Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и обоснование исследований 7
1.1. Анализ литературных источников 7
1.2. Задачи исследования... 29
2. Построение математической модели электрической дуги в электродуговой печи 31
2.1. Модели электрической дуги 31
2.2. Влияние высших гармонических составляющих напряжения на характеристики дуги 41
2.3. Воздействие технологического процесса на электрические свойства дуги 52
2.4. Электромагнитная взаимосвязь дуговой печи с системой электроснабжения и ее оборудованием 57
3. Анализ дуговых процессов 60
3.1. Определение экспериментальных данных и их анализ 60
3.2. Исследования дуговых процессов на моделях 69
3.3. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов 74
4. Разработка средств повышения эффективности функционирования систем электроснабжения электросталеплавильных производств 78
4.1. Классификация основных потребителей электроэнергии электросталеплавильных производств 78
4.2. Характеристика потребителей печного отделения ЭСПЦ 79
4.3. Структура системы электроснабжения печного отделения ЭСПЦ 82
4.4. Информационно-измерительный комплекс для управления электрическими режимами дуговых сталеплавильных печей 86
4.5. Построение рациональной энергетической системы, обеспечивающей оптимизацию режимов работы дуговой сталеплавильной печи 97
Заключение 107
Библиографический список 109
- Влияние высших гармонических составляющих напряжения на характеристики дуги
- Электромагнитная взаимосвязь дуговой печи с системой электроснабжения и ее оборудованием
- Сравнение теоретических и экспериментальных результатов
- Структура системы электроснабжения печного отделения ЭСПЦ
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важнейших задач эксплуатации электрооборудования электросталеплавильных производств является задача обеспечения эффективности функционирования электрических систем совместно с дуговыми сталеплавильными печами. Работа электродуговых печей сопровождается потреблением из сети тока несинусоидальной формы. Возникают искажения напряжения сети. В сети появляются высшие гармонические составляющие тока и напряжения. Колебания тока нагрузки от нуля до величины, соответствующей эксплуатационному короткому замыканию, вызывают мерцание напряжения (фликер). Его величину можно не учитывать только в случае, если суммарная мощность печей не менее, чем в 100 раз меньше мощности короткого замыкания электрической системы. Часто выполнение данного условия затруднено и возникает необходимость в использовании специальных устройств, обеспечивающих повышение электромагнитной совместимости дуговых печей с системами электроснабжения. Поэтому проведение исследований, направленных на разработку методов и средств, снижающих негативное воздействие электродуговых сталеплавильных печей переменного тока на системы электроснабжения, обеспечивающих эффективное их функционирование, являются актуальными.
Целью работы является обеспечение эффективности функционирования систем электроснабжения электросталеплавильных производств посредством использования высших гармонических составляющих напряжения и тока для управления энергетическими режимами дуги и электрическими режимами плавки в дуговых сталеплавильных печах переменного тока.
Идея работы заключается в использовании высших гармоник напряжения и тока, возникающих при работе дуговых печей, для управления электрическими режимами плавки, и в совместном применении напряжений промышленной и повышенной частоты для изменения электроэнергетических характеристик дуги.
Научная новизна. Разработаны физико-математические модели дуги, учитывающие влияние параметров технологического процесса на генерацию высших гармонических составляющих, и влияние высших гармоник напряжения на характеристики дуги сталеплавильных печей; исследованы зависимости высших гармонических составляющих напряжения и тока от режима плавки; предложен новый способ питания электродуговых установок, улучшающий электрические характеристики дуги переменного тока.
Практическая ценность. Предложенная модель позволяет анализировать характеристики дуги в электрической печи с учетом влияния высших гармоник напряжения и может быть использована при разработке и оптимизации систем электроснабжения электросталеплавильных производств. Информационно-измерительный комплекс позволяет оптимизировать процесс плавки, снизить удельный расход электроэнергии на плавку, повысить коэффициент мощности печи. Разработанный способ питания электродуговых установок целесообразно применять для улучшения электроэнергетических характеристик дуговых печей. Результаты работы предлагается использовать на Новолипецком металлургическом комбинате, Ос колье ком электрометаллургическом комбинате и других предприятиях, имеющих электросталеплавильные производства.
Методы и объекты исследования. При выполнении работы использованы методы математической статистики, математического моделирования и инженерного эксперимента. Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей. Экспериментальные исследования проводились в реальных условиях эксплуатации дуговых сталеплавильных печей. Выполнялась программная реализация решения задач на ЭВМ.
Достоверность положений, результатов и выводов подтверждена: формулировкой задач исследования, сделанной исходя из всестороннего анализа работы электросталеплавильных печей в различных режимах; математическим обоснованием разработанных зависимостей; предварительной выборкой данных, полученных в реальных производственных условиях при помо-
щи современных измерительных приборов; хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Реализация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы применены в электросталеплавильном цехе ОАО «НЛМК» в виде информационно-измерительного комплекса для управления процессом плавления. Его применение позволило сократить длительность периода расплавления на 15 минут и уменьшить удельный расход электроэнергии за плавку на 30 кВт-ч/т. Ожидаемый экономический эффект от использования информационно-измерительного комплекса составляет порядка 240 тыс. руб. в год. Разработанные физико-математические модели применены при выполнении исследовательских работ по гранту Министерства образования РФ 2002 года по фундаментальным исследованиям в области технических наук № Т02-01.5-188 «Влияние высших гармоник на дугу сталеплавильных печей».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на ежегодной научно-технической конференции студентов и аспирантов факультета автоматизации и информатики ЛГТУ, Липецк, 2002 г.; на региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве», Воронеж, 2003 г. За разработку информационно-измерительного комплекса в 2002 г, получен диплом лауреата премии имени С.Л. Коцаря для молодых ученых области - победителя в областном конкурсе научных работ молодых ученых.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, че
тырех глав, заключения, списка использованной литературы и пяти прило
жений. Общий объем диссертации 157 с, в том числе 121 с. основного тек
ста, 22 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 136 наименований, 5 при-
s ложений на 36 страницах.
Влияние высших гармонических составляющих напряжения на характеристики дуги
Электрическая дуга в дуговой печи представляет самоподдерживающийся электрический разряд в газе и парах металлов при атмосферном давлении. Дуга горит между угольным электродом и поверхностью шихты или расплава. Температура плавления и испарения элементов, образующих расплав, ниже температуры дуги. Поэтому дуговой разряд протекает в парах элементов расплава. Длина дуги в печах настолько велика (может достигать 0,5 м), что тепловые режимы приэлектродных областей независимы друг от друга. Она относится к типу длинных дуг. Ее можно охарактеризовать как длинную термическую дугу высокого давления, горящую в парах расплавляемого материала.
Дуговой разряд состоит из разрядного промежутка - ионизированной газовой среды, по которой протекает ток, — и ограничивающих поверхностей. У оснований ограничивающими поверхностями являются угольный электрод и шихта или расплав. Боковую поверхность разрядного промежутка представляют раскаленные газы, не принимающие участия в прохождении тока.
Разрядный промежуток имеет довольно сложное строение. Непосредственно к электродам прилегают при электродные области дуги. Их протяженность соизмерима с длинной нескольких свободных пробегов электронов и ионов (10" ...10 см) и не зависит от общей длины разрядного промежутка. В приэлектродных областях протекают процессы ионизации нейтральных атомов. Между приэлектродными областями располагается столб дугового разряда. Это самая длинная часть разрядного промежутка. Столб разряда представляет собой квазинейтральную плазму. В столбе происходит трансформация основной части электрической энергии в тепловую.
Работа электродуговых печей сопровождается искажением формы кривых тока и напряжения сети, чему способствует нелинейность вольтампер-ной характеристики дугового разряда. Случайным образом изменяющиеся условия горения печных дуг ведут к возникновению фликера, несимметрии напряжения и генерации в сеть высших гармонических составляющих. При этом значительно возрастают потребляемая реактивная мощность и потери энергии.
Электрическая дуга является саморегулирующейся системой, поддерживающей свое существование при разного рода внешних и внутренних воздействиях [112]. Для столба дуги справедлив предложенный Штеенбеком принцип минимума мощности, — при заданном токе должны установиться такие температура плазмы и радиус канала, чтобы мощность и напряженность электрического поля в дуге оказались минимальными [98].
Электрическая схема замещения дуговой печи в системе электроснабжения представлена на рис. 2.2. Под действием синусоидального напряжения источников энергии в цепи возникают несинусоидальные токи за счет влияния нелинейных вольтамперных характеристик (ВАХ) дуги. Протекая по элементам сети, токи создают несинусоидальное падение напряжения. В результате напряжение на дуге будет отличаться от синусоидального. Под действием несинусоидального напряжения произойдет изменение формы кривой тока. При отсутствии внешних воздействий дуга установится в квазистационарное состояние, определяемое гармоническим составом тока и напряжения на разрядном промежутке.
Значительный интерес представляет определение влияния формы напряжения на электрической дуге на ее параметры. Одним из основных электрических параметров дугового разряда является его проводимость g. Данная величина определяется такими характеристиками, как температура плазмы, геометрические размеры дугового столба, химический состав плазмообра-зующего вещества. Поэтому представляется целесообразным исследовать влияние формы напряжения на проводимость дуги [113]. Для анализа удобно воспользоваться несколько преобразованным [114] уравнением Касси где 0 - постоянная времени дуги; g - проводимость дуги; u(t) - мгновенное значение напряжения на дуге; Ud - действующее значение падения напряжения на дуговом промежутке. Для теоретических исследований необходимо задать формы кривой напряжения на дуге, при которых будет определяться проводимость. В качестве таковых примем следующие: — напряжение синусоидальной формы, не содержащее высших гармоник; — напряжение в форме прямоугольных импульсов, имеющее наиболее широкий гармонический спектр.
Электромагнитная взаимосвязь дуговой печи с системой электроснабжения и ее оборудованием
Для оценки влияния электродуговых сталеплавильных печей на системы электроснабжения необходимы данные об изменении электрических параметров в ходе процесса плавления. Они могут быть получены или в результате исследований, выполненных в производственных условиях, или взяты из литературных источников. В 2001 году проводились исследования в электросталеплавильном цехе ОАО НЛМК [119], в ходе которых выполнялись измерения мгновенных значений токов и напряжений в фазах дуговой сталеплавильной печи №1 во время выплавки углеродистой стали. Одновременно фиксировались стадии технологического процесса и его неэлектрические параметры: масса и состав завалки, температура расплава, химический состав стали. Измерения электрических величин осуществлялись с помощью персонального компьютера, оснащенного платой сбора данных. Сигналы поступали от датчиков напряжения и тока. Датчики напряжения подключались непосредственно к короткой сети, а датчики тока - к трансформаторам тока, включенным в сеть 35 кВ. Частота измерений выбиралась таким образом, чтобы можно было выделить гармоники до 40-й1 включительно. Согласно теореме Котельникова непрерывный сигнал может быть без искажений передан дискретными импульсами, если частота их повторения не менее чем в два раза превосходит частоту непрерывного сигнала. Поэтому для определения всех гармоник до 40-й (2000 Гц) измерения проводились с частотой 4000 Гц. Измеренные значения сохранялись в файл. Анализ результатов, описанных в литературных источниках, и полученных измерениями на действующих печах, показал, что токи и напряжения мало отличаются для сталеплавильных печей трехфазного переменного тока различной мощности и зависят, в основном, от стадии технологического процесса и процессов в ванне печи.
При обработке определялся спектральный состав токов и напряжений, а также их действующие значения. Переход из временной области в частотную осуществлялся на основании дискретного преобразования Фурье(ДПФ) по следующему алгоритму [38]:
Задавалась точность преобразования номером последней учитываемой гармоники п. Измерениями определялись m значений функции у(хк)=ук при значениях аргумента, равных
Для удобства оценки все результаты переводились в относительные единицы. В качестве базовых величин выступали напряжение и ток основной гармоники.
При проведении исследований были выделены этапы процесса плавления, в которые существенно различаются условия горения печных дуг. Основные этапы и их краткая характеристика приведены в табл. 3.1.
Форма кривых токов и напряжений в начале и конце этих этапов существенно различаются. Наблюдается изменение уровней высших гармонических составляющих. Характерные формы кривых токов и напряжений для данных периодов, и их гармонический состав представлены на рис. 3.1, 3.2, в табл.3.2 и в Приложении 3.
Анализ результатов измерений и вычислений показал, что в периоды, когда дуги горят над твердой шихтой (плавление после завалки, подвалок), наблюдаются значительные отклонения формы токов и напряжений от синусоиды. В это время значителен уровень четных гармоник. Их наличие обусловлено как искажениями кривых тока и напряжения в течение периода основной частоты, так и переходными процессами, вызванными изменениями характеристик дугового разряда.
Сравнение теоретических и экспериментальных результатов
Сталеплавильные производства металлургических заводов, несмотря на различное географическое положение и особенности технологических процессов на каждом предприятии, оснащены однотипным силовым оборудованием. В его состав входят силовые трансформаторы, управляемые и неуправляемые преобразователи, электрические двигатели технологических машин, питающие кабели, системы соединительных шин, автоматические выключатели, контакторы, реакторы, разъединители и т.д. Для сталеплавильных производств металлургических предприятий характерно единообразие систем электроснабжения в силу схожести технологических процессов. Их электроснабжение, в общем случае, делится на внешнее и внутреннее. Для своих приёмников сталеплавильные производства получают электроэнергию от энергосистемы и на их территории расположены от одной до нескольких ГПП и распределительных пунктов.
Основными технологическими потребителями энергии электросталеплавильных производств являются: электроприемники печного отделения, включая электродуговые сталеплавильные печи (ДСП), устройства электромагнитного перемешивания металла (ЭМП), приводы поворота и наклона печей и т.п., устройства автоматического регулирования мощности; электроприемники основных технологических линий установок непрерывной разливки стали (УНРС), в состав которых входят стенды сталеразливочных ковшей, механизмы качания кристаллизаторов, системы вторичного охлаждения, насосно-аккумуляторные станции; электроприёмники примыкающие к УНРС, в состав которых входят газорезки, приёмные рольганги, устройство подачи слябов; электродвигатели технологических и сантехнических насосов, вентиляторов, дымососов; электродвигатели привода подъёмно-транспортных механизмов; электрическое освещение.
По степени надёжности электроснабжения большинство потребителей сталеплавильных производств относится к первой категории (по классификации ПУЭ), за исключением некоторых потребителей, которые относятся к «особой группе» первой категории, и для которых предусмотрен третий источник питания.
В ЭСПЦ ОАО «НЛМК» установлены две дуговые сталеплавильные печи (ДСП) емкостью 100 тонн каждая. На современном этапе развития металлургии ДСП наряду с кислородными конвертерами являются одним из основных агрегатов сталеплавильного производства. Эффективность работы мощных ДСП в значительной степени зависит от совершенствования технологического процесса плавки.
Преобразование электрической энергии в тепловую осуществляется в дуговых печах в основном (80...85%) в электрических дугах, горящих в рабочем пространстве печи между электродами и металлом, покрытым шлаком. В ДСП электрические дуги горят над металлом и представляют нагрузку, соединенную по схеме Y с расположением нулевой точки либо в твердой шихте, либо в жидком металле. Подина не является проводящей. Каждая дуга находится под фазным напряжением, которое в л/3 раз меньше линейного напряжения между электродами.
Питание печей осуществляется переменным током от печных трансформаторных подстанций, на которых установлены печные трансформаторы типа ЭТЦПК. Номинальная мощность печного трансформатора, питающего печь №1, составляет 45 МВ-А. Номинальная мощность трансформатора на печи №2 - 32 МВ-А. От трансформаторов энергия подается в печи посредством короткой сети. Короткая сеть состоит из пакетов медных шин, водоохлаждаемых медных кабелей и медных труб, подводящих напряжение к электрододержателям. Электрические параметры фаз короткой сети печей №1 и №2 приведены в табл.4 Л.
Сопротивления относительно первичной стороны печного трансформатора, измеренные в двух- и трехфазном опыте погружения, составляют для печи №1: реактивное сопротивление короткого замыкания Хкз=3,2 мОм, сопротивление потерь RK3=0,396 МОМ; для печи №2: Хкз=3,198 мОм, Якз=0,597 МОМ.
В ЭСПЦ применяются печные трансформаторы трехфазные с принудительным масляным охлаждением. На печной подстанции jsfoi установлен трансформатор ЭТЦГЖ-63000/35-УЗ, на подстанции №2 — трансформатор ЭТЦНК-52000/35-УЗ. Паспортные характеристики указанных трансформаторов представлены в табл.4.2.
Устройства электромагнитного перемешивания металла. Применяются в период рафинирования для повышения качества металла. В состав устройства входят плоский статор и комплектное устройство электромагнитного перемешивания (КУЭП), от которого подается питание на плоский статор. В ЭСПЦ установлено по два КУЭП, рабочий и резервный, на каждую печь. Каждое комплектное устройство питается от двух трансформаторов. Используемые трансформаторы приведены в табл. 4,3.
К вспомогательному оборудованию печного отделения относятся разного рода электроприводы, установленные на ДСП, водяные насосы, дымососы, краны, обслуживающие печное отделение.
Электрические приводы, установленные на дуговых сталеплавильных печах, включают: привод подъема свода, привод поворота портала, привод наклона печи, привод рабочего окна, привод фурмы. В указанных устройствах применяются асинхронные двигатели различной мощности, напряжением 0,4 кВ.
Водяные насосы создают циркуляцию воды в системах охлаждения плоского статора устройств ЭМПМ и в системах охлаждения элементов короткой сети. Привод - асинхронные электродвигатели напряжением 0,4 кВ.
На дымососах установлено четыре асинхронных двигателя мощностью 500 кВт и два двигателя мощностью 800 кВт. В работе постоянно находятся по одному двигателю 500 кВт на каждом дымососе. Напряжение питания - 6,3 кВ.
Печное отделение ЭСПЦ обслуживают два крана — №3 и №4. Напряжение питания 0,4 кВ. Количество и мощности двигателей, установленных на кране №3: 4x15 + 15 + 15 + 32 + 32 + 4,2 + 25 + 2x9,5 кВт. Количество и мощность двигателей на кране №4: 80 + 30 + 60 + 15 кВт.
Структура системы электроснабжения печного отделения ЭСПЦ
Проведенный ранее анализ дуговых процессов в электродуговых печах показал, что проводимость дуги существенно зависит от условий окружающей среды. В течении периода питающего напряжения проводимость не остается постоянной. Это обуславливает нелинейные характеристики дуги в качестве приемника электроэнергии. Нелинейные элементы в электрической цепи вызывают возникновение высших гармонических составляющих токов и напряжений в системах электроснабжения. Высшие гармоники обуславливают увеличение потерь в сети [126], отрицательно влияют на работу электронных регуляторов, ухудшают режимы работы трехфазных двигателей.
Помимо высших гармоник токов и напряжений, работа дуговых печей сопровождается глубокими колебаниями токов, несимметрией нагрузки фаз. Колебания токов от холостого хода до короткого замыкания сопровождаются резким потреблением реактивной мощности. Возникают колебания напряжения на шинах энергосистемы (фликер). Все эти факторы ухудшают электромагнитную совместимость оборудования печного отделения электросталеплавильных производств с системами электроснабжения.
Для выполнения требований по ограничению колебаний напряжения в электрической сети общего назначения согласно Правилам устройства электроустановок [ 127] должно выполняться условие
При соблюдении указанного соотношения допускается присоединять печные трансформаторы к электрическим сетям общего назначения без выполнения специальных мероприятий по ограничению уровня колебаний напряжения. Если требования стандарта не выдерживаются, необходимы дополнительные мероприятия.
Не прерывно-циклическая нагрузка ДСП характеризуется колебаниями мощности от нуля до эксплуатационного короткого замыкания. Колебания мощности вызывают колебания напряжения на шинах питающей системы [128, 129], размах которого определяется выражением где 5Р, 5Q - размах изменения активной и реактивной мощности; Un - номинальное напряжение на шинах питающей системы; R, X - активное и индуктивное сопротивление короткого замыкания на шинах питающей системы.
В случае, если размах напряжения превышает допустимое значение, необходима установка фликеркомпенсатора, снижающего колебания напряжения до допустимого уровня [130, 131, 132]. Широкое применение для подавления фликера получили статические тиристорные компенсаторы, выполненные по принципу косвенной компенсации. Однако мощность компенсатора соизмерима с мощностью эксплуатационного короткого замыкания ДСП [133].
Величина коэффициента мощности дуговых сталеплавильных печей зависит от значения реактивного сопротивления печного контура [134]. Для мощных сталеплавильных печей средний cos р за плавку равен 0,75-0,80. Естественный коэффициент мощности мощных сталеплавильных печей лежит значительно ниже оптимального уровня.
За рубежом для ДСП получили распространение схемы поперечной компенсации реактивной мощности, предусматривающие подключение конденсаторов к промежуточным обмоткам печных трансформаторов. Эти схемы включения конденсаторов осуществляются на сталеплавильных печах с целью обеспечения постоянства коэффициента мощности в различные периоды работы печи. Конденсаторы включаются в цепи с напряжением 6-Ю кВ, а не 35-110 кВ, что обеспечивает облегчение конструкции конденсаторной батареи.
Включение конденсаторов на стороне низшего напряжения возможно через трансформатор [32]. Непосредственное подключение конденсаторов к низшей стороне печных трансформаторов обычно нецелесообразно, так как низшее напряжение печных установок относительно мало и не согласуется с величинами стандартных напряжений конденсаторов. Схемы включения батарей конденсаторов представлены нарис.4.7...рис.4.12.
Однако использование батарей конденсаторов затрудняет тот факт, что из-за наличия нелинейной нагрузки возможна их перегрузка высшими гармоническими составляющими [135]. Также необходимо учитывать возможность возникновения резонанса на какой-либо из высших гармоник.
Анализ литературных источников показал, что все вышеперечисленные способы обеспечения электромагнитной совместимости дуговых сталеплавильных печей с системами электроснабжения требуют значительных технико-экономических затрат.
Проведенный ранее анализ дуговых процессов показал, что на характеристики дугового разряда значительное влияние оказывает форма питающего напряжения. Изменение уровня высших гармоник напряжения на дуге позволяет повысить устойчивость дугового разряда переменного тока и, таким образом, обеспечить снижение фликера напряжения питающей сети [136]. С учетом данного обстоятельства может быть предложен способ питания электродуговых установок, в частности, дуговых сталеплавильных печей.
