Разработка динамических и статистических методов энергосберегающего совершенствования работы дуговых сталеплавильных печей

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.

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.