close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение энергоэффективности систем электроснабжения сталеплавильных производств обеспечением рациональных электрических режимов основных технологических агрегатов.

код для вставкиСкачать
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
Липецк – 2013
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 12 00 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
диссертационного совета
В.И. Бойчевский
3
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), 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
4
по ходу плавки путем поддержания максимума коэффициента интенсивности
нагрева металла ( k И.Н ); 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 k И.Н , 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 k И.Н , 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-
5
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-
6
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 с., 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
7
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 Σ от тока электрода I Э и ступени трансформации, которая для удобства дальнейших расчетов была представлена интерполяционным многочленом
Лагранжа как функция вида X Σ = f (U′C ; I Э ) .
Для определения зависимости скорости нагрева металла v Н от электрических параметров работы АПК был использован коэффициент интенсивности
нагрева металла k И .Н , величина которого пропорциональна v Н .
k И.Н. =
hШ
[
][
]
2
U′C2 − (I Э X Σ ) 2 − I Э R Σ
2
2
′
I
(
R
+
h
R
)
−
h
U
−
(
I
X
)
, (1)
Э
Ш.Y.УД.
Ш
Σ
Ш
C
Э
Σ
R 2Ш .Y.УД .
8
где h Ш - толщина слоя шлака; U′C - напряжение питающей сети, приведенное к
вторичному напряжению печного трансформатора; R Σ , X Σ - сопротивления
печного контура; R Ш.УД.Y - 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 металла.
I′С
R ′Тр.
R ′0
U′ С
RΣ
XΣ
jХ′Тр.
R КС.
jХ КС.
IЭ
I′0
R Ш. Y
RД
IШ
IД
jХ′0
UД
Рисунок 1. Схема замещения электрической части агрегата «печь-ковш»
PC , МВт
Q C , МВАр
kИ .
k И.Н.
при
QC
Н.
ув
ии k И
че н
и
л
е
.Н.
PC
k И.Н.
k И.Н. ,
МВт ⋅ кА
Рисунок 2. Зависимости электрических параметров работы АПК от k И .Н
Для анализа электрических и тепловых процессов в агрегате необходимо
определение сопротивления слоя рафинировочного шлака в ковше. Оно зависит
9
от формы проводящей среды (геометрические размеры ковша на границе «металл-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
R Ш.УД.Y = k Ф ⋅ m ⋅ ε ⋅ ρ Ш ,
(2)
где k Ф - коэффициент формы проводящей среды, предназначенный для перевода удельного сопротивления слоя шлака ρ Ш в фактическое; m и ε – поправочные коэффициенты, учитывающие «выдувание» шлака в зоне горения дуги.
Для определения коэффициента k Ф проводящий слой шлака был разбит на
3 одинаковых участка, каждый из которых находится под одним из трех межэлектродных напряжений. Во избежание необходимости моделирования поведеr
ния вектора плотности тока j в шлаке, каждый из трех участков был аппрокси-
мирован подобной элементарной геометрической фигурой (сектор пустотелого
цилиндра), где «контактами» выступают цилиндрические поверхности.
kФ =
2 ⋅ ln(R Э.2 R Э.1 )
,
3⋅ ϕ Э
(3)
где R Э.1 , R Э.2 , ϕ Э радиусы и угол раствора сектора аппроксимационной фигуры.
Для обоснования применения k И .Н 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.
dQ Д.М + dQ М.тепл = k (dQ M + dQ П.Ст + dQ П .Дн );


dQ Д.Ш + dQ Ш.Рез = k (dQ Ш + dQ М.Тепл + dQ П.Кр + dQ П .Г + dQ П.В ),
(4)
где dQ i дифференциалы: dQ Д.М - теплоты, выделяемой дугой в пределах металла; dQ М.тепл - теплоты, предаваемой металлу шлаком; dQ M - теплосодержания
10
металла; dQ Д.Ш - теплоты, выделяемой дугой в пределах шлака; dQ Ш.Рез - теплоты, выделяемой в шлаке за счет резистивного нагрева; dQ Ш - теплосодержания
шлака; dQ П .Дн , dQ П.Ст , dQ П.Кр - потерь тепла конвекцией и излучением через
днище, стенки, крышку ковша соответственно; dQ П .Г , dQ П.В - потерь тепла с отходящими газами и охлаждающей водой; k – 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 I Э и дуги
I Д лежат на перпендикуляре к вектору тока эксплуатационного короткого за-
мыкания I K , причем расстояние между ними прямо пропорционально проводимости слоя шлака g Ш ; годограф напряжения шунтированной и нешунтированной дуги U Д 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-
11
ренциальная величина А. Регулирование при этом ведется из условия А → 0.
A = bU Д − сI Э ,
(5)
где b и c – постоянные коэффициенты.
У рассматриваемых агрегатов на всех ступенях напряжения значения U Д ,
I Э , b и c являются постоянными и выбраны по усредненным показателям их ра-
боты. 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 U Д , I Э , b и c 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 I Э и h Ш , при которых скорость нагрева металла оказывается максимальной, из них выбирается та, на которой v Н будет наибольшей. По найденному значению I Э определяется U Д и коэффициенты b и c; подается команда на начало плавки. По истечении заданного интервала времени
τ пер 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 I Э . Значения I Э , U Д , b и c рассчитываются исходя из условия достижения максимума
k И .Н , 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.
v н.i < v н.i +1
vН.Треб ; τпер ; х; o tМ.зад
o
t 0.М
m Ш.k
o
t 0.Ш
k 2.i+1
k 2.i
vH.i < vH.Треб. ≤ vH.i+1
IЭ hШ
τпл > τпер
I Э.i +1 ≤ I доп .i+1
12
I Э.i ≤ I доп .i
U Д .i+1
U Д .i
o
o
t Ш.П ; o t М.П ; h Ш.П
t М.П ≥o t М.зад
U Д .i
v H.i ; v H.i +1 ≥ v H.Треб.
Рисунок 3. Алгоритм работы регулятора мощности АПК
k И .Н .
k2
13
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 k И .Н для максимизации скорости нагрева металла. С этой целью для токов, равных 85 ÷ 115%
значения, соответствующего максимуму k И .Н при постоянной толщине слоя
шлака, с помощью системы (4) согласно выражению (6) была вычислена скорость нагрева металла, при этом максимуму k И .Н соответствовали максимальные значения v Н .
t M.Зад − o t 0.M
vH =
,
τ
o
(6)
где o t M .Зад , o t 0.M - заданная и начальная температура металла; τ – время плавки.
На рисунке 4 представлены зависимости скорости нагрева металла и шлака при I Э и h Ш , соответствующих средним эмпирическим значениям (кривые
б) и г)), и значениям, полученным решением системы (4), соответствующим
максимуму v Н 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 k И.Н. соответствуют
токи электрода, превышающие допустимые для них значения.
Таблица 1. Сравнение существующего и предлагаемого режимов работа АПК
№
Первичный
ПотребляеПотребляе- Скорость на- Коэффициент
стуток трансмая активная мая реактивмощности
грева v Н ,
o
пени
форматора,
мощность,
ная мощcos ϕ C
С / мин
трансА
МВт
ность, МВАр
фор- сущ. предл. сущ. предл. сущ. предл. сущ. предл. сущ. предл.
мации
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
14
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 выполняется периодическая коррекция числа и способа включения секций управляемого ФКУ.
o
t, o С
o
tШ
o
tМ
τ, мин
Рисунок 4. Зависимость температуры металла o t М и шлака o t Ш 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:
τ i .предл. =
v Н.i.сущ. ⋅ τ i .сущ.
v Н.i.предл.
,
(7)
где τi.предл. , v Н.i.предл. , τ i.сущ. , v Н.i.сущ. - времена работы агрегата и скорости нагрева
металла, при работе АПК на i-й ступени трансформации в предлагаемом и существующем режимах соответственно. Результаты расчета времени работы
15
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:
WА.АПК -330..предл. = ∑ Pi.предл. ⋅ τ i.предл. 

i =1

12
WР.АПК -330..предл. = ∑ Q i.предл. ⋅ τ i.предл. 

i =1
12
(8)
где Pi.предл. , Qi.предл. - активная и реактивная мощности, потребляемые агрегатом в
предложенном режиме работы на i-й ступени трансформации.
Таблица 2. Время работы АПК в существующем и предлагаемом режимах работы
№ ступени трансформации
1
2
3
АПК №1
47,7
59,7
67,6
τ i.сущ. , час/год
АПК №2
42,2
60,3
72,1
АПК №1
45,3
57,0
64,2
τi.предл. , час/год
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.
16
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 k И.Н. 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 k И.Н. 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 k И.Н. .
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
17
(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 «НЛМК». 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 k И.Н. 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 А.Е. Выбор оптимального электрического режима электропечных агрегатов путем уточненного
определения интегральных параметров их работы // 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: ГосуниверситетУНПК, 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 научнопрактической интернет-конференции. – Орел: Госуниверситет-УНПК, 2012. С.
135-140.
18
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 I K в качестве линии переменного параметра для проводимости шлака g Ш ; 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.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа