Улучшение энергетических показателей сверхмощных дуговых сталеплавильных печей за счет тиристорного регулирования напряжения электропечных трансформаторов Якимов Иван Александрович

Введение к работе

Актуальность темы. Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) являются самыми энергоемкими электротехническими комплексами металлургических предприятий. Электропотребление современных сверхмощных ДСП составляет 120–150 МВт, при этом реактивная мощность достигает 80–100% от активной. Помимо этого ДСП являются электроприемниками с нелинейной, резкопере-менной и несимметричной нагрузкой. Их работа вызывает сильные возмущения в питающей сети, что является причиной ухудшения показателей качества электроэнергии.

При эксплуатации ДСП актуальными являются проблемы поиска резервов энергосбережения и повышения производительности при изменении технологических и электрических параметров в широких пределах, а также обеспечение электромагнитной совместимости с сетью. Решение этих проблем является актуальным для Магнитогорского металлургического комбината (ПАО «ММК»), в электросталеплавильном цехе (ЭСПЦ) которого установлены две ДСП сверхвысокой мощности. Рабочая емкость каждой печи составляет 180 т, годовая производительность – 2 млн т стали, мощность печного трансформатора (ПТ) – 150 МВА.

Значительное влияние на процесс плавления и потребление электрической энергии оказывает высокая дисперсия токов, которая неизбежно возникает в процессе расплава электрической шихты. Снижение колебаний токов дуг и соответственно токов обмоток трансформатора целесообразно обеспечить путем быстродействующего управления электрическим режимом. При этом заданными режимными параметрами могут быть основные электрические координаты: токи первичной либо вторичной обмоток ПТ, активная либо реактивная мощности, вторичное напряжение, импеданс.

Однако осуществление такого регулирования в системах автоматического управления электрическим режимом (САУЭР) действующих ДСП затруднено в связи с их низким быстродействием. Большинство систем построено по двух-канальному принципу, согласно которому по основному каналу осуществляется автоматическое регулирование импеданса путем перемещения электродов, обладающих высокой инерцией. По второму каналу происходит регулирование вторичного напряжения ПТ с помощью электромеханических регуляторов переключения отпаек под нагрузкой (РПН).

Наиболее перспективным с точки зрения повышения производительности печи и обеспечения требуемых показателей качества электроэнергии в точке подключения является вариант с тиристорным регулятором напряжения в третичной обмотке ПТ. Бесконтактный регулятор имеет большее быстродействие и больший срок службы по сравнению с электромеханическими РПН.

В последние годы в литературных источниках появились публикации, посвященные разработке силовых схем ПТ с бесконтактными регуляторами напряжения и САУЭР на их основе. Однако ни одна из известных разработок не доведена до реального изготовления и практического внедрения. Поэтому следует утверждать, что решение названной актуальной проблемы в настоящее время отсутствует.

4 Целью диссертационной работы является улучшение энергетических показателей сверхмощной ДСП за счет разработки быстродействующей системы автоматического управления электрическим режимом на основе тиристорных регуляторов вторичного напряжения печного трансформатора.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Исследование технологических и электрических режимов ДСП-180 ПАО «ММК», с целью обоснования направлений совершенствования САУЭР. Экспериментальные исследования быстродействия каналов регулирования импеданса и вторичного напряжения трансформатора.

2. Разработка однофазной и трехфазной математических моделей комплекса «ДСП-ПТ», содержащих модели всех электротехнических устройств и систем, участвующих в процессе преобразования электрической энергии и управлении электрическим режимом. Оценка адекватности моделей исследуемому объекту.

3. Разработка быстродействующей САУЭР с бесконтактным регулированием напряжения в третичной обмотке печного трансформатора и регулированием импеданса по каналу гидравлического перемещения электродов. Разработка и исследование силовой схемы ПТ с тиристорным регулированием вторичного напряжения.

4. Разработка способа управления электрическим режимом, обеспечивающего постоянство максимальной активной мощности ДСП независимо от величин токов электрических дуг. Исследование колебаний токов дуг и энергетических показателей ДСП при существующем и разработанном способах управления.

5. Анализ возможности реализации разработанных способов и алгоритмов управления в существующей САУЭР ДСП-180. Рекомендации по промышленному внедрению.

Методика проведения исследований. Теоретические исследования основывались на базовых положениях электротехники, методах теории автоматического управления, статистических методах обработки информации. Моделирование проводилось в среде визуального моделирования динамических систем Simulink в составе пакета Matlab R2013a. Экспериментальные исследования выполнялись на действующих ДСП-180 ПАО «ММК» путем прямого осцилло-графирования режимных параметров ПТ с последующей математической обработкой результатов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

6. Математические модели комплекса «ПТ-ДСП», выполненные на основе однофазной и трехфазной схем замещения печного трансформатора с тири-сторными регуляторами в третичной обмотке, содержащие модели электрической дуги, гидравлического привода, систем регулирования перемещения электродов и управления тиристорными регуляторами.

7. Концепция построения двухканальной САУЭР ДСП, согласно которой осуществляется стабилизация заданного электрического параметра путем быстродействующего регулирования вторичного напряжения ПТ, при этом авто-

5 матическое регулирование импеданса осуществляется по менее быстродействующему каналу гидравлического перемещения электродов.

3. Способ ограничения взаимного влияния сепаратных каналов САУЭР, согласно которому регулирование импеданса осуществляется в диапазоне медленно изменяющихся сигналов (1–2 Гц), а снижение колебаний регулируемой координаты в диапазоне высоких частот обеспечивается каналом бесконтактного регулирования напряжения трансформатора.

4. Способ и система управления электрическим режимом ДСП, обеспечивающие постоянство максимальной активной мощности ДСП (мощности дуги) P_акт=P_max=const независимо от величины токов электрических дуг на всех стадиях плавки.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтвердивших повышение активной мощности, вводимой в печь, и улучшение энергетических показателей за счет снижения дисперсий токов электрических дуг.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются правомерностью исходных положений и предпосылок, повторяемостью результатов экспериментов, полученных на однотипных объектах в разное время, их соответствием результатам, опубликованным в научной литературе, корректным применением математических методов моделирования, экспериментальными исследованиями разработанных алгоритмов управления в промышленных условиях на ДСП-180 ПАО «ММК».

Научная новизна. В процессе решения поставленных задач получены следующие новые научные результаты:

1. Обоснован принцип быстродействующего управления электрическим режимом ДСП, согласно которому стабилизация заданного электрического параметра осуществляется системой бесконтактного регулирования вторичного напряжения печного трансформатора, задающим сигналом которой является выходной сигнал системы регулирования импеданса.

2. Разработан способ управления электрическим режимом, согласно которому обеспечивается постоянство активной мощности, потребляемой печью, за счет взаимосвязанного регулирования напряжения вторичной обмотки трансформатора и индуктивности реактора, при сохранении канала регулирования импеданса в качестве основного.

3. Получены аналитические зависимости для вычисления оптимальных соотношений вторичного напряжения трансформатора и индуктивного сопротивления реактора, обеспечивающие реализацию разработанного способа как в существующей, так и в разработанной САУЭР.

Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что в результате проведенных исследований:

4. Разработана двухканальная САУЭР ДСП с разделением рабочих частот контуров регулирования импеданса и вторичного напряжения трансформатора, обеспечивающая постоянство заданного электрического параметра при стохастических изменениях токов электрических дуг.

5. Разработаны математические модели комплекса «ПТ-ДСП», выполненные на основе однофазной и трехфазной схем замещения трехобмоточного ПТ

6 с вольтодобавочным трансформатором и тиристорными регуляторами в третичной обмотке, содержащие модели электрической дуги, гидравлического привода, системы регулирования положения электродов и системы управления регуляторами.

3. В результате теоретических и экспериментальных исследований доказана возможность реализации способа управления электрическим режимом ДСП, обеспечивающего постоянство активной мощности дуги P_акт=P_max=const с погрешностью в пределах 7–9%. Это приводит к улучшению энергетических показателей и снижению влияния ДСП на сеть.

4. Обоснована реализация способа управления, обеспечивающего постоянство максимальной активной мощности, на действующем оборудовании ДСП-180 с использованием алгоритмов САУЭР ArCOS. При его внедрении средняя электрическая мощность, вводимая в печь, увеличивается на 10–13%.

5. Результаты диссертационной работы переданы в электрослужбу ЭСПЦ и ЦЭТЛ ПАО «ММК» и рекомендованы для внедрения на ДСП-180. Ожидаемый экономический эффект составляет свыше 10 млн. руб./год. Разработанные способы и алгоритмы управления рекомендованы для применения на действующих и проектируемых ДСП металлургических предприятий.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 6 международных конференциях, в том числе: 15-ой Международной конференции по радиоэлектронике, электротехнике и энергетике (Москва, 2009 г.); VI Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2010 (Тула, 2010 г.), 2-ой Международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (Пенза, 2011 г.), VII Международной научной конференции молодых ученых «Электротехника. Электротехнология» (Новосибирск, 2015 г.); 2016 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2016 (Челябинск, 2016 г.), 2017 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (Санкт Петербург, 2017 г), а также на расширенном заседании кафедры автоматизированного электропривода и мехатроники ФГБОУ ВО «МГТУ» (ноябрь 2017 г.).

В 2017 г. исследования выполнялись в рамках гранта Президента РФ МД-979.2017.8 по теме «Разработка автоматизированных электроприводов и систем управления, обеспечивающих производство проката для труб большого диаметра из хладостойких и специальных сталей на отечественных металлургических предприятиях».

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 18 печатных трудах, в том числе 9 статей в рецензируемых изданиях, 3 публикации в изданиях, входящих в систему цитирования Scopus.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 110 наименований. Работа изложена на 166 страницах основного текста, содержит 71 рисунок, 8 таблиц и приложения объемом 7 страниц.