦИОНАЛЬНОГО РЕЖИМА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С АГРЕГАТАМИ «ПЕЧЬ-КОВШ».....................127

4.1 Анализ экономической эффективности рационального режима работы

агрегатов «печь-ковш»....................................................................127

4.2 Оценка эффективности алгоритма управления

' фильтрокомпенсирующими устройствами...........................................136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................139

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Электрические характеристики агрегата «печь-ковш»

Конверторного цеха №2 ОАО «НЛМК»...................................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Акт внедрения результатов диссертационной работы в производственный процесс Конверторного цеха №2 ОАО «НЛМК»...............159

?

Цель работы состоит в: ; - организации рациональных электрических режимов работы АПК посредством определения и поддержания по ходу плавки значений тока электрода, напряжения дуги и толщины слоя шлака, при которых достигается наименьшее потребление электроэнергии с наибольшей скоростью нагрева металла;

- разработке алгоритма управления фильтрокомпенсирующим устройством (ФКУ), обеспечивающего рациональный режим и минимизацию коэффициента несинусоидальности питающего напряжения.

Идея работы состоит в:

- решении системы дифференциальных уравнений теплового баланса АПК с целью определения рациональных величин тока электрода, напряжения дуги и толщины слоя шлака с последующей их коррекцией по ходу плавки путем поддержания максимума коэффициента интенсивности нагрева металла (кин);

- управлении ФКУ на основании предварительного моделирования показателей качества электроэнергии (ПКЭЭ) в зависимости от различных способов включения его секций.

Научная новизна работы состоит в:

- разработанной математическая модели функционирования АПК, отличающейся от существующих тем, что для описания теплового баланса используются не алгебраические уравнения в конечных приращениях, а система дифференциальных уравнений, которая с большей точностью устанавливает связь между электрическими и тепловыми характеристиками агрегата;

- предложенной формуле определения кин, учитывающей протекание тока через слой рафинировочного шлака, и разработке рекомендаций для применения этого показателя с целью минимизации расхода электроэнергии, повышения коэффициента мощности, увеличения скорости нагрева металла;

- созданном для инженерных расчетов электрических режимов АПК методе

круговых диаграмм, отличающимся от существующих возможностью построения

/

на одной диаграмме годографов токов электрода и дуги для разных значений сопротивления слоя рафинировочного шлака;

- разработанном алгоритме работы регулятора мощности, отличающемся от существующих периодической коррекцией в течение плавки тока электрода и напряжения дуги, основанной на поддержании максимума кин, определяемого с

помощью предложенной уточненной формулы;

/

- разработанном алгоритме управления ФКУ, отличающимся от существующих выбором числа и мощности включаемых секций ФКУ на основании предварительной оценки потребляемой агрегатом реактивной мощности и предварительного моделирования ПКЭЭ в зависимости от различных способов включения ее секций.

Практическая ценность состоит в том, что разработанные алгоритмы и способы управления агрегатом позволяют снизить потребление активной и реактивной электроэнергии, уменьшить потери мощности, организовать рациональный ре^сим напряжения в питающей системе электроснабжения, повысить производительность агрегата.

Методы и объекты исследования. В ходе работы применялись методы математической статистики и дифференциальных уравнений в частных производных. Объекты исследования: система электроснабжения сталеплавильного производства; электрическая часть АПК. Предмет исследования: электрические и тепловые режимы АПК; режим напряжения в исследуемой СЭС. Анализу и обработке подвергались данные функционирования СЭС печного отделения Конверторного цеха №2 (КЦ-2) ОАО «НЛМК» с двумя 330 тонными АПК с трансформаторами мощностью 45 МВА.

Достоверность результатов и выводов подтверждена формулировкой задач исследования, сделанной исходя из всестороннего аналйза опыта эксплуатации; предварительной выборкой данных, полученных в реальных производственных условиях с помощью современных измерительных приборов; удовлетворительным совпадением результатов проверочных расчетов существующих режимов работы АПК с применением разработанной математической модели с данными, полученными непосредственно при работе агрегата.

/ Реализация работы. Результаты работы использованы в качестве рекомендаций к инструкции по эксплуатации агрегатов «печь-ковш» КЦ-2 ОАО «НЛМК» по организации рационального электрического и теплового режима АПК, основанного на определении и поддержании с периодической коррекцией рациональных значений тока электрода и напряжения дуги. Способ анализа электрических и тепловых режимов работы АПК при помощи системы дифференциальных уравнений и инженерный метод расчета электрических режимов АПК при помощи круговых диаграмм использованы в КЦ-2 в качестве дополнения к существующим способам расчета электрических и технологических режимов АПК. Ожидаемый экономический эффект составит 370,6 тысяч рублей в год для двух 330 тонных АПК Конверторного цеха №2 ОАО «НЛМК».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 10-й Международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение XXI век», г. Орёл; Областной научной конференции по проблемам технических наук, г. Липецк.

Публикации. Опубликовано 7 работ, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех гла(в, заключения, библиографического списка использованной литературы и двух приложений. Общий объем работы 161 е., в том числе 140 с. основного текста, 33 рисунка, 22 таблицы, библиографический список литературы 114 наименований на 10 с. и 2 приложения на 11 страницах.

/

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Обзор литературных источников

В настоящее время все большее применение находит внепечная обработка стали в агрегатах «печь-ковш» (АПК). По сравнению с традиционными способами данный способ обладает целым рядом преимуществ [1]. Он позволяет достичь высокую степень очистки металла от металлических и неметаллических включений с постоянным соблюдением заданного температурного режима и легко варьировать время внепечной обработки металла по сравнению с подобными агрегатами, не имеющими устройств для его подогрева. При этом осуществляется экономия энергоносителей за счет отсутствия необходимости в перегреве металла в конверторе или мартеновской печи перед внепечной обработкой и исключения стадий плавления твердой шихты и окисления в традиционной дуговой сталеплавильной печи (ДСП). Нагрев металла в АПК является менее энергозатратным по сравнению с ДСП классической и современной конструкции [2].

По принципу действия и устройству АПК имеет много общего с ДСП. Различие состоит в том, что емкостью для обработки стали служит сталеразливочный ковш с усиленной футеровкой, помещенный на сталевоз или специальный стенд, а не стационарная ванна печи. Крышка «печи-ковша» отличается от свода ДСП тем, что в ней имеются технологические отверстия для подвалки присадок, шла-кообразующих, опускания зондов контроля и устройства отбора проб металла. В ДСП подобные операции осуществляются через завалочные окна печи. У АПК в отличии от ДСП, где свод неотделимо связан с ванной печи, крышка сопрягаема с любым ковшом определенной емкости. Также имеются различия мощности печного трансформатора, поскольку для трансформатора АПК нет необходимости иметь повышенную мощность, необходимую для расплавления твердой шихты -здесь она расходуется на компенсацию тепловых потерь, возникающих в процессе

доводки металла [1]. Описание современных АПК различных конструкций представлено в [3].

Системам электроснабжения, питающим установки «печь-ковш», свойственны те же особенности, что и системам от которых питаются дуговые печи. Соответственно сохраняется, правда в меньшей степени, и негативное влияние на них. В настоящий момент есть несколько направлений работы по повышению эффективности функционирования как систем электроснабжения сталеплавильных производств, имеющих в своем составе АПК, так и самих агрегатов.

Проблема повышения коэффициента мощности обстоит более остро, чем с ДСП, поскольку «печь-ковши» по требованиям технологии практически в течение всего цикла плавки работают с «короткой дугой», экранированной слоем шлака, что заставляет переходить на низкие ступени трансформации [4]. При этом снижаются электрические показатели установки [5], недоиспользуется мощность трансформатора, соБф варьируется в пределах 0,70-0,72 [6], причем проблема усугубляется с ростом тоннажа агрегата [1].

Вопросы симметрирования короткой сети и, как следствие, питающей СЭС сохраняются на том же уровне, что и для ДСП, поскольку применение различных конструктивных мер зачастую не приводит к ожидаемому результату [7-9] и требуется применение специальных симметрирующих устройств [7].

Проблема компенсации колебаний и отклонений напряжения обстоит менее остро нежели с ДСП, поскольку из производственного цикла исключена стадия расплавления твердой шихты, при которой колебания напряжения максимальны [10, 11], однако сходные по уровню возмущения все же имеют место при вводе в ковш шлакообразующих присадок [1]. Отклонения напряжения отличаются от колебаний только частотой возникновения и обусловлены недостаточной мощностью питающей электрической системы и компенсирующих устройств [6, 12]. Соображения по соответствию мощности печного агрегата и мощности короткого замыкания СЭС в точке его подключения в отношении АПК те же, что и для любой неспокойной нагрузки, в т.ч. ДСП. [6, 13]. В общем случае неспокойная нагрузка не должна приводить к колебаниям напряжения амплитудой выше 1%, т.е.

§

би„ = — ■ 100% < 1,0%,

/о Q 77

(1.1)

где 8Т - мощность печного трансформатора; - мощность короткого замыкания

в точке подключения.

В отношении компенсации высших гармоник справедливо все, сказанное относительно колебаний и отклонений напряжения [14], однако в последнее время в связи с повсеместным внедрением цифровой техники ужесточаются требования к качеству электроэнергии, поэтому данной проблеме уделяется все большее внимание [15, 16].

Рассмотрим решения указанных проблем, предлагаемые в настоящее время. Для повышения коэффициента мощности существуют два принципиально

/

разных подхода: изменение режима работы АПК или подключение устройства, генерирующего реактивную мощность, что можно осуществить путем применения батарей статических конденсаторов (БСК). По способу их включения различают: поперечную компенсацию, где в первом случае БСК подключается параллельно на стороне питания печного трансформатора, а во втором - к его промежуточным обмоткам, и продольную компенсацию, где БСК включена на вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора. Эти схемы используются для поддержания постоянной величины коэффициента мощности в течение всей плавки [17]. В [1] на основании [5] показано, что возможно повыситьсоБф до 0,9 путем увеличения длины дуги (т.е. перейти на более высокое вторичное напряжение печного трансформатора). Однако это требует увеличения толщины шлака, которая по ходу плавки сильно зависит от его химического состава. Так, например, по степени основности шлака (содержание в нем СаО, М§0) можно регулировать его толщину, добиваясь тем самым оптимального режима горения дуги и сопутствующих этому показателей [18]. Следует отметить, что при короткой дуге колебания тока, а, следовательно, и напряжения, могут быть более значительными, чем при длинной, т.к. при внезапном обрыве дуги расстояние между металлом и электродом снижается и при повторном зажигании дуги ток значи-

тельно возрастает, достигая величин, близких к току короткого замыкания. Система автоматического регулирования при этом выдает команду на подъем электродов, в результате горение дуг становится нестабильным [19]. Избежать этого можно, увеличив сопротивление как печного контура (т.н. высокоимпедансные печи), так и включением печного трансформатора через высокое индуктивное сопротивление, например через управляемый пофазно насыщающийся реактор [20]. Это позволит увеличить длину дуги и отказаться от регулирования мощностей дуг перемещением электродов [21]. В [22] на примере высокомощной ДСП показана возможность работы агрегата на одной ступени трансформации в течение всего цикла плавки. Без применения специальных мер увеличение длины и мощности дуги приводит к разрушению футеровки ковша на границе металла и шлака, а также перегревает крышку агрегата [1, 23].

Организации рационального электрического режима дуговых электропечных агрегатов уделяется значительное внимание [24, 25]. Однако применяемые в настоящий момент методики не позволяют в полной мере определить основные электрические характеристики печи (мощность и напряжение дуги, потребляемая из сети мощность), т.к. используемые для их построения коэффициент мощности и ток дуги задаются без учета их взаимной зависимости, что в общем случае некорректно и приводит к значительным погрешностям при практической организации этого режима [26]. В [27] показано, что оптимальный с точки зрения организации плавки режим обладает не самыми лучшими электрическими параметрами. Так из-за несовпадения максимума электрического (максимум потребляемой из сети активной мощности при постоянном значении вводимой в печь полной мощности) и теплового (максимум полезной мощности, излучаемой дугой) кпд агрегат вынужден работать с пониженным коэффициентом мощности.

Известно, что одним из основных факторов повышения эффективности работы ДСП и АПК является увеличение мощности печного трансформатора [28,

29]. Однако с увеличением мощности агрегатов повышение соБф за счет режимных мер еще более затрудняется, и они зачастую работают с созср = 0,57-0,60 [1,

30]. Простая замена печного трансформатора не приводит к сокращению времени

плавки, а ведет к увеличению тепловых потерь за счет увеличения длины дуги при сохранении прежней величины ее заглубления в металл. В [31, 32] рассмотрены способы повышения теплового кпд агрегата и улучшения использования мощн