автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка динамических и статистических методов энергосберегающего совершенствования работы дуговых сталеплавильных печей

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА ПЕРВАЯ. ДУГОВАЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ КАК ОБЪЕКТ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ С СУЩЕСТВЕННО НЕЛИНЕЙНЫМ И ВЕРОЯТНОСТНЫМ ХАРАКТЕРОМ НАГРУЗКИ.

1.1. Электрическая дуга - основной источник нелинейности и нестационарности режимов ДСП.

1.2.Идентификация процесса плавки по динамическим вольт-амперным характер истикам.

1.3. Значение, вероятностных методов идентификации ДСП для повышения энергетической эффективности ее работы.

1.4. Формулировка цели и постановка задач исследования.

ГЛАВА ВТОРАЯ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО - ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ

РАБОТЕ ДСП.

2.1.Экспериментальное исследование динамических вольт-амперных характеристик на действующ их в заводских условиях ДСП.

2.2.0пределение информативного характера параметра площади ДВАХ и разработка способа его контроля.

2.3.Определение информативного характера параметра длины (периметра) ДВАХ и разработка способа его контроля.

2.4. Угол наклона оси ДВАХ и степень изломанности (число перегибов ).

2.5. Выводы по второй главе.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ ПО ПАРАМЕТРАМ ДВАХ. 44 ЗЛ.Разработка алгоритма корректировки режима ДСП по длине ДВАХ

3.2. Разработка способа ускоренных испытаний АЭТУ по степени изломанности ДВАХ.

3.3. Разработка совмещенного способа и структурной схемы совершенствования режима АЭТУ по площади и углу наклона ДВАХ.

3.4. Разработка прибора контроля режима многоэлектродных АЭТУ по динамической проводимости.

3.5. Выводы по третьей главе.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДСП И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛАВКИ НА ИХ ОСНОВЕ.

4.1. Экспериментально-теоретическое исследование статистических характеристик колебаний тока и их влияния на энергетическую эффективность работы ДСП.

4.2.Разработка способа статистической корректировки дозирования энергии на этапы плавки ДСП по сумме дисперсий токов трех фаз.

4.3. Разработка способа и схемотехнического решения для статистического симметрирования.

4.4.Совершенствование структурной схемы САР ДСП по вероятностным параметрам спектральной плотности колебаний токов.

4.5. Статистические показатели высших гармонических и разработка способа их динамической стабилизации на заданном уровне.

4.6. Выводы по главе четвертой.

ГЛАВА ПЯТАЯ. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ ДСП ПРИ ГРУППОВОЙ РАБОТЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РЕЖИМОВ В ЭСПЦ.

5.1.Статистические показатели ДСП при групповой работе.

5.2. Статистическая коррекция участия в максимуме нагрузки при работе группы ДСП в электр о сталеплавильном цехе.

5.3. Разработка компромиссного алгоритма управления АСУ «Энергия» в ЭСПЦ с наращиванием функций в процессе эксплуатации.

5.4. Выводы по главе пятой.

На пятом Евроконгрессе по электроплавке стали ( Париж, 95 ) отмечено, что интерес к ДСП постоянно растет [ 1 ]. В 1993 году 31,8% всей стали в мире выплавлено в ДСП, а в США - 40%. В обзорном докладе [2] Ал.Г. Шалимов дает прогноз: ожидается, что к 2000 году эта величина составит 45 - 50%.

Результаты настоящих исследований по количественному определению динамических и статистических показателей дуговых сталеплавильных печей для целей энергосберегающего совершенствования режимов их работы являются составной частью работ, проводимых в производственном предприятии "Промэнерго" на электросталеплавильных заводах, а также каф. АЭТУС Московского энергетического института.

Исследования были начаты автором при работе в начале 90-х годов в Государственном испытательном центре, а также при сотрудничестве с Центро-энергочерметом, где и были получены первые патенты ( Приложение 4,6 ). Широкое распространение компьютерной техники и аппаратуры на основе современной элементной базы, обладающей большими возможностями по быстродействию, памяти, многоканальной разрешимости задач дает при внедрении на заводах низкую эффективность из-за использования традиционных способов управления, например, по отклонению вида У= а1Т - Ы. Использование предложенных в работе методов управления, реализуемых в реальном времени, и обеспечивающих оптимизацию процессов электропотребления, позволяет восполнить этот пробел.

Многочисленные экспериментальные исследования динамических вольт-амперных характеристик позволили перейти от качественной оценки их конфигурации по осциллограммам для различных циклов плавки через количественный анализ параметров к достаточно точным практическим реализациям, повышающим эффективность электропотребления рассматриваемого класса электротехнологических объектов с существенно нелинейной нагрузкой вероятностного характера. 5

В качестве объектов исследований были выбраны дуговые и рудовос-становительные электропечи мощностью от 5 до 100 МВ А. Интерес к разработке новых методов рационального использования электроэнергии на примере таких потребителей объясняется тем, что по своей природе и характеру работы они охватывают практически все возможные ситуации по уровням мощностей, колебаниям, отклонениям напряжения и токов, по асимметрии и высшим гармоническим, необходимости установки устройств компенсации реактивной мощности, характеру динамических процессов, происходящих как в рабочих режимах, так и при коммутациях. Поэтому разработанные для указанных установок методы повышения эффективности использования электрической энергии могут быть распространены на многие другие типы потребителей и случаи практического использования электрического тока.

Целью исследования являлась разработка ориентированных на современные средства микроэлектронной техники и основанных на анализе динамических и статистических характеристик методов и средств совершенствования работы ДСП для повышения устойчивости режимов и исключения аварийности, снижения потребления электрической энергии и сроков износа ДСП. Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи: 1.Обнаружение принципиально новых информативных параметров, отвечающих сути ДСП, как существенно нелинейного с вероятностной природой нагрузки электротехнологического объекта.

2.Разработка способов и схемотехнических решений энергосберегающей стабилизации режимов, своевременного распознавания технологических этапов и предаварийной ситуации.

3.Разработка методов ускоренных испытаний электротехнологического оборудования и средств динамического контроля режима АЭТУ.

4.Разработка способа и структурной схемы симметрирования фаз ДСП.

5.Корректировка структурной схемы САР и дозатора энергии ДСП по статистическому принципу, отвечающему вероятностному характеру электрической нагрузки ДСП. 6 б.Разработка компромиссного алгоритма энергосберегающего питания ДСП при одиночной и групповой работе в электросталеплавильных цехах от общего трансформатора.

Структура работы содержит введение, пять глав, заключение, литературу, приложения с актами внедрения и заключениями научно-технических советов, где обсуждалась работа, и отражает результаты практических исследований ДСП в действующих ЭСПЦ электрометаллургических заводов.

В первой главе на основе положений , сформулированных В.Ф. Миткеви-чем, С.И.Тельным, Ю.Б.Бфроймовичем и др. учеными, показано, что основным источником нелинейности и нестационарности режимов ДСП является электрическая дуга. Рассмотрены факторы, влияющие на ее стабильность. Отмечены ограничения и трудности достижения стабилизации режимов путем простого увеличения мощности трансформаторов из-за роста потерь в ДСП. Остается дискуссионным вопрос о применении постоянного тока вместо тока промышленной частоты.

Использование компьютерной и микропроцессорной техники, разработка современных интеллектуальных систем управления позволяет привлечь принципиально новые параметры для повышения эффективности работы ДСП.

На основе проведенного в первой гладе анализа состояния по рассматриваемой проблеме сформулированы цели и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе разработана методика снятия и обработки динамических вольт-амперных характеристик (ДВАХ) электротехнологических установок. Получены аппроксимации кривых ДВАХ и обсчитаны основные их количественные показатели: длина периметра, площадь, амплитудные значения и постоянная составляющая в напряжении. Путем разложения Фурье математически доказана электротехническая сущность площади ДВАХ, как суммы всех гармоник реактивной составляющей мощности, а параметр длины эквивалентен сумме всех гармонических тока и напряжения. Разработаны алгоритмы и структурные схемы для определения указанных параметров. 7

Предложено по степени изломанности кривой ДВАХ прогнозировать короткие замыкания электродов ДСП на расплав для обеспечения своевременных корректировок режима работы ДСП. Угол наклона ДВАХ к оси токов , как информативный показатель для энергосберегающего совершенствования работы АЭТУ наиболее подходит для многошлаковых процессов.

В третьей главе на основе анализа графиков изменения длины ДВАХ всех трех фаз предложен способ корректировки режима с целью снижения обгора-ния футеровки и повышения эффективности теплоотдачи в расплав. Разработан способ и запатентовано устройство ускоренных испытаний АЭТУ по контролю параметров ДВАХ. Разработан совмещенный метод энергосберегающего совершенствования режимов РВП по площади и углу наклона ДВАХ. Разработан и поставлен Побужскому никелевому заводу микроэлектронный блок упрощенного контроля режимов работы электродов по динамической проводимости.

Четвертая глава посвящена экспериментально - теоретическому исследованию статистических параметров и энергосберегающему совершенствованию работы ДСП на их основе. В результате полученных аппроксимаций затабули-рованы коэффициенты и разработан способ управления по сумме дисперсий токов фаз с обоснованием диапазонов контролируемызх параметров, особенно рекомендованный для электр о сталеплавильных технологий с применением ме-таллизованных окатышей. По результатам экспериментально-теоретического исследования показателей перемещающейся по фазам ДСП асимметрии для наиболее нестационарного периода расплавления разработан способ статистического симметрирования режимов.

В пятой главе на базе полученных статистических показателей электропотребления групп ДСП, работающих на метзаводах, разработаны способ снижения участия в максимуме нагрузки энергосистемы и алгоритм компромиссного совершенствования электропотребления ДСП в ЭСПЦ.

В общих выводах по работе отражен суммарный экономический эффект, подтвержденный шестью актами внедрения результатов диссертации. 8

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате экспериментальных исследований на действующих в заводских условиях ДСП получены основные типы аппроксимаций кривых ДВАХ для различных стадий плавки ; в виде двухчастотного колебательного звена электрического контура ДСП для начала периода расплавления, трехчленного полинома для основного дугового процесса с явно выраженным участком отрицательного дифференциального сопротивления, овалов Кассини с «талией» при работе с заглубленными дугами и дальнейшей транформацией в эллипс при состояниях, близких к короткому замыканию электродов на металл. Рассчитаны основные количественные показатели ДВАХ : длина Ь, площадь Р, ¡ампл>, ищи., иобр., А11 по ходу плавки ДСП.

2. Путем разложения Фурье математически доказана электротехническая сущность площади ДВАХ, как суммы всех гармоник реактивной составляющей мощности, а параметр длины Ь эквивалентен сумме всех гармонических тока и напряжения. Разработаны алгоритмы и структурные схемы для определения указанных параметров.

3. Разработан способ прогнозирования короткого замыкания электрода на расплав по степени изломанности кривой ДВАХ, которая количественно оценивалась числом смены знаков производной напряжения по току. Из этих соображений разработано схемное решение для обеспечения своевременных корректировок режима работы ДСП.

4. На основе анализа графиков изменения длины Ь ДВАХ всех трех фаз ДСП по ходу плавки разработан способ корректировки режима с целью снижения обгорания футеровки и повышения эффективности теплоотдачи в расплав. ш

5. Разработан способ и запатентовано устройство ускоренных испытаний АЭТУ по контролю параметров ДВАХ.

6. Угол наклона оси ДВАХ к оси токов, как информативный параметр для повышения эффективности работы АЭТУ, был использован для корректировки режимов в печах с многошлаковым процессом. Разработан совмещенный метод энергосберегающего совершенствования режимов РВП по площади и углу наклона ДВАХ. Разработана структурная схема его реализации. Разработан и поставлен Побужскому никелевому заводу прибор упрощенного контроля режимов работы электродов по динамической проводимости.

7. На основе экспериментально-теоретического исследования статистических характеристик колебаний токов действующих в заводских условиях ДСП разработан способ управления по сумме дисперсий токов всех фаз с обоснованием диапазонов контролируемых параметров при повышении эффективности работы ДСП, особенно рекомендованный для электросталеплавильных технологий с применением металлизованных окатышей.

8. В результате экспериментально-теоретического исследования статистических показателей перемещающейся по фазам ДСП асимметрии для наиболее нестационарного периода расплавления разработан способ статистического симметрирования режимов.

9. На основе экспериментально полученных статистических показателей электропотребления групп ДСП, работающих на электрометаллургических заводах, разработаны способ снижения участия ДСП в максимуме нагрузки и алгоритм компромиссного совершенствования электропотребления ДСП в цеховых условиях метзаводов.

10. Основные полученные результаты использованы в практике работы ООО

132

Промэнерго», АО «Электросталь», ОАО «Центроэнергочермет», АО О «Внипиэнергопром», НПО «Энерготерм», НПФ «МЭЛТА», Главного унитарного предприятия Федерального НПЦ «ПРИБОР» с общим экономическим эффектом около восьми миллионов рублей.

1.Smith Tim. European electric steel congress attracts 1000 delegates - a report by steel times. //Steeel Times - 1995. #7(223).

2. Стомахин А.Я. Развитие электросталеплавильного производства. По материалам 4-го конгресса сталеплавильщиков // Металлург. 1997, № 3.

3. Тельный С.И. Теория вольтовой дуги в применении к дуговым электрическим печам. Научные записки кафедры металлографии и мех.-терм. обработки. Днепропетровск. 1928.

4. Ефроймович Ю.Е. Мощная дуга переменного тока сталеплавильных печей. «Электричество», №3, 1954.

5. Ефроймович Ю.Е. Осциллограммы и нагрузочные характеристики промышленных печей трехфазного тока. Металлургиздат. 1950.

6. Ефроймович Ю.Е. Оптимальные электрические режимы дуговых сталеплавильных печей. Металлургиздат. 1956.

7. Zherdev I. Methods and results of investigation into the operation of submerged arc ferrosilicon furnaces. Ref. #113, IX Congress UIE, Breiton 1967.

8. Ермуратекий П.В., Нетушил А.В. Энергетические процессы в цепях с электрической дугой. Электричество. 1993. № 3.

9. Макаров А.Н., Мошкова Е.М. Корректирование рациональных режимов дуговых сталеплавильных печей с помощью теплового КПД дуг.// Изв. ВУЗов. Электромеханика. 1997. № 6.133

10. Forestler Guj, CLECIM ( S.A ) Procede de prechauflage et de terraille daus un four electrique et istaiiation de production de metalliquide mettant en oeuvre le procede. # 2705364 Франция, МКИ С22В 9/21. Опубл. 25.11.94.

11. Bender Manfred. Electric arc furnace insitu scrap preheating process. Пат. США 5375139. МКИ F 27 D 23/04. Опубл. 20.12.94.

12. Макаров А.H., Рубцов В.П., Пешехонов В.И., Панков Д.С. Влияние изменения мощности трансформатора на эффективность работы дуговой печи // Электротехника. 1999. № 2.

13. Миронова А.Н., Миронов Ю.М. Сравнительный анализ применения различных родов тока на ДСП. //Сталь, 1966. № 11.

14. Рулев В.А., Сапрыкин А.Н. Особенности контроля и управления процессом выплавки стали в ДСП с использованием металлизованного сырья. «Электрометаллургия» -1999. № 2.

15. Лукашенков A.B. Алгоритмы идентификации нелинейных схемных моделей электротехнологических объектов. Доклад нанаучно-техн. совещании

16. Электротермия 98» . Санкт-Петербург, 1998 .

17. Интеллектуальные системы управления для дуговых печей. // Steel Times -1996 224, №9.

18. Vedova Deila, Centro Automation SPA. Method to control the power supply for electric arc furnaces: ЕПВ 0895441, M ПК H 05 В 7/148, опубл. 3.2.99.

19. Kruger К., Timm К., Schliephake H., Bandusch L. Замкнутая система управления мощностью дуговой печи переменного тока. //MPT: Met. Plant and Technol. Int.-1996. 19. № 3.

20. Staib William E., Staib Robert В., Milltech HOH Inc. Система управления дуговой электрической плавильной печью. Control system for electric arc furnace: Пат. 5406581 США, МКИ 05 В 7/148. Опубл. 11.4.95.134

21. Knoop M. Electric design of high voltage, high reactance AC arc furnaces. MPT: Met. Plant and Tecnol. Int. 1996. -19, #2.

22. Minejew R.W., Michejew A.P. Energiesparende Metohdik zur Kompensation von leistungsstarken nichtstationaren Verbrauchern. //Elektrie. Berlin 47 / 1993/#1.

23. Мннеев A.P. Малозатратные методы н структуры фнльтросимметрирования и компенсации реактивности ( на примере электрических печей ). -Электротехника, № 4„ 1997.

24. Billings S.A., Nicholson H./Temperatureweighting adaptive controller for electric arc furnaces //Ironmaking and Steeimaking, 1977. № 4.

25. Минеев A.P. , Игнатов И.А. Устройство для электрических ускоренных испытаний установок резистивного нагрева переменным током. Патент РФ №1771087. Опубл. в Б.И., 1992. № 39.

26. Минеев А.Р. Динамические вольт-амперные характеристики потребителей. «Электричество». 1994. №3.

27. Миронов Ю.М. Расчет режимов трехфазных электрических цепей дуговых печей методом гармонического анализа с учетом реальной формы динамической вольт-амперной характеристики дуги. // Изв. инж.-технол. Акад.Чуваш. респ. 1996. Ml.

28. Миронов Ю.М., йльгачев А.Н., Крайнов Й.Б. Результаты исследования нестационарных режимов фосфорной электропечи //Электричество. 1998. №8.

29. Попов А.Н. Методы определения параметров электропечей с погруженной дугой. //Электротехника. 1996. №3.

30. Попков Ю.С., Киселев О.Н., Петров Н.П., Шмульян Б.Л . Идентификация и адаптация нелинейных стохастических систем. М., «Энергия». 1976.

31. Казамаров A.A., Палатник A.M., Роднянский Л.О. Динамика двумерных систем автоматического регулирования. М. «Наука». 1967.

32. Мееров М.В. Системы многосвязного регулирования. М . «Наука». 1965.

33. Алексеев С.В. Статистические исследования и вопросы экстремального регулирования электрических режимов дуговых сталеплавильных печей. Дисс. насоиск. ученой степени канд. техн. наук. Львов. 1967.135

34. Леушин А.И. Применение методов статистического анализа к исследованию электрического режима ДСП. Дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. Львов. 1954.

35. Минеев А.Р. Разработка методов и структур технических средств ускоренных испытаний электротехнического оборудования. //Электротехника. 1995. №12.

36. Минеев А.Р. Разработка методов и структур прогнозирования режима работы электротермических установок. //Электротехника. 1997. № 10.

37. Минеев А.Р. Энергосберегающая статистическая и динамическая оптимизация параметров и структур компьютеризированных электроприводов ( на примере электрических печей ). //Электротехника. 1998. № 10.

38. Минеев А.Р. Рубцов В.П. Статистические и динамические показатели качества работы электротехнических установок ( на примере электропечей ). //Электротехника. 2000. №1.

39. Караманов В.И, Дмитриев И.Ю., Минеев А.Р. О двух задачах компьютеризированной адаптации производства трубопроводов на технологическом уровне. « Автоматика, телемеханика и связь». 2000. № 1.

40. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука. 1968.

41. Блинов С.В., Вицинский С.А., Ливии В.Д. Многоканальная система лазерной компьютерной графики. //Электротехника. 1995. № 12.

42. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. Пер. с англ. Т. 1-2. М. Мир. 1976.

43. Райзер Г. Дж. Комбинаторная математика. Пер. с англ. М. Мир. 1966.

44. Минеев А.Р. „ Игнатова Ю.И. Вопросы лицензирования и организации деятельности малых предприятий промышленной энергетики. // Промышленная энергетика. 1998. № 4.

45. Караманов В.И., Игнатова Ю.И., Минеев А.Р. Многоуровневая вероятностная адаптация трубопроводостроительного производства в условиях неопре136деленности ( организационно-методический уровень ).- «Автоматика, телемеханика и связь». 2000. № 2.

46. Минеев А.Р. Построение алгоритмов управления АСУ «Энергия» с поэтапным расширением функций в заводских условиях // Промышленная энергетика. 1996 . № 1.

47. Караманов В.И., Игнатова Ю.Й., Минеев А.Р. Технико-экономическая оценка адаптации трубопроводостроительного производства на энергетическом уровне. -«Нефтепромысловое дело». 2000. № 1.

48. Минеев А.Р. Способ изготовления электрической конфорки. Патент № 1830195. Опубл. 23.07.93. Б.И. № 27.

49. Минеев А.Р., Дмитриев И.Ю.У прощенный расчет рабочих показателей плазменной установки // Электрометаллургия. 1999. № 12.

50. Минеев А.Р., Рубцов В.П. Статистические показатели электропотребления и методы облегчения работы цехового электротехнического оборудования (на примере электропечей). «Электротехника».2000.-№5.140