Энергосберегающий автоматизированный электропривод широкополосного стана горячей прокатки

На современном этапе развития мировой экономики важнейшей среди межотраслевых проблем является энергосбережение. Это объясняется объективно сложившейся ситуацией, когда проблема нерационального использования энергии получила характер «неизлечимой болезни» [1]. Достаточно отметить, что сегодня в России на единицу выпускаемой продукции расходуется в три раза больше энергетических ресурсов, чем в индустриально развитых странах мира, что делает нашу экономику неконкурентоспособной как на мировом, так и на внутреннем рынках [2, 3].

Проведение технических и организационных мероприятий, связанных с энергосбережением, рациональным потреблением энергии, требует несоизмеримо меньших затрат и усилий по сравнению с затратами на ее дополнительное производство. Практически неограниченные резервы энергосбережения имеются в черной металлургии, предприятия которой потребляют около 18% вырабатываемой в стране электроэнергии [4]. В связи с ростом цен на энергоносители составляющая энергозатрат в себестоимости товарной продукции в черной металлургии в настоящее время достигает 40−45%. Высокая энергоемкость металлургического производства при непрерывном росте стоимости энергоресурсов обуславливает исключительную важность энергосбережения для всех его переделов.

Основным потребителем электрической энергии в черной металлургии является электропривод (ЭП). Установленная мощность электродвигателей на металлургических предприятиях составляет 86,9% мощности всего оборудования, а потребление электроэнергии ими составляет 65,1% общего электропотребления [5, 6]. В связи с этим наибольший процент экономии электрической энергии может быть получен за счет улучшения энергетических показателей электроприводов и в частности, тиристорных ЭП прокатных станов.

Абсолютное большинство отечественных широкополосных станов горячей прокатки (ШСГП) оснащено электроприводами постоянного тока с двухзонным регулированием скорости [7, 8]. Задача улучшения энергетических показателей таких ЭП является наиболее актуальной в связи с их высокой энергоемкостью. Достаточно отметить, что установленная мощность электрооборудования широкополосного стана 2000 горячей прокатки ОАО «ММК» составляет 362 МВА [8]. Годовое потребление электроэнергии листопрокатным цехом № 10 (ЛПЦ-10), где расположен стан 2000, превышает 390 млн. кВт-ч. Установленная мощность электроприводов клетей стана 2000 составляет 139 МВт, в том числе более 96 МВт (26,6%) приходится на долю главных ЭП чистовой группы. Единичная мощность электропривода чистовой клети превышает 14 МВт. Энергетические показатели подобных приводов далеки от оптимальных. Отсюда следует, что поиск резервов экономии электрической энергии в столь мощных потребителях является важной научной и практической задачей.

Основная причина ухудшения энергетических показателей тиристор-ных ЭП вызвана потреблением реактивной мощности, связанным с фазовым регулированием выпрямленного напряжения. Уровень потребляемой реактивной мощности находится в прямой зависимости от величины запаса тири-сторного преобразователя (ТП) по напряжению, т. е. от разности между максимальным выпрямленным напряжением при нулевом угле управления и фактическим выпрямленным напряжением в установившемся режиме работы под нагрузкой [9].

Актуальность задачи снижения электрических потерь и повышения устойчивости прокатки при отклонениях напряжения сети усиливается в связи с переходом широкополосных станов на производство толстых полос из труднодеформируемых марок стали [10, 11]. Так, на стане 2000 освоена прокатка трубной заготовки — полосы толщиной до 18 мм из сляба толщиной до 300 мм. Переход на производство горячекатаных полос толщиной до 25 мм на современных ШСГП является общемировой тенденцией.

Прокатка трубной заготовки на стане 2000 осуществляется на низких скоростях (в ряде случаев, от 0,5 номинальной) при высоких обжатиях, и соответственно при высокой неравномерной нагрузке электроприводов. Исследования режимов прокатки таких полос представлены в [11, 12]. Такая прокатка приводит к опасности потери управляемости электропривода в связи с размыканием контура регулирования скорости. Этот режим, являющийся в условиях непрерывной прокатки аварийным, возникает при насыщении ти-ристорного преобразователя, которое может быть вызвано двумя основными причинами: снижениями напряжения питающей сети 10 кВ, достигающими при прокатке полос «тяжелого» сортамента 10−15% номинального значения, и значительным перерегулированием выпрямленной ЭДС ТП в динамических режимах, вызванных ударным приложением нагрузки либо ускорением с металлом в валках. Причем в последнем режиме превышение выпрямленной ЭДС над установившемся значением возникает как в процессе разгона (плавное увеличение, достигающее максимального значения в конце разгона), так и в связи с перерегулированием в начальный момент ускорения, вызванным динамическим приращением тока.

Перечисленные особенности прокатки трубной заготовки приводят к необходимости поддержания запаса выпрямленной ЭДС ТП, достигающего на стане 2000 16−25%, что приводит к значительным потерям электрической энергии, вызванной потреблением реактивной мощности (до 5 МВар на клеть). Кроме того, ухудшаются условия коммутации на коллекторе, связанные с перерегулированием выпрямленной ЭДС и соответственно с увеличением межламельного напряжения в динамических режимах [13−15].

Разработки устройств и способов управления, позволяющих за счет схемотехнических решений уменьшить величину требуемого запаса выпрямленной ЭДС ТП, в последние десятилетия проводились Московским энергетическим институтом (Техническим университетом) [16−22], ОАО «Электропривод» [23−26], фирмой «Уралмаш — Металлургическое оборудование» (ранее НИИ Тяжмаш ПО «Уралмашзавод») [27−29], ВНИПИ «Тяж-промэлектропроект» [17−20, 30−33], государственным прокатным институтом «Электротяжхимпроект» [34−38], зарубежными фирмами «Siemens», «SMS-Demag» (Германия), «Voest-Alpine Industrieanlagenbau» [10] и другими.

Однако данная задача по-прежнему является актуальной в связи с отсутствием информации о промышленном внедрении технических решений, обеспечивающих снижение потребления реактивной мощности без применения фильтро-компенсирующих устройств.

Целью диссертационной работы являются разработка и промышленное внедрение энергосберегающих автоматизированных электроприводов прокатных станов, обеспечивающих снижение потерь электрической энергии за счет уменьшения потребления реактивной мощности.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Анализ причин ухудшения энергетических показателей тиристорных электроприводов прокатных станов. Выбор и обоснование направлений энергосбережения за счет совершенствования систем двухзонного регулирования скорости.

2. Экспериментальные исследования напряжения секций 10 кВ стана 2000 ОАО «ММК» и динамических режимов электроприводов за цикл прокатки. Разработка системы управления возбуждением, обеспечивающей необходимый запас выпрямленной ЭДС ТП при отклонениях напряжения сети.

3. Разработка способов улучшения энергетических показателей электроприводов прокатных станов. Разработка энергосберегающих электроприводов с двухзонным регулированием скорости с переключающимися структурами.

4. Разработка математических моделей. Исследование разработанных электроприводов методами математического моделирования. Разработка лабораторной экспериментальной установки. Исследования в лабораторных условиях.

5. Экспериментальные исследования разработанных электроприводов на стане 2000 ОАО «ММК». Опытно-промышленные испытания внедренной системы двухзонного регулирования. Оценка технико-экономической эффективности результатов внедрения.

В соответствии с поставленными задачами содержание работы изложено следующим образом:

В первой главе рассмотрена система двухзонного зависимого в функции ЭДС двигателя регулирования скорости. Дан анализ причин ухудшения энергетических показателей тиристорных электроприводов прокатных станов. Рассмотрена концепция систем двухзонного регулирования, в основу которой положен принцип перераспределения запаса выпрямленной ЭДС в установившихся и динамических режимах. Рассмотрены известные электроприводы с двухзонным регулированием скорости, реализующие данную концепцию.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям напряжения секций 10 кВ стана 2000 ОАО «ММК». Представлены осциллограммы отклонений напряжений, связанных как с нагрузкой электроприводов, так и случайных, вызванных нагрузкой сторонних потребителей. Предложена система двухзонного регулирования скорости (ДЗРС) с автоматическим регулированием уставки ЭДС в функции напряжения сети. Выполнен анализ осциллограмм координат электропривода за цикл прокатки. Дана оценка энергетических показателей электроприводов стана 2000.

Третья глава посвящена разработке тиристорных электроприводов с двухзонным регулированием скорости с улучшенными энергетическими показателями. Предложены способ и система зависимого управления потоком возбуждения с автоматическим регулированием выпрямленной ЭДС тири-сторного преобразователя. Разработан электропривод обеспечивающий снижение запаса выпрямленной ЭДС ТП в режиме ускорения под нагрузкой. Предложена схема комбинированной системы двухзонного регулирования, обеспечивающей снижение запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя в течение всего цикла прокатки.

В четвертой главе выполнены исследования разработанных электроприводов методами математического моделирования и на лабораторной установке. Представлено описание разработанной математической модели ДЗРС с переключающимися структурами. Выполнено исследование динамических режимов электроприводов в существующей и разработанных системах. Дано описание разработанной лабораторной установки. Представлены результаты экспериментальных исследований координат электроприводов за цикл прокатки. Выполнены исследования переходных процессов при отклонениях напряжения сети в системе с регулированием уставки ЭДС в функции напряжения сети.

Пятая глава посвящена результатам экспериментальных исследований разработанных электроприводов на стане 2000 ОАО «ММК». Представлены схемы подключения дополнительных блоков. Рассмотрены осциллограммы переходных процессов электропривода в динамических режимах и за цикл прокатки. Представлены результаты опытно-промышленных испытаний внедренной системы. Выполнена статистическая оценка полученных в ходе ос-циллографирования результатов. Дана оценка технико-экономической эффективности внедрения.

В заключении приводятся выводы по работе.

В приложении приведены данные электрооборудования стана 2000, использованные при расчетах, структурные схемы математических моделей, акт внедрения результатов работы, акт опытно-промышленных испытаний и копия решения о выдачи патента на изобретение.

По содержанию диссертационной работы опубликовано 14 научных трудов, в том числе 4 в рецензируемых изданиях, поданы 2 заявки на получение патентов РФ, получено решение о выдаче патента. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня, в том числе 6-и международных.

Исследования по теме диссертационной работы выполнялись в рамках Государственного контракта № 16.740.11.0072 «Создание энергосберегающих автоматизированных электроприводов и систем управления, обеспечивающих снижение потребления электрической энергии при производстве листового проката на отечественных металлургических предприятиях» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы и гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых ученых МК-183.2009.8 (соисполнитель гранта).

По теме диссертации, при непосредственном участии автора в 2010 г. выполнена научно-исследовательская работа по договору с ОАО «ММК» (№ 181 051 от 02.04.2010 г.) по теме «Разработка способа и устройств управления главными электроприводами стана 2000, обеспечивающих снижение потерь электрической энергии без применения компенсирующих устройств».

ВЫВОДЫ.

1. Разработанная комбинированная система двухзонного регулирования скорости с автоматическим регулированием задания выпрямленной ЭДС внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию на стане 2000 ОАО «ММК».

2. В результате экспериментов показано, что переходный процесс ускорения электропривода под нагрузкой в разработанной системе происходит при постоянстве выпрямленной ЭДС Еа= 900 В и снижении ЭДС двигателя от 865 В до 844 В. Ограничение выпрямленной ЭДС ТП на заданном уровне при плавном увеличении нагрузки ЭП создает возможности снижения максимальной выпрямленной ЭДС.

3. Отработка ударного приложения нагрузки во внедренной системе происходит без перерегулирования Еа. Переходные процессы координат электропривода имеют практически идентичный характер с небольшими отклонениями (2,5−5%), вызванными различием начальных скоростей и уровней токов нагрузки.

4. Внедрение разработанной комбинированной системы ДЗРС обеспечивает исключение превышения выпрямленной ЭДС ТП над установившем значением в динамических режимах, возникающих за цикл прокатки. Это позволяет снизить запас выпрямленной ЭДС ТП на величину максимального превышения ЭДС над установившемся значением (при максимальном токе нагрузки ЭП — на 12−16%) и за счет этого добиться уменьшения уровня потребляемой реактивной мощности.

5. Предложены практические мероприятия по снижению запаса выпрямленной ЭДС ТП, основными из которых являются переключение отпаек анцапф преобразовательных трансформаторов, обеспечивающее снижение вторичного напряжения на 5% и повышение уставки ЭДС в установившемся режиме работы под нагрузкой до номинального уровня.

6. Внедрение разработанной системы двухзонного регулирования и проведение названных мероприятий обеспечивают:

• снижение потребления реактивной мощности, в результате чего обеспечивается уменьшение потерь электрической энергии на 1,87 млн. кВт-ч/год;

• улучшение условий коммутации двигателей чистовой группы при работе в режиме ослабления поля за счет ограничения межламельного напряжения в динамических режимах;

• обеспечение безопасного инвертирования при снижениях напряжения сети;

• обеспечение технической возможности прокатки полос «тяжелого» сортамента.

7. При стоимости электрической энергии Сэл = 1450,93 руб./тыс.кВт-час (по цене 2010 г.) расчетный экономический эффект в денежном выражении составляет 2713 тыс. руб./год. При этом экономический эффект достигается без применения компенсирующих устройств за счет совершенствования систем управления электроприводов, т. е. практически без капитальных затрат.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований показано, что ухудшение энергетических показателей тиристорных электроприводов клетей стана 2000 ОАО «ММК» вызвано динамическим запасом выпрямленной ЭДС, составляющем 23,6% максимальной выпрямленной ЭДС или 27,1% номинального выпрямленного напряжения. Уровень реактивной мощности при номинальном токе нагрузки составляет около 5 МВАр (на клеть), что приводит к потерям электрической энергии в пределах.

5,5 млн. кВт ч/год.

2. Разработана система ДЗРС с автоматическим регулированием уставки ЭДС в функции напряжения сети, обеспечивающая запас выпрямленной ЭДС ТП, необходимый для безопасного инвертирования, за счет автоматического пропорционального снижения ЭДС двигателя при отклонениях напряжения сети.

3. Разработаны способ и система двухзонного регулирования скорости с автоматическим регулированием задания выпрямленной ЭДС, обеспечивающие отработку ударного приложения нагрузки и режима ускорения электропривода под нагрузкой без превышения выпрямленной ЭДС ТП установившегося значения.

4. Разработан электропривод с переключающейся структурой, обеспечивающий снижение запаса выпрямленной ЭДС ТП за счет ограничения ее перерегулирования в начальный момент ускорения электродвигателя, возникающего вследствие динамического падения напряжения на индуктивном сопротивлении цепи выпрямленного тока.

5. Разработан электропривод с переключением координаты, регулируемой по цепи возбуждения, и автоматическим изменением задания ЭДС, обеспечивающий уменьшение запаса выпрямленной ЭДС путем ее ограничения на номинальном уровне в течение всего цикла работы под нагрузкой.

6. В результате исследований, выполненных с помощью разработанной математической модели, а также экспериментальных исследований на созданной лабораторной установке, подтверждена целесообразность внедрения предложенных систем двухзонного регулирования в электроприводах стана 2000. Установлено, что показатели основных координат электропривода в динамических режимах за цикл прокатки в существующей и разработанных системах отличаются на 2,5−5%. Следовательно, применение разработанных систем не приведет к отклонению параметров технологического процесса.

7. Разработанная система двухзонного регулирования скорости с автоматическим регулированием задания выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя внедренае опытно-промышленную эксплуатацию в чистовой группе стана 2000 ЛПЦ-10 ОАО «ММК». В ходе экспериментов, проведенных на стане, подтверждены работоспособность разработанной системы и высокая техническая эффективность ее применения.

8. Показано, что за счет внедрения разработанной системы и проведения мероприятий по снижению запаса выпрямленной ЭДС тиристорных преобразователей экономия электрической энергии составит не менее 1,87 млн. кВт-ч/год. Расчетный экономический эффект в денежном выражении превышает 2,7 млн руб./год.