Исследование сверхмощных дуговых сталеплавильных печей с тиристорным регулятором напряжения в промежуточном контуре печного трансформатора

Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) являются наиболее мощными электроприемниками промышленных предприятий. Мощности печных трансформаторов современных ДСП находятся на уровне 120-150 МВА, при этом реактивная мощность составляет порядка 80-100 % активной мощности.

Как известно работа мощных ДСП характеризуется рядом специфических свойств [1-6]:

1. резкими колебаниями тока и реактивной мощности дуги, а, следовательно, приводящим к значительным изменениям питающего напряжения (фликкер-эффект) и снижению технико-экономических показателей;
2. генерированием в питающую сеть высших гармонических составляющих, вследствие чего коэффициент искажения синусоидальности сетевого напряжения и потребляемого тока превышает допустимые и достигает 6-8%;
3. неравномерностью нагрузки по отдельным фазам, вызывающей несимметрию питающего напряжения.

Указанные особенности работы ДСП приводят к необходимости использования дополнительных технических устройств с целью обеспечения заданных показателей качества электроэнергии в узле подключения и сохранение производительности печи. Например, для ДСП-180 ОАО “ММК”, в качестве такого технического устройства используется статический тиристорный компенсатор (СТК) фирмы ABB в составе фильтров суммарной мощностью 180 МВАр и тиристорно-реакторной группы (ТРГ) такой же мощности [7-11]. СТК относится к устройствам регулируемой компенсации – за счет изменения момента времени подачи отпирающих импульсов на тиристоры можно варьировать величину потребляемой реактивной мощности реакторов ТРГ, таким образом обеспечивая поддержание реактивной мощности в точке подключения на заданном уровне. Применение регулируемой компенсации в ДСП переменного тока вызвано тем, что средние уровни значений активной и реактивной мощностей изменяются в зависимости от стадии плавки. В отличие от ДСП переменного тока, в дуговых печах постоянного тока устанавливаются фильтры с фиксируемой величиной мощности, т.к. технологический процесс не сопровождается значительными изменениями потребляемой мощности. Это достигается использованием в качестве источника питания быстродействующего управляемого тиристорного выпрямителя.

За счет использования компенсирующих устройств возможна стабилизация напряжения в точке подключения ДСП, однако управление быстротекущими технологическими процессами в самой ДСП не может быть обеспечено с достаточным быстродействием существующими техническими средствами. Речь идет, в первую очередь, о гидравлических системах перемещения электродов, используемых во всех сверхмощных ДСП. Кроме того, колебания токов электрических дуг в рабочем пространстве печи сопровождается значительной дисперсией тока, что существенно снижает уровень активной мощности, вводимой в печь [12-14]. Отметим, что влияние дисперсии тока на уровень активной мощности носит неоднозначный характер и зависит от положения рабочей точки на электрической характеристике печи, которая представляет собой экстремальную зависимость мощности от тока дуг Pд = f(Iд). В процессе плавки одним из оптимальных режимов работы ДСП является поддержание максимума активной мощности дуг [15]. В этом случае любое отклонение тока от значения соответствующего максимальной мощности приводит к ее уменьшению. Кроме этого, значительная дисперсия тока печи приводит к увеличению дозы фликера, а, следовательно, к большей установленной мощности статического тиристорного компенсатора. Результаты такого исследования приведены в [16].

На рис. 1 представлена зависимость экспериментальных точек активной мощности от тока дуг и расчетная электрическая характеристика печи, полученной на математической модели и адаптированной для ДСП-180 ОАО “ММК”. Как видно из рисунка рабочие точки электрической характеристики Pд = f(Iд) практически совпадают с расчетной зависимостью. При этом случайное отклонение тока от заданного значения, соответствующего максимальной мощности, заметно снижает среднее значение мощности.

Рис.1. Расчетная электрическая характеристика ДСП с экспериментальными точками

Этот факт подтверждается статистическим анализом, проведенным для большого количества плавок ДСП-180 ОАО “ММК” на одних и тех же стадиях технологического процесса и с одинаковыми параметрами системы управления – номер ступени печного трансформатора (ПТ), номер ступени Р. Эти два параметра определяют расчетную электрическую характеристику, а конкретную рабочую точку на ней задает система управления импедансом [17]. На рис. 2 построены зависимости значения активной мощности дуг от дисперсии тока и рассчитан коэффициент корреляции, показывающий отрицательную связь между мощностью дуг и дисперсией.

Рис. 2. Зависимость активной мощности дуг от дисперсии тока для двух стадий плавки ДСП-180 ОАО “ММК” с наибольшими колебаниями тока

Приведенные материалы свидетельствуют о том, что задача разработки технических средств для быстродействующего регулирования напряжения ПТ сверхмощных ДСП является насущной и практически значимой задачей.

В настоящее время управление электрическим режимом ДСП осуществляется за счет нескольких исполнительных механизмов, а именно:

1. Устройство регулирования под нагрузкой (РПН) печного трансформатора;
2. Устройство РПН сериесного реактора;
3. Гидравлическое устройство перемещения электродов.

Наиболее распространенными способами регулирования напряжения на вторичной обмотке печных трансформаторов в зависимости от мощности ДСП являются [18-20]:

1. изменением числа витков первичной обмотки трансформатора;
2. переключения первичной обмотки трансформатора со звезды на треугольник;
3. комбинация двух приведенных выше способов;
4. применение регулировочного автотрансформатора;
5. использование дополнительного вольтодобавочного трансформатора (ВДТ).

В последнем случае устройства РПН трансформатора и последовательно включенного реактора устанавливаются в третичной обмотке главного трансформатора (ГТ). Данное решение является компромиссным, поскольку ток в третичной обмотке меньше тока во вторичной обмотке, а напряжение меньше, чем в первичной обмотке.

Однако все вышеперечисленные способы регулирования обладают одним общим недостатком – они используют контактные и сложные по конструкции устройства РПН. Кроме этого, они обладают низкой надежностью и плавностью регулирования, а также недостаточным быстродействием. Переключение ступеней происходит в течении 3-5 с. В этот промежуток времени система управления находится в разомкнутом состоянии и электрический режим печи не соответствует оптимальному. Кроме этого высоковольтные контактные устройства РПН работают в достаточно интенсивном режиме, около 30-40 переключений под током за плавку и 500-800 за сутки [21].

Наиболее быстродействующим исполнительным элементом системы автоматического управления электрическим режимом ДСП является гидропривод перемещения электродов, но с учетом того, что его постоянная времени составляет порядка 200-500 мс обеспечить стабилизацию электрических параметров с необходимым быстродействием и исключением динамических ударов достаточно затруднительно. Обеспечение этих требования возможно за счет применения печных трансформаторов с тиристорным регулированием напряжения [10, 22]].

Наиболее высокие показатели стабильности электрического режима ДСП и динамики перемещения электродов обеспечивает схема с вольтодобавочным трансформатором и тиристорным регулятором напряжения в третичной обмотке. В данной схеме вместо механического устройства РПН используют полупроводниковые тиристоры, что позволяет изменять напряжение вторичной обмотки в пределах от 0,5•Uн до Uн, а мощность, соответственно – от 25% до 100% номинального значения. Основную функцию регулирования выполняют тиристоры Т1 и Т2 в продольной ветви, а тиристоры Т3 и Т4 предназначены для обеспечения дроссельного режима работы ВДТ в моменты закрытого состояния Т1 и Т2 (рис. 3). Кроме того для обеспечения плавности и расширения диапазона регулирования введена дополнительная индуктивность Lр [23].

Рис. 3. Электрическая схема печного трансформатора с регулированием напряжения в промежуточном контуре, представленная на одну фазу с дополнительным реактором, расширяющим диапазон регулирования

С целью более детального изучения вышеприведенной схемы с тиристорным регулированием напряжения составлена математическая модель однофазной электротехнической системы. Блок-схема математической модели печного трансформатора с тиристорным регулированием напряжения на одну фазу приведена на рис. 4.

Рис. 4. Блок-схема однофазной математической модели печного трансформатора с тиристорным регулированием напряжения в промежуточном контуре

1. главного трансформатора;
2. тиристорного ключа со снабберной цепью;
3. вольтодобавочного трансформатора;
4. электрической дуги на основе уравнения Каси;
5. системы регулирования импеданса [24].

Рис. 5. Изменения тока в схеме с РПН (1) и с быстродействующим тиристорным регулятором (2)

Работа регулятора напряжения в некоторых режимах вступает в противоречие с системой управления перемещения электродами на поддержание заданного импеданса. На рис. 6 приведены статические зависимости изменения угла управления тиристорного регулятора напряжения (ТРН) и вторичного импеданса от длины дуги при поддержании вторичного тока на заданном уровне. Видно, что при увеличении длины дуги и поддержании тока на заданном уровне, импеданс также увеличивается, что приведет к возникновению ошибки в контуре регулирования импеданса.

Рис. 6. Зависимость угла управления и импеданса вторичного электрического контура от длины дуги

В связи с взаимным влиянием быстродействующего канала регулирования напряжения на существующий контур поддержания заданного импеданса возникает задача их разделения. Предлагается это выполнить в частотном диапазоне. На рис. 7 представлена обобщенная блок-схема новой системы управления (СУ). Здесь в качестве параметра стабилизации используют один из нижеперечисленных электрических параметров:

Рис. 7. Блок-схема двухканальной системы управления

1. реактивную мощность;
2. первичный либо вторичный ток;
3. вторичное напряжение;
4. активную мощность дуг.

Предлагаемая СУ имеет возможность работать в двух режимах, а именно:

1. В режиме компенсации динамических возмущений, что соответствует работе СУ по возмущению в определенном диапазоне частот.
2. В режиме компенсации статических и динамических возмущений. В этом случае СУ работает по отклонению с дополнительным блоком выбора параметра стабилизации.

На рис. 8 приведены результаты моделирования динамической СУ работающей в режиме управления по возмущению, при этом в качестве возмущающего воздействия используется гармонический сигнал с заданной амплитудой, фазой и с частотой, находящейся в диапазоне пропускания полосового фильтра (ПФ), а также сигнал, изменяемый по случайному закону, спектральная плотность которого соответствует реальному процессу горения дуги [25].

Результаты, полученные на однофазной математической модели показывают, что предлагаемая СУ в комбинации с тиристорным регулятором вторичного напряжения печного трансформатора значительно снижает величину дисперсии тока и реактивной мощности. Низкочастотные возмущения отрабатываются существующей системой перемещения электродов, а высокочастотные составляющие компенсируются тиристорным регулятором напряжения.

ВЫВОДЫ:

1. Предложена система тиристорного регулятора напряжения, обеспечивающая достаточное быстродействие системы регулирования электрическим режимом ДСП и значительно снижающей дисперсию тока и реактивной мощности.

Рис. 8. Результаты моделирования динамической СУ: а – при гармоническом возмущающем сигнале; б – тоже, но при случайном сигнале от формирующего фильтра

2. Разработана однофазная математическая модель комплекса ДСП-ПТ с тиристорным регулятором напряжения.

3. Проведены исследования динамических показателей электрических режимов при различных настройках системы управления при задающем и возмущающем воздействии.

Список использованной литературы

1. Николаев А.А. Сравнительный анализ показателей качества электрической энергии в промышленности / А.А. Николаев, Н.Г. Емалеева, И.А. Якимов // Электротехнические системы и комплексы. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. университета им. Г.И. Носова, 2008. – Вып. 15. – С. 252-258.
2. Коваленко А.Ю. Повышение качества внутризаводского электроснабжения на примере ОАО “ММК” / А.Ю. Коваленко, Г.П. Корнилов, А.В. Русанов, Р.Р. Усманов, А.А. Николаев, И.А. Якимов, М.А. Извольский // Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах: сб. статей II Международной науч.-практ. конф. – Пенза, 2011. – С. 98-100.
3. Корнилов Г.П. Анализ и оптимизация электрических режимов сверхмощных дуговых сталеплавильных печей / Г.П. Корнилов, А.А. Николаев, Т.Р. Храмшин, Т.Ю. Вахитов // Электрометаллургия. – 2013. – № 7. – С. 2-10.
4. Корнилов Г.П. Проблемы энергосбережения металлургического предприятия // Г.П. Корнилов, А.А. Николаев, И.А. Якимов, Ю.П. Журавлев, Е.А. Кузнецов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2010. – № 3-4. – С. 45-52.
5. Корнилов Г.П. Повышение эффективности работы сверхмощной дуговой сталеплавильной печи / Г.П. Корнилов, А.А. Николаев, Т.Р. Хармшин, А.Н. Шеметов, И.А. Якимов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – 2009. - №1. – С. 55-59.
6. Якимов И.А. Пути совершенствования динамических характеристик дуговых сталеплавильных печей / И.А. Якимов, А.А. Николаев, Д.А. Корнилов, Г.П. Корнилов, А.В. Ануфриев, В.С. Горбунов, Е.В. Прудников // Электротехнические системы и комплексы. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. университета им. Г.И. Носова, 2010. – Вып. 18. – С. 233-240.
7. Корнилов Г.П. Основные резервы повышения производительности электродуговой печи как электротехнического комплекса / Г.П. Корнилов, А.А. Николаев, И.А. Якимов, Е.В. Повелица, А.В. Ануфриев, Т.Е. Пелагеин, В.А. Иванов, Т.Р. Храмшин // Электротехнические системы и комплексы. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. университета им. Г.И. Носова, 2011. – Вып. 1. – С. 89-95.
8. Корнилов Г.П. Анализ системы управления дуговой сталеплавильной печи с целью повышения ее эффективности / Г.П. Корнилов, И.А. Якимов, А.А. Николаев, А.В. Ануфриев // Электротехнические системы и комплексы. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. университета им. Г.И. Носова, 2012. – Вып. 20. – С. 309-315.
9. Корнилов Г.П. Перспективы и средства повыше-ния эффективности дуговых сталеплавильных печей за счет силового электрооборудования // Г.П. Корнилов, А.А. Николаев, И.А. Якимов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. – 2009. – № 15. – С. 32-38.
10. Корнилов Г.П. Способы повышения эффективности дуговых сталеплавильных печей за счет силового электрооборудования / Г.П. Корнилов, А.А. Николаев, Т.Р. Храмшин, И.А. Якимов, Т.Ю. Вахитов // Труды Х конгресса сталеплавильщиков (г. Магнитогорск, 13-17 октября 2009 г.). – Магнитогорск, 2009. – С. 274-279.
11. Еланов А. Ю. Анализ колебаний тока дуговой сталеплавильной печи / А.Ю. Еланов, Ю.В. Путинцев, В.С. Чередниченко // Исследования в области промышленного электронагрева. Труды ВНИИЭТО. – 1974. – Вып. 1 (139).
12. Макаров А.Н. Анализ энергетических характеристик высокомощных дуговых сталеплавильных печей / А.Н. Макаров, Р.А. Макаров, В.В. Воропаев // Электричество. – 2014. – № 5. – С. 34-36.
13. Корнилов Г.П. Анализ режимов работы статического тиристорного компенсатора реактивной мощности дуговой сталеплавильной печи / Г.П. Корнилов, А.А. Николаев, А.Н. Шеметов, Т.Р. Храмшин, И.А. Якимов, А.В. Ануфриев, Т.Ю. Вахитов // Главный энергетик. – 2011. – № 3. – С. 30-34.
14. Николаев А.А. Исследование режимов работы дуговых сталеплавильных печей в комплексе со статическими тиристорными компенсаторами реактивной мощности. Часть 1 / А.А. Николаев, Г.П. Корнилов, И.А. Якимов // Электрометаллургия. – 2014. – № 5. – С. 15-22.
15. Якимов И.А. Повышение эффективности дуговой сталеплавильной печи за счет бесступенчатого регулирования напряжения печного трансформатора / И.А. Якимов, А.А. Николаев // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тез. докл. XV Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. – Т. 2. – С. 177-178.
16. Николаев А.А. Выбор мощности статических тиристорных компенсаторов для сверхмощных дуговых сталеплавильных печей / А.А. Николаев, П.Ю. Полозюк, Т.Е. Пелагеин, Г.П. Корнилов // Электротехнические системы и комплексы. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. университета им. Г.И. Носова, 2011. – Вып. 19. – С. 80-84.
17. Корнилов Д.А. Экспериментальное исследование системы управления электрическим режимом сверхмощной ДСП // Д.А. Корнилов, А.А. Николаев, И.А. Якимов, А.В. Ануфриев // Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах: сб. статей II Международной науч.-практ. конф. – Пенза, 2011. – С. 103-107.
18. Корнилов Г.П. Основные способы регулирования напряжения печного трансформатора / Г.П. Корнилов, А.А. Николаев, И.А. Якимов // Электротехнические системы и комплексы. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. университета им. Г.И. Носова, 2008. – Вып. 15. – С. 247-252.
19. Мещеряков А.Ю. Задачи управления электрическим режимом дуговых печей / А.Ю. Мещеряков, И.А. Якимов // Современные методы конструирования и технологии металлургического машиностроения: Международный. сб. научн. тр. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. универ-ситета им. Г.И. Носова, 2006. – С. 137-141.
20. Якимов И.А. Рациональный выбор фильтрокомпенсирующих цепей статического тиристорного компенсатора на примере сверхмощной ДСП-180 / И.А. Якимов, А.А. Николаев, Д.А. Корнилов, Ю.Н. Николаева // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: тезисы докл. Международной конф. – Магнитогорск, 2010. – Т. 2. – С. 112-115.
21. Карандаев А.С. Требования к системе мониторинга технического состояния трансформатора сверхмощной дуговой сталеплавильной печи / А.С. Карандаев, С.А. Евдокимов, А.А. Сарлыбаев, Р.А. Леднов // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. – 2013 – №2. – С. 58-68.
22. Бек Г.-П. Новая концепция питаемой от выпрямителя трехфазной дуговой электропечи с высокой динамикой регулирования / Г.-П. Бек, А. Вольф // Черные металлы. – 1998. – № 2. – С. 16-21.
23. Корнилов Г.П. Особенности моделирования дуговой сталеплавильной печи как электротехнического комплекса / Г.П. Корнилов, А.А. Николаев, Т.Р. Храмшин, Т.Ю. Вахитов, И.А. Якимов // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – 2013. – №1. – С. 76-82.
24. Корнилов Г.П. Моделирование электрического контура дуговой печи / Г.П. Корнилов, А.Ю. Мещеряков, А.А. Николаев, И.А. Якимов, Т.Р. Храмшин // Электротехнические системы и комплексы. – Магнитогорск: Издво Магнитогорск. гос. техн. университета им. Г.И. Носова, 2006. – Вып. 12. – С. 210-217.
25. Николаев А.А. Математическая модель электрического контура дуговой сталеплавильной печи с реализацией случайных возмущений электрических дуг / А.А. Николаев, Г.П. Корнилов, А.В. Ануфриев, Е.В. Повелица // Приложение математики в экономике и технических исследованиях. – 2014. – № 4(4). – С. 260-271.