Введение к работе
Актуальность работы. Отличительной особенностью современного сталеплавильного производства является опережающий рост объемов стали, полученной в дуговых сталеплавильных печах (ДСП). Технико-экономические показатели таких агрегатов достигли предельных значений: масса жидкой стали на выпуске - 150-180 т, время цикла от плавки до плавки - порядка 40 мин., относительная мощность печного трансформатора приблизилась к 1 МВА на тонну расплава. Термин «сверхмощная, высокоимпедансная ДСП» в своем названии отражает, в том числе, и некоторые электрические характеристики, например, рабочее линейное напряжение на электродах изменяется в пределах 800-1400В, реактор, установленный в третичной обмотке трансформатора имеет регулируемую индуктивность, так что общее сопротивление вторичного контура изменяется в диапазоне 50-100%. Впервые на заводскую площадку заведено напряжение 220 кВ, а сами ДСП укомплектованы статическими тиристор-ными компенсаторами (СТК), мощность которых соизмерима с мощностью печного трансформатора. Две сверхмощные ДСП-180 подобного класса запущены в эксплуатацию в 2006 г. на ОАО «ММК»
Статический тиристорный компенсатор подключен на шины 35 кВ параллельно с печным трансформатором и его основное назначение -компенсация неактивных составляющих полной мощности, а также симметрирование реактивной мощности по фазам при работе печи.
При эксплуатации столь мощных электроприемников с нелинейной, резкопеременной и несимметричной нагрузкой наиболее актуальными являются две проблемы - это, во-первых, вьшолнение условий электромагнитной совместимости с питающей сетью в точке присоединения и, во-вторых, обеспечение заданной производительности при изменении технологических и электрических параметров ДСП в широких пределах. В значительной степени вьшолнение этих условий обеспечивается за счет рационального выбора силовых элементов СТК и режимов его работы.
Исследования по оценке воздействий ДСП на питающую сеть и способам их уменьшения нашли отражения в трудах отечественных и зарубежных ученых, в том числе: Кочкина В.И., Нечаева О.П., Жохова Б. Д., Рубцова В.П., Минеева А.Р., Вагина Г.Я., Кучумова Л.А., СалтыковаВ.М., Жежеленко И.В, L. Gyugyi, N.G. Hingorani.
Известные принципы управления СТК главным образом направлены на подавление неактивных составляющих токов ДСП без учета режимов работы самой ДСП и питающей энергосистемы. Вопросы повьппения эффективности СТК и наиболее полного использования его резервов с учетом перечисленных выше факторов в настоящее время рассмотрены недостаточно полно.
С учетом сложившихся дефицитов реактивной мощности на крупных металлургических предприятиях актуальной задачей является определение возможностей СТК не только обеспечивать компенсацию реактивной мощности ДСП, но и генерировать ее в питающую сеть с учетом технологических режимов работы печи, включая явно выраженные несимметричные режимы.
Целью работы является разработка усовершенствованных режимов функционирования СТК, обеспечивающих более полное использование установленной мощности основного электрооборудования комплекса «ДСП-СТК» в различных технологических режимах. Для достижения этой цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:
Проведение экспериментальных исследований существующих режимов работы комплекса «дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор» (ДСП-СТК), а именно: анализ показателей качества напряжения на шинах 35/220 кВ, исследование несимметричных режимов ДСП-180, исследование бросков тока печного трансформатора при его включении на холостом ходу.
Разработка математической модели комплекса «ДСП-СТК» и проверка ее адекватности в статических и динамических режимах.
Разработка режимов работы СТК, обеспечивающих генерацию избыточной реактивной мощности в питающую сеть с сохранением основных функций компенсатора.
Разработка методики оценки несимметричных режимов дуговой печи и расчета оптимальной уставки регулятора СТК на генерацию реактивной мощности в питающую сеть.
Анализ режимов работы комплекса «ДСП-СТК» при использовании нового режима СТК: оценка потерь активной мощности комплекса и показателей качества напряжения на шинах 35 и 220 кВ, оценка производительности ДСП-180, исследование бросков тока печного трансформатора при повышенном напряжении.
Разработка способов снижения потерь активной мощности в комплексе «ДСП-СТК» и уменьшения броска намагничивающего тока печного трансформатора при регулировании напряжения в точке подключения.
Проведение экспериментальных исследований для проверки и подтверждения основных положений работы. Оценка технико-экономической эффективности предлагаемых решений.
Методика проведения исследований базируется на общих положениях теории электрических цепей, автоматического управления, а также математической статистики. Основные результаты диссертационной работы получены на основе математического моделирования в среде Matiab-Simulink. В работе использовано прямое решение интегро-дифференциальных уравнений, в том числе нелинейного уравнения проводимости дуги Касси, статистические методы анализа токов ДСП. Теоре-
5 тические положения диссертационной работы проверялись экспериментально на действующем промышленном оборудовании.
Достоверность научных результатов обеспечена хорошей воспроизводимостью результатов, полученных в результате моделирования, с результатами экспериментальных исследований на действующем оборудовании.
Научная новизна состоит в следующем:
Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден режим работы СТК сверхмощной дуговой сталеплавильной печи с изменяющейся уставкой регулятора реактивной мощности, позволяющий генерировать избыточную реактивную мощность компенсатора в питающую сеть, снизить общие активные потери в комплексе «ДСП-СТК», повысить производительность дуговой печи и снизить броски тока печного трансформатора при его включении.
Разработана методика определения генерирующей способности СТК при несимметричных режимах ДСП, отличительной особенностью которой является учет фактического распределения токов прямой и обратной последовательности действующей ДСП во всех технологических режимах, включая аварийные.
Разработана и реализована математическая модель комплекса «ДСП-СТК», отличающаяся от известных тем, что в ней учитываются особенности работы систем управления СТК и электрическим режимом ДСП, включая САР перемещения электродов, и случайные процессы горения дуг. Данная модель позволяет выполнять более детальные теоретические исследования статических и динамических режимов работы СТК.
Разработан способ снижения бросков тока при включении печного трансформатора, отличающийся от известных тем, что уменьшение амплитуды тока происходит за счет снижения напряжешы на первичной обмотке трансформатора, что достигается переводом СТК в режим потребления реактивной мощности.
Разработан способ снижения потерь активной мощности в электрическом контуре ДСП, заключающийся в автоматической коррекции уставок регулятора импеданса фаз ДСП в функции изменения напряжения на первичной обмотке печного трансформатора.
Практическая ценность заключается в следующем: 1. Применение усовершенствованных режимов работы СТК позволяет более эффективно использовать установленную мощность элементов компенсатора, за счет генерирования избыточной реактивной мощности (порядка 25-30 Мвар) в энергоузел промышленного предприятия. В этом режиме достигается снижение потерь активной мощности комплекса «ДСП-СТК» на 13% при отключенной ДСП, и на 3% при работающей печи с использованием коррекции по напряжению в системе управления электрическим режимом. Увеличение напряжения на первичной обмотке печного трансформатора приводит к повышению электрической мощности, вводимой в печь, и производительности ДСП на 3-5%. Реактивная
мощность, генерируемая в сеть 220 кВ двумя комплексами «ДСП-СТК», приводит к снижению ее поставок из внешней энергосистемы на 20%.
Перевод СТК в режим потребления реактивной мощности позволяет уменьшить амплитуду тока при включении трансформатора в среднем на 25%, что положительно сказывается на увеличении ресурса вакуумного выключателя, фильтрокомпенсирующих цепей СТК.
Результаты исследований переданы в Центральную электротехническую лабораторию, Цех сетей и подстанций и Электросталеплавильный цех ОАО «ММК» для последующего внедрения. Экономический эффект от внедрения определяется снижением потерь активной мощности в элементах комплекса «ДСП-СТК» и составляет более 700 тыс. руб. в год без учета повышения производительности ДСП.
Полученные результаты рекомендуются для внедрения на аналогичных электротехнических комплексах «ДСП-СТК».
На защиту выносятся следующие положения:
Усовершенствованный режим работы СТК сверхмощной ДСП с изменяющейся уставкой на реактивную мощность.
Математическая модель комплекса «ДСП-СТК».
Методика определения генерирующей способности СТК при несимметричных режимах ДСП.
Способ снижения бросков тока при включении печного трансформатора на холостом ходу за счет перевода СТК в режим потребления реактивной мощности.
5. Способ снижения потерь активной мощности в электрическом
контуре ДСП.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на VI Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2008 г.), V Международной конференции-симпозиуме «Проблемы электромагнитной совместимости в силовой электронике», проводимой под эгидой общества ШЕЕ (г. Гданьск, Польша), II Международной конференции «Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях РФ» (г. Магнитогорск, 2007 г.), научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологию) (ГОУ ВПО «ЛГТУ», Липецк, 2006 г.), ежегодных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «МГТУ» (г. Магнитогорск, 2007- 2009 гг.).
Публикации: Результаты диссертационной работы отражены в 17 публикациях, из них 5 - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 92 наименований. Работа изложена на 152 страницах основного текста, содержит 116 рисунков, 24 таблицы и приложения объемом 20 страниц.
Похожие диссертации на Повышение эффективности работы статического тиристорного компенсатора сверхмощной дуговой сталеплавильной печи
