Электромагнитная совместимость параллельных дуговых сталеплавильных печей с системой электроснабжения.

 

Автор: Салтыков А.В.

 

Металлургические предприятия и металлургические производства машиностроительных предприятий являются крупными потребителями электроэнергии. Рост потребления электроэнергии определяется увеличением производства электростали за счет применения современных энергетических установок, наиболее мощными из которых являются дуговые сталеплавильные печи (ДСП). Причем доля мирового производства стали в ДСП непрерывно возрастает и в настоящее время превышает 33% общего производства стали, а к 2010 году прогнозируется на уровне 40% [44, 45, 51, 56]. Одновременно возрастают емкости электропечей и мощности печных трансформаторов. Введены в эксплуатацию сверхмощные ДСП-100 с печными трансформаторами мощностью 80 МВА.

Увеличение доли производства стали в ДСП определяется рядом причин, в том числе тем, что ДСП могут выплавлять любые марки стали, включая высококачественные, специальные, а процесс ведения плавки поддается высокой степени автоматизации.

С переходом на рыночные отношения составляющая энергетических затрат в себестоимости металлургической продукции выросла с 0,8 % до 30 % [35, 51]. Одновременно наблюдается опережающий рост стоимости энергоресурсов по сравнению с ростом цен на металлопродукцию, что приводит к необходимости решения, как задачи достижения максимальной производительности ДСП, так и задачи более эффективного использования ресурсов и, в частности, электроэнергии.

С ростом мощностей ДСП и интенсификацией процесса плавки повышаются требования к качеству управления режимом работы ДСП с позиций энергосбережения, особенно в период расплавления металла, характеризующийся наибольшими электрическими мощностями и ухудшением показателей качества электроэнергии в питающей сети. Отклонения от энергосберегающих режи мов ДСП в этот период приводят к существенным потерям электроэнергии, и могут вызвать нарушение условий электромагнитной совместимости (ЭМС) в системе электроснабжения (СЭС).

Одним из способов увеличения объемов плавки стали, является использование параллельных ДСП. При этом актуальной задачей является улучшение технико-экономических показателей электротехнологического процесса производства металлопродукции и эффективное использование электроэнергии при одновременном обеспечении ЭМС электротехнического комплекса "система электроснабжения - параллельные ДСП".

Для ее решения требуется совершенствование методов расчета как одиночной, так и параллельных ДСП, проведение всесторонних исследований, причем проведенный анализ показывает, что ряд вопросов до настоящего времени остается открытым, а их решение позволит реализовать существующие потенциальные возможности дополнительного повышения экономичности работы электротехнического комплекса "СЭС - параллельные ДСП".

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка методов оценки обеспечения ЭМС параллельных ДСП с СЭС по отклонениям и колебаниям напряжения.

Для достижения поставленной цели в работе формулируются и решаются следующие научные и практические задачи.

Научные:

1. Разработка метода расчета электрических характеристик параллельных ДСП для всех ступеней трансформации печного трансформатора (ПТ);

2. Разработка методов расчета отклонений и колебаний напряжения на шинах питания параллельных ДСП для всех ступеней ПТ;

3. Разработка графоаналитических моделей для оценки ЭМС параллельных ДСП с СЭС.

Практические: 1. Получение информации о видах изменения токов дуги и электрических характеристик как каждой из параллельных ДСП, так и их суммарных значений, на шинах питания параллельных ДСП в зависимости от ступени ПТ;

2. Разработка методического обеспечения экспериментальных исследований тока дуги ДСП и огибающей напряжения на шинах питания ДСП на участках стационарности для использования вероятностных характеристик одиночных и параллельных ДСП при оценке ЭМС;

3. Разработка условий обеспечения ЭМС параллельных ДСП с СЭС. Объектом исследования являются дуговые сталеплавильные печи и режимы их параллельный работы на соответствующих ступенях ПТ, определяемые с учетом параметров СЭС.

Основные методы научных исследований. При выполнении работы использованы методы математического анализа, теории вероятностей, случайных процессов, физического и математического моделирования электромагнитных помех в СЭС с ДСП. Экспериментальные исследования проводились в реальных условиях эксплуатации ДСП на действующих предприятиях. Результаты исследований обрабатывались на ЭВМ с использованием разработанных автором программ.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, вычислительных программных комплексов, обоснованностью принятых допущений и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчетов и экспериментальных данных.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель и методика расчета электрических характеристик параллельных ДСП с использованием относительных коэффициентов т1 токов дуги ДСП и параметров СЭС, что позволяет обеспечить высокую точность определения характеристик параллельных ДСП для всех ступеней ПТ за счет учета их взаимного влияния;

2. Графоаналитические модели для определения условий обеспечения электро магнитной совместимости параллельных дуговых сталеплавильных печей с системой электроснабжения для всех ступеней ПТ по отклонениям и колебаниям напряжения;

3. Вероятностные характеристики и законы распределения тока ДСП и огибающей напряжения для всех этапов плавки и участков стационарности, полученные на основе экспериментальных исследований для оценки электромагнитной совместимости параллельных дуговых сталеплавильных печей с системой электроснабжения. Научная новизна:

1. Разработан метод и алгоритм расчета электрических характеристик параллельных ДСП с учетом их взаимного влияния для всех ступеней трансформации печного трансформатора (ПТ) на основе использования относительных коэффициентов т, токов дуги ДСП;

2. Разработаны методы расчета отклонений и колебаний напряжения на шинах питания параллельных ДСП для всех ступеней ПТ, учитывающий параметры СЭС и характеристики автоматических регуляторов ДСП.

Практическая ценность:

1. Получены аналитические выражения видов изменения токов дуги и электрических характеристик как каждой из параллельных ДСП, так и их суммарных значений, на шинах питания параллельных ДСП в зависимости от ступени ПТ при условиях неизменности уставок тока дуги ДСП или относительных коэффициентов ті токов дуги ДСП;

2. Разработаны графоаналитические модели и методы определения условий обеспечения ЭМС параллельных ДСП с СЭС для всех ступеней ПТ ДСП по отклонениям и колебаниям напряжения, нормируемых ГОСТ 13109-97 или Стандартом стран Евросоюза EN 50160;

3. На основе проведенных экспериментальных исследований установлены законы распределения и основные вероятностные характеристики тока дуги ДСП и огибающей напряжения для всех этапов плавки металла в ДСП. Это по зволяет оценить степень участия случайных технологических факторов колебаний тока при разработке методики   ЭМС одиночных и параллельных ДСП с системой электроснабжения.

Реализация и внедрение результатов работы. По теме диссертационной работе с участием автора был выполнен научно-технический отчет по госбюджетной программе Министерства общего и профессионального образования РФ по теме: "Развитие теории энергосбережения электротехнологических процессов", 1997-2000 г. На основе разработанных методов расчета рациональных характеристик и электротехнологических режимов ДСП были выданы рекомендации по ведению оптимальных режимов плавки для металлургического производства АО "АВТОВАЗ", что позволило снизить удельный расход электроэнергии в дуговых сталеплавильных печах ДСП-40 на 9,4 %; методы расчета электрических характеристик параллельных ДСП с обеспечением ЭМС в СЭС внедрены в проектную практику в ООО "ПРОЕКТэ-лектроМОНТАЖ". Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе Самарского государственного технического университета в дисциплинах: "Электромагнитная совместимость в системах электроснабжения", "Энергосбережение", "Электротехнологические установки".

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях Тольяттинского государственного университета (Тольяттинского политехнического института) 1997-2004 г., на II Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные проблемы энергетики. Энергоресурсосбережение" (Самара, 2004 г.), на VI Международной научно-практической конференции "Проблемы энергосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах" (Пенза, 2005), на V Международной научно-технической конференции "Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий", в Приазовском государственном техническом университете г. Мариуполь, 2005, на XXVII сессии Всероссийского научного семинара Академии наук РФ "Кибернетика электрических систем" по тематике "Электроснабжение промышленных предприятий" (Новочеркасск, 2005г.), на VII Международной научно-практической конференции "Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах" (Пенза, 2006).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 14 печатных работах, опубликованных автором лично и в соавторстве.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, 18 страниц списка литературы из 160 наименований, и приложения; содержит 165 стр. основного текста, 63 иллюстраций и 16 таблиц, 19 стр. приложений.

Во введении обоснована актуальность разработки методов расчета параллельных ДСП и обеспечения их ЭМС в СЭС. Сформулированы цели и задачи работы, показана научная новизна и практическое значение работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе проведен анализ особенностей электротехнологического процесса в ДСП, применяемых методов расчета характеристик дуговых сталеплавильных печей (ДСП) и характера воздействия нагрузки ДСП на СЭС и на изменения показателей качества напряжения. Формулируются цель диссертационной работы, научные и практические задачи.

Вторая глава посвящена разработке метода расчета электрических характеристик параллельных ДСП для всех ступеней печного трансформатора.

В третьей главе проведены исследования изменений характеристик параллельных ДСП при сохранении уставок тока дуги неизменными и при сохранении неизменными относительных коэффициентов тока дуги. Исследован характер изменения электрических характеристик параллельных ДСП-40 при изменении мощности короткого замыкания и уровня исходного напряжения.

Четвертая глава посвящена разработке методов расчета отклонений и колебаний напряжения на шинах питания параллельных ДСП и выработке по указанным показателям качества электроэнергии (ПКЭ) условий ЭМС ДСП с СЭС, а также с учетом допустимой загрузки силового электрооборудования.

Пятая глава посвящена использованию вероятностных характеристик, полученных при экспериментальных исследованиях тока дуги и огибающей напряжения на шинах питания ДСП, для оценки ЭМС.

Учет случайного характера изменений тока дуги, а также изменений огибающей напряжения на шинах питания ДСП позволяет уточнить условия обеспечения электромагнитной совместимости ДСП с СЭС.

В заключении изложены основные выводы и результаты работы.

В приложении приведены графики и таблицы; программы для расчета электрических режимов параллельных ДСП; акты о внедрении результатов диссертационной работы.