Введение к работе
Актуальность темы. Энергосбережение – эффективное использование энергоресурсов, в том числе и электрической энергии, является одним из приоритетных направлений развития современной экономики как у нас в стране, так и за рубежом. На принятие действенных мер, обеспечивающих эффективное электропотребление, направлены обращения и указы Президента России, в частности, Федеральный закон "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» от 23.11.2009. Острота проблемы обусловлена непрерывно возрастающим потреблением невосполнимого углеводородного сырья и увеличением стоимости электроэнергии, производимой на его основе.
Металлургические предприятия России потребляют более 18% вырабатываемой электрической энергии. С переходом на рыночные отношения составляющая энергозатрат в себестоимости металлопродукции выросла более чем в три раза с 10–12% до 35–40%. Десятилетия неэффективного использования энергоресурсов создали огромный потенциал энергосбережения.
Мощные электротехнические комплексы черной металлургии, в первую очередь, главные электроприводы прокатных станов, сверхмощные дуговые сталеплавильные печи (ДСП), как приемники электрической энергии, характеризуются нелинейной и несимметричной нагрузкой с резкопеременными характером ее изменения. Их суммарная установленная мощность в масштабах отдельного предприятия составляет не менее половины всей потребляемой мощности. При эксплуатации таких электротехнических комплексов наиболее актуальными являются две проблемы:
- во-первых, снижение электропотребления при сохранении заданной производительности комплекса;
- во-вторых, соблюдение требований электромагнитной совместимости (ЭМС) потребителей с питающей сетью.
С увеличением протяженности электрических сетей и установленной мощности потребителей существенно возросли потери электроэнергии при ее транспортировке. Во внутризаводских сетях 35–110 кВ они достигают 10–15% передаваемой мощности. Значительная часть этих потерь вызвана перетоками реактивной мощности, что свидетельствует о низкой степени её компенсации в месте потребления. Существующие показатели отечественных предприятий – 0,2-03 квар на один кВт установленной мощности электростанций, значительно уступают аналогичным показателям в промышленно развитых странах. Дополнительные потери в силовом электрооборудовании вызывают высшие гармоники в кривой питающего напряжения. Основной причиной отклонений и колебаний напряжения в узле нагрузки являются набросы реактивной мощности.
Наиболее эффективными мероприятиями, обеспечивающими снижение потребления электроэнергии приемниками черной металлургии, являются повышение её качества и компенсация реактивной мощности. В этой связи актуальной и практически значимой является задача наиболее полного использования всех установленных компенсирующих устройств металлургического комплекса. Это относится, в первую очередь, к статическим тиристорным компенсаторам сверхмощных ДСП, а также мощным синхронным турбодвигателям кислородных и компрессорных станций.
Большой вклад в развитие теории и разработку непосредственно компенсирующих устройств внесли отечественные и зарубежные учёные: В.А. Веников, Л.А Жуков, С.Р. Глинтерник, А.В. Баев, Ю.И. Хохлов, Я.Ю. Солодухо, Л.А. Добрусин, А.Г. Павлович, В.А. Чванов, О.П. Кочкин, В.И. Нечаев, Л.А. Кучумов, В.М. Салтыков, В.П. Рубцов, Г.Я. Вагин, Ю.С. Железко, И.В. Жежеленко, L. Gyugyi, N.G. Hingorani.
Вместе с тем, до настоящего времени не сформулирован системный подход к оценке роли компенсирующих устройств в обеспечении эффективного функционирования крупного металлургического предприятия с уникальными комплексами мощностью 100 МВт и выше; не содержится сведений о широком промышленном внедрении регулируемых компенсирующих устройств для тиристорных электроприводов прокатных станов, не рассмотрены вопросы повышения эффективности использования компенсирующих устройств сверхмощных ДСП и оценки их технико-экономических показателей с учётом режимов работы компенсирующих устройств.
Решению отмеченных проблем посвящены исследования и разработки, обобщённые в диссертации и определяющие её сущность и актуальность.
Цель работы – разработка и внедрение научно обоснованных технических решений, обеспечивающих снижение электропотребления и повышение качества электроэнергии энергоёмких электротехнических комплексов металлургических предприятий, за счёт эффективного использования регулируемых компенсирующих устройств.
Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:
1. Анализ основных причин как технологического, так и электрического характера снижения энергетических показателей основных электротехнических комплексов металлургического производства.
-
Экспериментальные исследования воздействий мощных электроприёмников с нелинейными характеристиками на питающую сеть, расчёт показателей электромагнитной совместимости.
-
Исследование компенсированных тиристорных преобразователей постоянного тока и разработка системы управления реактивной мощностью электроприводов прокатных станов с использованием синхронного двигателя (СД) с автоматическим регулированием возбуждения (АРВ).
-
Разработка математических моделей исследуемых электротехнических комплексов с использованием аппарата математической статистики и теории вероятности для расчёта энергетических показателей при случайных возмущениях.
-
Обоснование рациональных диапазонов изменения реактивной мощности (в режиме генерации и потребления) статического тиристорного компенсатора ДСП. Исследование влияния новых режимов на энергетические параметры печи и показатели электромагнитной совместимости комплекса «дуговая сталеплавильная печь – статический тиристорный компенсатор» «ДСП- СТК» с питающей сетью.
-
Разработка способа снижения бросков тока при включении печного трансформатора за счёт кратковременного перевода компенсатора в режим потребления реактивной мощности.
-
Разработка систем АРВ с переменной структурой для мощных СД с ударной нагрузкой, обеспечивающих демпфирование качаний ротора за счёт регулирования активной составляющей тока статора и генерирование реактивной мощности в режиме холостого хода.
-
Экспериментальное исследование разработанных положений, их апробация и внедрение полученных результатов.
Методы исследований. В работе использованы базовые положения теории автоматического управления, автоматизированного электропривода и силовой электроники, методы математической статистики и операционного исчисления. Решения отдельных задач получены с применением аппарата передаточных функций и математического моделирования в среде Matlab-Simulink. Моделирование выполнялось на основе прямого решения системы интегро-дифференциальных уравнений, в том числе нелинейного уравнения Касси для проводимости дуги. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена допустимым расхождением между результатами теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на действующем оборудовании.
Научная новизна работы заключается в том, что она углубляет и расширяет теоретические представления об эффективном использовании регулируемых устройств компенсации реактивной мощности энергоёмких электротехнических комплексов; предлагает новые принципы и режимы управления статических компенсаторов сверхмощных дуговых печей и тиристорных электроприводов прокатных станов, раскрывает возможности и резервы регулирования реактивной мощности синхронных двигателей.
В работе получены следующие основные научные результаты:
1. На основании анализа рабочих и электрических характеристик сформулированы условия эффективного электропотребления основных электротехнических комплексов металлургического производства: прокатных станов, дуговых электропечей, сетевых синхронных двигателей за счёт регулирования реактивной мощности. Обоснованы критерии оптимизации при выборе мощности и режимов работы компенсирующих устройств.
2. Разработаны принципы использования компенсирующей способности мощных СД с ударным и спокойным характером изменения нагрузки и алгоритмы управления возбуждением таких двигателей. Сформулирован и реализован способ формирования тока возбуждения СД, обеспечивающий поддержание коэффициента мощности (), с наиболее простой структурой управления, разработаны способ и система автоматического регулирования возбуждения СД с переменной структурой, обеспечивающие регулирование активной составляющей тока статора при наличии нагрузки на валу двигателя и регулирование реактивной составляющей в режиме холостого хода.
3. Разработана динамическая математическая модель комплекса «ДСП-СТК», адекватно отражающая реальные физические процессы. Её особенность состоит в том, что учитывается постоянная времени дуги, кривая намагничивания трансформатора, гидравлическая система перемещения электродов, а также тиристорно-реакторная группа с цифровой системой управления тиристорами. Случайные возмущения задаются с помощью формирующих фильтров, передаточные функции которых синтезированы на основе статистической обработки экспериментальных данных действующей ДСП.
4. Теоретически обоснован и экспериментально исследован способ регулирования реактивной мощности статического компенсатора ДСП как в режиме ее генерирования, так и потребления. В первом случае достигается повышение производительности за счёт увеличения мощности, вводимой в печь, во втором случае создаются условия для снижения бросков тока при включении печного трансформатора.
5. Разработана методика расчёта генерирующей способности статического компенсатора при несимметричных режимах работы ДСП, включая аварийные. Она основана на построении фактической области распределения токов прямой и обратной последовательностей работающей печи во всех технологических режимах и наложении на неё расчётной области ограничений при различных уровнях генерирования реактивной мощности.
6. Разработан способ снижения бросков тока при включении печного трансформатора, отличающийся от известных тем, что цель достигается за счёт снижения напряжения на первичной обмотке трансформатора путём перевода статического компенсатора в режим потребления реактивной мощности.
7. Для тиристорных электроприводов прокатного стана разработаны способ и система автоматического управления реактивной мощностью в узле нагрузки, обеспечивающие подавление высших гармоник тока и стабилизацию напряжения за счёт регулирования реактивной мощности. Регулирование осуществляется ступенчатым изменением мощности конденсаторов с последующей плавной подстройкой реактивной мощности за счет изменения тока возбуждения СД черновой группы стана.
8. В результате теоретических и экспериментальных исследований разработанных систем управления реактивной мощностью подтверждены их работоспособность и высокая технико-экономическую эффективность.
На выполненные разработки получены 14 авторских свидетельств и патентов.
Практическая ценность и реализация работы заключается в следующем:
1. Разработано устройство, позволяющее практически реализовать принципиально новый способ автоматического управления реактивной мощностью в узле нагрузки 10 кВ широкополосного стана горячей прокатки, обеспечивающее регулируемую компенсацию реактивной мощности в зависимости от нагрузки главных электроприводов.
2. Разработана система управления возбуждением синхронных двигателей с ударной и спокойной нагрузкой, позволяющая повысить устойчивость двигателя и снизить потери активной мощности.
3. Усовершенствованные режимы работы СТК сверхмощной ДСП внедрены в электросталеплавильном цехе ОАО «ММК», что 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%.
4. Перевод СТК в режим потребления реактивной мощности позволяет уменьшить амплитуду тока при включении печного трансформатора в среднем на 25%, что положительно сказывается на увеличении его ресурса и фильтрокомпенсирующих цепей СТК.
5. Разработана и практически исполнена система управления тиристорным ключом, обеспечивающая безтоковую коммутацию конденсаторных батарей.
6. Разработанная система АРВ, реализующая принцип параметрического управления, исполнена для синхронного двигателя турбокомпрессора 10000 кВт в кислородном цехе ОАО «ММК». Показано, что она обеспечивает устойчивую работу СД с коэффициентом мощности, равным единице во всех технологических режимах.
7. Разработанная система управления возбуждением СД с переключающейся структурой внедрена в эксплуатацию в электроприводах черновой группы стана 2000 ОАО «ММК». Экспериментально доказано, что ее использование обеспечивает снижение потерь электрической энергии за счет регулируемой компенсации реактивной мощности и повышение динамической устойчивости СД в режиме ударного приложения нагрузки.
8. Суммарный экономический эффект от внедрения результатов работы на ОАО «ММК» превышает 7,6 млн. кВтч/год, что составляет в денежном выражении около 10 млн. руб./год.
9. Результаты работы рекомендуются для практического внедрения на аналогичных металлургических предприятиях с полным технологическим циклом - ОАО «НЛМК» (г. Липецк), ОАО «Северсталь» (г. Череповец), а также ОЭМК (г. Старый Оскол), ОАО «Мечел» (г. Челябинск) и др.; в учебном процессе при подготовке специалистов энергетических и электротехнических направлений.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждены правомерностью принятых исходных положений и корректным применением методов теории электропривода, теории автоматического управления и статистической обработки данных, а также достаточно малым расхождением результатов моделирования с результатами экспериментальных исследований на действующем оборудовании.
К защите представляются следующие основные положения:
1. Результаты экспериментальных исследований энергоемких электротехнических комплексов металлургического производства с нелинейной резкопеременной нагрузкой и оценка показателей электромагнитной совместимости этих комплексов на примере ОАО «ММК».
2. Способ и система автоматического управления реактивной мощностью и улучшения гармонического состава тока и напряжения в узле нагрузки, согласно которым осуществляется ступенчатое изменение емкости батарей статических конденсаторов и последующая плавная подстройка за счет автоматического регулирования тока возбуждения синхронного двигателя.
3. Способ и система автоматического регулирования возбуждения СД с переменной структурой, обеспечивающие регулирование активной составляющей тока статора при наличии нагрузки на валу СД и регулирование реактивной составляющей в режиме холостого хода.
4. Система управления возбуждением СД, обеспечивающая поддержание независимо от режима нагрузки, имеющая наиболее простую структуру по сравнению с известными системами АРВ.
5. Усовершенствованный 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.
6. Методика определения генерирующей способности СТК при несимметричных режимах ДСП, отличительной особенностью которой является учет фактического распределения токов прямой и обратной последовательностей сети действующей ДСП во всех технологических режимах, включая аварийные.
7. 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 выполнить наиболее полные теоретические исследования статических и динамических режимов СТК.
8. Способ снижения бросков тока при включении печного трансформатора, отличающийся от известных тем, что уменьшение амплитуды тока происходит за счет снижения напряжения на первичной обмотке трансформатора путём перевода СТК в режим потребления реактивной мощности.
9. 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.
10. Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанных систем управления реактивной мощностью, подтвердившие их работоспособность и высокую технико-экономическую эффективность применения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах энергетического факультета ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет», а также на следующих основных международных конгрессах, конференциях и совещаниях:
IV, V Международных (XV, XVI Всероссийских) конференциях по автоматизированному электроприводу АЭП-2004 (Магнитогорск, 2004 г.), АЭП-2007 (Санкт-Петербург, 2007 г.); Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (Томск, 2003 г.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2007 г.); Международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий – прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (г. Челябинск, 2007 г.); 2-ой Международной научно-технической конференции «Создание и внедрение корпоративных информационных систем на промышленных предприятиях Российской Федерации» (Магнитогорск, 2007 г.); I Международной научно-практической конференции «Интехмет-2008» (Санкт-Петербург, 2008 г.); 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 IEEE (Гданьск, Польша), II Международной конференции «Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях РФ» (Магнитогорск, 2007 г.), научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (ГОУ ВПО «ЛГТУ», Липецк, 2006 г.), а также ежегодных научно-технических конференциях по итогам научно - исследовательских работ (Магнитогорск, МГТУ, 2003 – 2009 гг.).
Диссертационная работа рекомендована к защите расширенным заседанием кафедры электроснабжения промышленных предприятий энергетического факультета ГОУ ВПО “Магнитогорский ГТУ им. Г.И. Носова” (март 2010) и заседанием кафедры автоматизированного электропривода ГОУ ВПО “Московский энергетический институт ( Технический Университет)” ( март 2010).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 51 печатных трудах, в том числе 23 статьи в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ по направлению «Энергетика», 14 авторских свидетельств и патентов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 185 наименований и 5 приложений на 28 страницах. Работа изложена на 378 страницах машинописного текста, содержит 183 рисунков, 34 таблицы.
