Введение к работе
Актуальность работы. В современных электросталеплавильных и конверторных цехах все большее распространение получают агрегаты «печь-ковш» (АПК), предназначенные для доводки химического состава и температуры стали, выпущенной из дуговой сталеплавильной печи (ДСП) или конвертора. По своему характеру АПК является неспокойной нагрузкой, вызывающей колебания и отклонения, несимметрию и несинусоидальность напряжения, которые, несмотря на то, что выражены менее значительно, чем у ДСП, оказывают негативные влияния на системы электроснабжения (СЭС) сталеплавильных производств особенно при недостаточной их мощности. Другим негативным фактором является низкий коэффициент мощности АПК, сохраняющийся на всех стадиях плавки, поскольку он работает с «короткой» дугой и простое увеличение ее длины невозможно по соображениям технологии и стойкости самого агрегата. Для борьбы с указанными явлениями принимаются меры, разработанные для СЭС с ДСП. Если в отношении показателей качества электроэнергии они вполне обоснованы, то в части потребления АПК избыточной реактивной мощности не вполне эффективны. Снизить ее можно не только путем применения компенсирующих устройств, но и за счет организации рационального режима работы. При этом, помимо электрических показателей, необходимо учитывать также и технологические: расход шлакообразующих, износ футеровки, скорость нагрева металла. В настоящее время данный подход проработан недостаточно, хотя и является перспективным, поскольку для его реализации необходимо только создание соответствующего алгоритма работы регулятора мощности АПК. Таким образом, решение задачи повышения коэффициента мощности АПК путем выбора рационального электрического и технологического режима работы является актуальным и своевременным.
Цель работы заключается в организации рациональных электрических режимов работы АПК посредством определения и поддержания по ходу плавки значений тока электрода, напряжения дуги и толщины слоя шлака, при которых достигается наименьшее потребление электроэнергии с наибольшей скоростью нагрева металла; разработке алгоритма управления фильтрокомпенсирующим устройством (ФКУ), обеспечивающего рациональный режим и минимизацию коэффициента несинусоидальности питающего напряжения.
Идея работы состоит в решении системы дифференциальных уравнений теплового баланса АПК с целью определения рациональных величин тока электрода, напряжения дуги и толщины слоя шлака с последующей их коррекцией по ходу плавки путем поддержания максимума коэффициента интенсивности нагрева металла (k ИН); управлении ФКУ на основании предварительного моделирования показателей качества электроэнергии (ПКЭЭ) в зависимости от различных способов включения его секций.
Научная новизна работы состоит в разработанной математическая модели функционирования АПК, отличающейся от существующих тем, что для описания теплового баланса используются не алгебраические уравнения в конечных приращениях, а система дифференциальных уравнений, которая с большей точностью устанавливает связь между электрическими и тепловыми характеристиками агрегата; предложенной формуле определения kИН, учитывающей протекание тока через слой рафинировочного шлака, и разработке рекомендаций для применения этого показателя с целью минимизации расхода электроэнергии, повышения коэффициента мощности, увеличения скорости нагрева металла; созданном для инженерных расчетов электрических режимов АПК методе круговых диаграмм, отличающимся от существующих возможностью построения на одной диаграмме годографов токов электрода и дуги для разных значений сопротивления слоя рафинировочного шлака; разработанном алгоритме работы регулятора мощности, отличающемся от существующих периодической коррекцией в течение плавки тока электрода и напряжения дуги, основанной на поддержании максимума k ИН, определяемого с помощью предложенной уточненной формулы; разработанном алгоритме управления ФКУ, отличающимся от существующих выбором числа и мощности включаемых секций ФКУ на основании предварительной оценки потребляемой агрегатом реактивной мощности и предварительного моделирования ПКЭЭ в зависимости от различных способов включения ее секций.
Практическая ценность состоит в том, что разработанные алгоритмы и способы управления агрегатом позволяют снизить потребление активной и реактивной электроэнергии, уменьшить потери мощности, организовать рациональный режим напряжения в питающей системе электроснабжения, повысить производительность агрегата.
Методы и объекты исследования. В ходе работы применялись методы математической статистики и дифференциальных уравнений в частных производных. Объекты исследования: система электроснабжения сталеплавильного производства; электрическая часть АПК. Предмет исследования: электрические и тепловые режимы АПК; режим напряжения в исследуемой СЭС. Анализу и обработке подвергались данные функционирования СЭС печного отделения Конверторного цеха №2 (КЦ-2) ОАО «НЛМК» с двумя 330 тонными АПК с трансформаторами мощностью 45 МВА.
Достоверность результатов и выводов подтверждена формулировкой задач исследования, сделанной исходя из всестороннего анализа опыта эксплуатации; предварительной выборкой данных, полученных в реальных производственных условиях с помощью современных измерительных приборов; удовлетворительным совпадением результатов проверочных расчетов существующих режимов работы АПК с применением разработанной математической модели с данными, полученными непосредственно при работе агрегата.
Реализация работы. Результаты работы использованы в качестве рекомендаций к инструкции по эксплуатации агрегатов «печь-ковш» КЦ-2 ОАО «НЛМК» по организации рационального электрического и теплового режима АПК, основанного на определении и поддержании с периодической коррекцией рациональных значений тока электрода и напряжения дуги. Способ анализа электрических и тепловых режимов работы АПК при помощи системы дифференциальных уравнений и инженерный метод расчета электрических режимов АПК при помощи круговых диаграмм использованы в КЦ-2 в качестве дополнения к существующим способам расчета электрических и технологических режимов АПК. Ожидаемый экономический эффект составит 370,6 тысяч рублей в год для двух 330 тонных АПК Конверторного цеха №2 ОАО «НЛМК».
На защиту выносится:
Математическая модель функционирования электрической и тепловой части агрегата «печь-ковш»;
Способ построения и анализа электрических характеристик АПК с учетом ответвления части тока электрода в проводящий рафинировочный шлак;
Способ анализа работы электрической части АПК при помощи круговых диаграмм, учитывающий одновременное изменение тока электрода и сопротивления проводящего слоя рафинировочного шлака;
Метод построения рациональных электрических режимов работы АПК с помощью совместного анализа системы дифференциальных уравнений теплового баланса и изменения коэффициента интенсивности нагрева металла, определяемого с помощью предложенного в работе выражения;
Алгоритм организации управления ФКУ путем предварительной оценки ПКЭЭ в зависимости от числа и сочетания включаемых в работу секций ФКУ.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 10-й Международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение XXI век», г. Орёл; Областной научной конференции по проблемам технических наук, г. Липецк.
Публикации. Опубликовано 7 работ, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и двух приложений. Общий объем работы 161 с., в том числе 140 с. основного текста, 33 рисунка, 22 таблицы, библиографический список литературы 114 наименований на 10 с. и 2 приложения на 11 страницах.
