// Электрика. - 2003. - № 9. - С.35-45.
УДК 621.745.552
ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕ В ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИИ
Б. И. Кудрин
ОАО "Гипромез"
Повышение доли электростали в мировом производстве обусловлено ростом выплавки в дуговых сталеплавильных печах. При общем объеме производства в 2010 г. на уровне 830 млн т/год долю электростали прогнозируют на уровне 40 % (1999 — 33 %). В России она уменьшилась с 16,21 % в 1991 г. до 12,5 % в 2000 г. и составила около 5,5 млн т (снижение почти в 2,3 раза). Применение методов внепечной обработки металла и внедрение новых технологий позволяют использовать ДСП в качестве агрегата для быстрого расплавления шихты при возможности получения широкого сортамента марок стали.
Общим для сталеплавильных производств в XXI в. является и перевод конвертерных цехов на непрерывную разливку с технологическим использованием электроэнергии. Состав и производительность УНРС определяют исходя из возможной производительности конвертерных цехов и потребности прокатного производства, но с сооружением агрегата "ковш-печь". Так, например, для Запсиба модернизируют 8-ручьевую УНРС (производство заготовки сечением 150Ѕ150 и 150Ѕ200 мм для снабжения стана 450) и строят АКОС на 35 кВ с трансформатором 40/45 МВА; намечено сооружение ряда УНРС для производства заготовки сечением 150Ѕ150 и 100Ѕ100 мм для мелкосортных и проволочных станов и комбинированной слябовой УНРС, для чего будут построены АКОС-1 и АКОС-2 с трансформаторами 20/24 МВА. Вместе со строительством АКОС сооружается вторая подстанция на напряжении 220/35 кВ с фильтрокомпенсирующими устройствами и трансформаторами 2Ѕ63/100 МВА. Проектируют внедрение или увеличение использования агрегатов "ковш-печь" на ряде других предприятий. Это приведет к росту доли стали, разливаемой на МНЛЗ, с 24,7 в 1991 г. и 51,7 в 1998 г. до 75 млн т в 2005 г.
Развитие производства электростали лимитировано стоимостью лома и расходами на электроэнергию. Снижение затрат тем более необходимо, что удельный расход электроэнергии в электросталеплавильном производстве в России в последние годы вырос и составил в 2000 г. на старых печах более 750 кВтч/т стали, что на 15—40 % больше, чем в Японии и Германии [1, 2]. Расход электроэнергии на 1 т стали зависит в первую очередь от проведения таких мероприятий, как повышение мощности трансформаторов, увеличение удельной электрической мощности дуговых печей с 0,76 до 1 МВА/т, применение топливно-кислородных горелок, предварительный нагрев лома и внепечная обработка (современные дуговые печи в странах Западной Европы имеют расход электроэнергии около 350 кВтч/т). По максимальному сценарию развития электросталеплавильного производства производительность дуговых печей превысит 2 млн т в год при работе на шихте, содержащей лом, металлизованные окатыши, жидкий или твердый чугун. Удельный расход электроэнергии снизится до 200 кВтч/т при расходе угля до 60 кг/т и кислорода до 70 м3/т.
Таким образом, для электросталеплавильного производства России можно ставить вопрос о значительном снижении удельных расходов энергии на 1 т стали (не менее чем на 10—20 %). Это достижимо при учете результатов: 1) анализа уровней удельных и общих расходов на производство электростали; 2) обработки статистических материалов (суточных графиков по металлургическим предприятиям в целом, по вводам печных подстанций; данных по плавкам) и использования проявлений гауссовой (нормальной) и ценологической составляющих общего и удельного расходов электроэнергии [3]; 3) оптимизации технологических режимов, в том числе по условиям минимизации оплаты электроэнергии.
Поддержание заявленного электрического максимума Рmax нагрузки в часы прохождения максимума в энергосистеме на минимальном уровне требует технологии, использующей несовпадение выбросов и провалов мощности плавки. Это требование может быть выполнено лишь технологами, которые согласятся с расчетами электриков и экономистов, обосновывающими уменьшение договорной величины получасового максимума (что и снизит оплату). Несогласованность времени расплава двух ДСП-100 (рис. 1) ведет к набросам получасовой нагрузки свыше 140 МВт, что при возможном поддержании Рmax = 110 МВт ведет к излишней оплате 30 МВт по 120 тыс. руб., т.е. 3,6 млн руб/мес.
Совершенствование технологии выплавки стали в мощных ДСП ведет к ужесточению энергетических режимов работы и изменению структуры затрат энергии в печи, интенсификации процесса ввода мощности в печь. Взаимосвязь ряда показателей режима работы ДСП может быть получена регрессионными методами (корреляционно-регрессионный анализ), различными экстраполяционными методами, методами анализа многономенклатурного производства. Важно иметь в виду, что распределение может быть сведено к нормальному (с определяемым средним и прогнозируемой ошибкой) и к гиперболическим Н-моделям, где главными становятся профессионально-логическая оценка, интуитивные представления и поиск аналогов.
Для изыскания способов более экономичного использования энергии необходимо проанализировать природу энергетических потерь и возможность эффективной их рекуперации. Основная задача, решаемая на основе анализа теплового баланса ДСП [1], состоит в том, чтобы повторно использовать необходимую для процесса энергию, которая выделяется в дуговом разряде и при реакциях окисления, происходящих в ванне жидкого металла (рис. 2). Энергию, уносимую охлаждающей водой, на некоторых предприятиях применяют для подогрева пара или технической воды, а энергию отходящих газов — для предварительного подогрева металлошихты (экономия энергии до 25 кВтч/т). Представляет интерес использование энергии, уносимой шлаками. Обратим внимание: электроэнергии поступает 410, в стали же её остается 380 кВтч/т (вокруг способа нагрева лома в шахтных печах идут споры, связанные с экологическими параметрами этих печей и с температурой нагрева лома, которую прогнозируют на уровне 300 °C, хотя она может достигать и 1000 °C).
Данные по плавкам обрабатывают обычно методами статистики, которая оценивает результаты "в среднем" (опираясь на математическое ожидание и дисперсию в пределах "трех сигм"), зная лишь изменения параметров и не учитывая, в частности, различные ценологические уклонения [3, 4]. Поэтому необходимо исследовать различные взаимные зависимости времени подачи напряжения, расхода электроэнергии на плавку, массы одной плавки жидкой и годной стали, расхода кислорода на продувку и расхода газа на одну плавку, мощности трансформатора, удельных расходов электроэнергии на 1 т жидкой и годной стали.
Производя значительную часть электростали в современных высокопроизводительных печах, работающих по новым технологиям, таких как на ОАО "Оскольский электрометаллургический комбинат", ОАО "Северсталь", ОАО "Новолипецкий металлургический комбинат", ОАО "Мечел", ОАО "Волжский трубный завод", ОАО "НОСТА", ОАО "Кузнецкий металлургический комбинат" и ОАО "Красный Октябрь" (ЭСПЦ-4), модернизируя устаревшие двухшлаковые технологии (ОАО "Златоустовский металлургический завод", ОАО "Красный Октябрь", ОАО "Электросталь" — ЭСПЦ-1 и ОАО "Мечел" — ЭСПЦ-2) и реконструируя ЭСПЦ с повышением единичной мощности до 0,8—1,0 (1,5—2,0) млн т/год на базе новых технологических решений, ориентируясь на развитие электрометаллургии к 2010 г. по выплавке до 20 % стали и используя на интегрированных заводах до 30 % жидкого чугуна, не следует забывать об энергетических ограничениях, определенных Энергетической стратегией России до 2020 г.
Сравнивая по энергии технологические схемы ДСП—УНРС—прокат, принимают во внимание соотношение "окатыши—лом" [5, 6], которое ведет к различным суммарным затратам в металлургических производствах развитых стран, ГДж (кВтч):
Производство с полным циклом... 19—29 (5282—8062)
Технологическая схема:
100 % окатышей........................ 16,2—20,3 (4543—5643)
50 % лома + 50 % окатышей..... 10,8—14,8 (2995—4107)
100 % лома................................ 4,5—8,5 (1250—2363)
Прямое восстановление................. 11—12 (3058—3336)
Фактический удельный технологический расход электроэнергии (собственно на плавку) и удельный Aуд цеховой расход на 1 т выплавляемой стали снижаются при увеличении емкости ДСП и составляют (плавка/цех, кВтч/т):
для малой емкости 5—12 т............ (700—750)/(718—770)
средней 15—50 т.............. (620—650)/(634—666)
большой 100—200 т............ (500—556)/(512—562)
Анализируя удельные расходы электроэнергии Aуд, следует во всех случаях четко различать, что имеется в виду: 1) конкретная печь, установленная на конкретном заводе и рассматриваемая как некоторая индивидуальность (особь), которая имеет свои конструктивные особенности, проявляет "характер" при осуществлении плавки, загрузки, выпуска, различных свойствах футеровки; 2) все печи одной емкости, одного типоисполнения, питающиеся от трансформаторов равной мощности, одинаковых схем соединения, одного напряжения. Абстрагируясь, эти печи можно рассматривать как печи одного вида, неразличимые по техническим параметрам при конструировании и изготовлении и индивидуализирующиеся лишь при поставке (ДСП одного вида гауссовы по Aуд как при установке на одном заводе, так и на разных [5]); 3) все множество печей одного государства, которое можно рассматривать традиционно, но информативнее — как некоторое сообщество печей (техноценоз [4]), образовавшееся в результате длительной эволюции.
С технологической точки зрения, которую обосновывали экономически, собственно электросталеплавильное производство все советские годы сохраняло направленные на снижение времени плавки тенденции: увеличение единичной мощности дуговых электропечей и изменение технологии. В ЭСПЦ, сооружавшихся в стране в последние десятилетия, предусматривалась, в основном, установка ДСП номинальной емкостью 100 т, в отдельных цехах — 50 и 150 т. Всегда речь шла о большегрузных печах как основном направлении. Не ставился (и как будто не ставится) вопрос о широком строительстве по всем регионам России печей 5, 10, 25 т, которые могут питаться на напряжении 6—10 кВ.
Таким образом, итогом индустриализации страны (вплоть до XXI века) в области электрометаллургии были решения об увеличении единичной мощности ДСП, максимальной унификации, переходе к типовому ряду печей 50, 100 и 150 т (табл. 1). Это сокращало количество типоразмеров основного обслуживаемого оборудования (завалочных и разливочных кранов, сталеразливочных ковшей, установок внепечной обработки стали, МНЛЗ). Типовой ряд, в свою очередь, породил некоторые унифицированные решения по электросталеплавильным цехам (отделениям).
Однако жесткое стремление к унификации, характерное для плановой экономики, опирающейся в техническом отношении на систему Госстандарта (отменённую Федеральным законом № 148-ФЗ "О техническом регулировании в РФ", вступившим в силу с 1 июля 2003 г.), не могло отменить действие закона информационного отбора [4], а лишь несколько деформировало параметры гиперболического Н-распределения [3], характеризующего разнообразие (закон распространяется на все стадии создания, эксплуатации и ликвидации технического объекта). Другими словами, во-первых, существует некоторое обязательное разнообразие, неуничтожимое никакими директивными или иными методами; во-вторых, это разнообразие по основным технологическим и электрическим параметрам не может быть охарактеризовано средним (математическим ожиданием), если необходимо принять решение, относящееся к конкретной ДСП (цеху, заводу).
Подтвердим это статистикой техноценоза — сообщества дуговых сталеплавильных печей и трансформаторов. Предполагается договоренность (конвенционность): что такое ДСП (в частности, с какой емкости печи вести отсчет, исключать или включать установки "ковш-печь"); возможность поштучного выделения (описания) каждой печи как некоторой индивидуальности (U — особи) и возможность отнесения каждой ДСП к какому-либо типоразмеру (виду — S), такому, что конструктивно-технологическое различие существенно при строительстве и эксплуатации; конвенционность выделения электросталеплавильной подотрасли как единого целого; слабость связей и зависимостей функционирования отдельной ДСП от остальных, установленных в стране или в мире (такие связи — жесткие или корреляционно значимые — обязательны в пределах одного завода) и определяемых, в частности, конъюнктурой рынка, положением с сырьем (ломом), электроэнергией; значительность различия результатов технико-экономической деятельности двух ДСП (цехов) с одинаковыми (близкими) основными техническими данными оборудования.
Произведем ценологическую оценку множества ДСП и печных трансформаторов, попавших в государственную отчетность в 1979 г. (табл. 2): здесь S — количество видов; U — количество установленных штук (особей); А — ноева каста, доля видов (в %), каждый из которых представлен одной особью (одной печью), уникальные печи (86 печей) или трансформаторы; a — характеристический показатель гиперболического Н-распределения (0 ≤ a ≤ 2); Н — показатель разнообразия Шеннона, H = Σ(ui/U) ln(ui/U), где ui — количество штук (особей) одного вида. Гиперболическое H-распределение описывается формулой
Повторяемость ДСП d = U/S = 6,26 оказалась ниже, чем у трансформаторов, для них d = 15,5. Следовательно, трансформаторостроители больше и успешнее унифицировали свою продукцию, чем, упрощенно говоря, ВНИИЭТО, доведя ноеву касту до 17,2 % (уникальные печи, существовавшие в стране в одном экземпляре — 31,6 %).
Хорошо ли и правильно ли это? Выражение (1) интерпретируется Н-гиперболой, параметры которой подтверждают гипотезу, что ДСП СССР (а сейчас — России) образовали техноценоз, где разнообразие установленного определялось законом информационного отбора [4], т. е. система печей самоорганизовывалась. Функцию Ω(x) следует использовать в качестве ограничительно определяющей решения о перспективах развития как электрометаллургической подотрасли, так и при разработке (установке) отдельных ДСП. Во всех случаях критерий — улучшение (не ухудшение) значения характеристического показателя. Этим обеспечивается бульшая устойчивость (конкурентоспособность) системы в целом и рациональность использования сталеплавильной эко-ниши (печь лучше вписывается в окружающую производственную систему). Значения же ноевых каст (см. табл. 2) показывают, что разнообразие недостаточно (теоретически должно быть 40—60 %). Емкость ДСП задавали сверху, и под неё делали окружение — ЭСПЦ. Не индивидуальный учет особенностей, ведущих к индивидуальному решению по каждой печи, цеху, заводу, а максимальная степень унификации — вот что было нашей генеральной линией 70 лет.
Подтвердив теорию техноценозов параметрами Н-распределения, займемся ценологической стороной обеспечения электроэнергией. Обратимся к удельным расходам на производство электростали (таблица на обложке) за 1970—1990 гг. по предприятиям Минчермета СССР (данные отраслевого информационного банка "Черметэлектро", копирайт — Кудрин Б. И.) и отраслевым данным по России за 1990—2000 гг. (табл. 3).
Приведённые данные охватывают 50 заводов отрасли и включают все действующие ДСП, независимо от их технического состояния, применяемой технологии, используемых материалов, получаемой продукции, образующихся выбросов и сбросов. Это фактические отчетные сведения, ретроспективно представляющие "электрический" портрет электросталеплавильного производства страны за 21 год. Элементарное сравнение данных свидетельствует о существенном отличии от среднего, в несколько раз — по отношению max/min. Но если различие в объемах производства понятно (ср. разницу в 100 раз по Днепроспецстали и Тулачермет на обложке), то различие в удельных расходах электроэнергии Aуд требует пояснений. 1. Для широкого класса созданных в XX веке технических систем (к ним относится и электросталеплавильная подотрасль) различие в разы по основным параметрам — неизбежное ценологическое свойство (табл. 4 отражает общность этого для металлургии); 2. Удельные расходы электроэнергии на единицу продукции по отрасли в целом устойчивы и представляют интерес для организаций, подобных Минэкономики, Минэнерго, Госстату, при общегосударственной (отраслевой) оценке и сравнении с мировым уровнем потребности в электроэнергии. Но величина Aуд по отрасли неприменима к конкретному предприятию, а из полного списка нельзя получить результат ни классическими методами, ни вероятностными, в пределе сводящимися к Гауссу (нормальному распределению).
Обратимся к началу создания в стране системы нормирования и лимитирования, когда 16.05.1944 г. Государственный Комитет Обороны образовал Госэнергонадзор и определил, что "методология составления удельных норм должна базироваться только на аналитически-расчетной и экспериментальной основе при всестороннем учете всех факторов, влияющих на электропотребление, и решительно должен быть отвергнут как порочный так называемый "статистический метод". Именно это решение определяло нормирование много десятилетий. Всё ещё сохраняется убеждение, что можно "учесть все факторы", и, опираясь на единичные технологические операции, на единичные электроприемники, всё точно рассчитать. Это и есть первая научная картина мира, на которой основана система образования ХХ века. Именно на это мировоззрение и опиралась поддерживаемая десятилетиями система нормирования и лимитирования, от которой пока так и не отказались полностью.
Но инженерная практика сразу столкнулась с отклонениями от классических вычислений. Считаясь с возможностью разброса параметров, начали вводить различные коэффициенты "запаса". Инженерные решения опирались на вычислимое математическое ожидание и конечную дисперсию (стали говорить о 10 %-ной ошибке как инженерно допустимой и вполне возможной). Так в 50—60-е годы начал осуществляться оставшийся массово незамеченным переход ко второй [4, 7], вероятно-статистической картине мира. Действительно, какая инженеру разница, если идеальные условия всё равно недостижимы, а вероятностные расчеты не приводят к непредвиденному. Обратимся с этой точки зрения к рис. 2. Очевидно, что в реальности для конкретной печи и конкретной плавки любая из составляющих может отличаться на 10—20 % и более. Энергия экзотермических реакций окисления (в основном — вдуваемым кислородом), составляющая 160 кВтч/т от общей энергии, может быть увеличена при большей подаче кислорода, как и энергия газокислородных горелок, определенная в 60 кВтч/т.
Таким образом, со времени первых исследований удельных расходов электроэнергии ДСП в 30-е годы считается, что технологическая норма расхода рассчитываема. Для отдельной плавки учитывали энергозатраты на основные и вспомогательные технологические процессы, на потери механические, тепловые, электрические. Но для планирования и оценки электроэффективности необходим был переход от технологической нормы (отдельная плавка) к общецеховой, которая включает все расходы электрической энергии как на основные и вспомогательные процессы, так и на обеспечение работы цеха в целом как административной, технически и территориально выделенной единицы (крановое хозяйство и транспорт, отопление, освещение, обслуживание и текущий ремонт, хозбытовые, сантехника) с учетом потерь во внутрицеховых установках, сетях и трансформаторах.
В черной металлургии страны в конце 70-х были приняты нормы расхода электроэнергии на производство электростали в дуговых печах, опирающиеся на статистический метод. Де-факто статистический метод получил права гражданства. В 60-е экспертно выбирали технологические и энергетические факторы, наиболее существенно влияющие на расход электроэнергии. Формализованно это представлялось корреляционными уравнениями вида
где ai — постоянные коэффициенты; x1 — средневзвешенная установленная мощность печи по ЭСПЦ, МВА; х2 — горячие простои, %; x3 — удельный расход кислорода, м3/т; x4 — средняя длительность плавки, ч; x5 — средний вес одной плавки, т; x6 — доля углеродистой стали в сортаменте, %. Главэнерго Минчермета СССР настойчиво внедряло этот вероятно-статистический подход в 70—80-e годы для всех переделов отрасли, настаивая на уравнениях расчета Aуд на производство электростали.
Но здесь есть одна теоретическая тонкость, имеющая определяющее значение для практики и заключающаяся в том, что ни одно из приведенных уравнений (и всех подобных), полученных статистически на основе ретроспективы, нельзя использовать на перспективу хотя бы 2—3 лет, не говоря уже о сроках, скажем, в 10 лет. Словом, здесь другая вероятность, отличная от величины полураспада радиоактивного вещества или допуска по величине легирующих для данной плавки [8]. Неприменимость уравнений не говорит об ошибочности вероятно-статистической методологии. Она действительна, если, во-первых, выявляет тенденции, абстрактное представление которых предлагает критерии оптимизации; во-вторых, дает количественные результаты, адекватные четко оговоренным условиям; в-третьих, осуществляет согласование динамики изменения факторов и условий, предлагая своеобразный технический анализ [9]. В этом случае создается система, охватывающая все производства и все уровни иерархии.
Вероятностные представления, начавшие теснить классические в 50-е годы, основывались на убеждении, что обязательно действуют закон больших чисел (по Е. Вентцель: при очень большом числе случайных явлений средний их результат практически перестает быть случайным и может быть предсказан с большой степенью определенности) и центральная предельная теорема, указывающая условия сходимости к нормальному распределению (где ошибка, характеризуемая дисперсией, стремится к нулю при увеличении числа наблюдений случайных величин). Но даже и эти положения (а ведь это только ещё вторая научная картина мира) действующая в России идеология энергоаудита и энергосбережения, по существу, отвергает, доходя до абсурда и требуя, например, выделения ГДж/руб в отчислениях на амортизацию.
Общецеховые энергозатраты для изготовления заданного количества продукции и исполнения услуг за некий период определяют как сумму расходов топливно-энергетических ресурсов на общецеховые нужды, включающие: 1) технологические процессы (основной и вспомогательные); 2) отопление; 3) освещение; 4) вентиляцию (с улавливанием выбросов); 5) кондиционирование; 6) транспортирование готовой продукции; 7) транспортирование, хранение отходов; 8) поддержание противопожарной системы; 9) перекачку сточных вод; 10) хранение готовой продукции. Можно увеличить вдвое этот и каждый другой гостовский перечень (где, например, водозаборы или оборотные циклы?); во-вторых, каждая из позиций не выделяема физически и как объект, и как инструментальная система измерений.
Следовательно, созданная и всё ещё действующая система нормирования в электросталеплавильном производстве основана на идеологии 30—80-х гг., которую сейчас следует признать ошибочной. Система сводится к волюнтаристскому написанию некоторых чисел, приборно (по счетчику) не проверяемых, а получаемых в результате некоторого торга-соглашения тех, кто потребляет электроэнергию, и тех, кто контролирует расход. Приемлемый внешне результат получают "подстраиванием" под показания коммерческих (и технических) счетчиков.
Мощность электрической дуги Рд и активная мощность печной установки Ра различны. Так как кривая Ра имеет максимум, то одно и то же значение мощности, выделяющейся внутри печи, может быть достигнуто при двух различных значениях силы тока. Мощность, соответствующая наименьшему расходу энергии, и мощность, отвечающая за наибольшую производительность, различны. Поскольку стоимость электростали в значительной степени определяется расходом электроэнергии, требуется точное количественное её определение при решении вопросов развития электросталеплавильного производства на данном заводе. Существует и добавочное требование, заключающееся в выравнивании графика нагрузки.
Вступление страны в постиндустриальную эпоху и общая глобализация экономики (что применительно к электросталеплавильному производству привело к появлению новых технологий) накладывают на технические системы в цепочке "ДСП—ЭСПЦ—электросталеплавильная подотрасль" некоторые обязательные ценологические ограничения. Существо их в том, что локально принимаемое решение явно или неявно диктуется некоторыми внешними факторами. Упрощенно говоря, установка любой печи в России в какой-то степени определена уже установленными печами и некоторой общей техноэволюционной тенденцией (зафиксировано в табл. 2). В этом случае решение по обеспечению электроэнергией электросталеплавильного производства следует детализировать на уровне подотрасли, цеха, отдельной печи.
Покажем существование некоторых общих ценологических закономерностей, мало известных широкому кругу практиков [3, 4, 8]. Закономерности образуют композицию с законом больших чисел и центральной предельной теоремой, указывающей условия сходимости к нормальному распределению. В качестве общего вывода можно утверждать, что отклонения от среднего, по Гауссу, велики и объясняются наличием техноценологической составляющей. Для её оценки необходимо использование новых инструментальных средств — ценологических ранговых моделей.
Использование ранговых распределений для электросталеплавильного производства предполагает в качестве первого шага ранжирование данных (рис. 3) или представление графически выражения (1). Расставим в порядке убывания (если строго, то — невозрастания) по годам объемы производства и удельный расход электроэнергии [3]. Обозначим номер предприятия по оси x числом r = 1, 2, 3, ... Правило ранжирования имеет математическую запись в виде неравенства N(r) > N(r + 1), где r — это ранг. Тогда ищут линию регрессии в виде
где r — ранг или номер по порядку; r = [x], Λ = f(r); B ≈ B1 — значение первой точки (наибольшее значение параметра для r = 1), β > 0 — константы рангового распределения. Это означает, что ряды эмпирических данных в несколько десятков позиций сжимаются до двух параметров (B, β), устойчивость которых характеризуется данными табл. 5, и неформализованного остатка в виде линейной или квадратичной разности.
Ценологический аппарат применяют, когда среднее не может быть использовано из-за большой ошибки (достаточно обратиться к таблице на обложке и убедиться, что оперирование средним может к такой ошибке привести). На практике техноценологический подход за последнее время получил широкое распространение. В развитых странах в различных науках он известен как теория самоорганизации, фрактальности, бесконечно делимых распределений (интерпретируемых нами как гиперболические Н-распределения [3]), распределений Парето, Ципфа, Мандельброта, Бредфорда, Лотки и др. [4]. В технических системах это научное направление, применяемое для оптимизации состава цеха по установленному оборудованию, выплавляемым маркам стали, стоимостным и штатным показателям, расходу материальных и энергетических ресурсов, мы представляем как действие законов техноэволюции, где на цех (производство в целом) накладываются количественные ограничения гиперболического Н-распределения, определяемые законом информационного отбора. Принципиально, что эти распределения теоретически не имеют математического ожидания (среднего), а дисперсия у них — бесконечна (ошибка в точке, где принимается решение, опирающееся на среднее, может быть сколь угодно большой).
Эти положения отражают реальность окружающего техногенного мира и являются теоретической основой третьей ценологической научной картины мира [4]. Поясним подход, обратившись к статистике по плавкам ДСП Белорусского металлургического завода и Кузнецкого металлургического комбината. Тем самым продемонстрируем общность ценологического подхода, переходя от отрасли к удельным расходам электроэнергии по ЭСПЦ, а затем к плавкам отдельной ДСП.
Итак, если ход каждой плавки обычный (штатный), то и Aуд достаточно точно определимо нормальным распределением. Но жизнь преподносит ценологические сюрпризы: поломка электрода, прогар футеровки, перерыв электроснабжения, легковес шихты, плох экспресс-анализ, "ушел" металл (Aуд→∞), психо-физические отклонения персонала [10]. Так всякого рода простои агрегатов с водоохлаждением по ходу плавки вызывают потери энергии, которые необходимо восполнять после включения. Например, каждый час простоя печи ДСП-100-И6 эквивалентен дополнительному расходу электроэнергии до 150 кВтч/т по сравнению с 30—50 кВтч/т на 100-тонных печах с традиционной огнеупорной футеровкой. Очевидны различия в Aуд при работе с пакетированной стружкой и "тяжеловесом". Рельсовая обрезь легче обеспечивает химсостав, заметно снижая Aуд. Тогда для каждого выделенного по счетчикам объекта суточные (сменные, по плавкам, операциям) измерения за год (квартал, месяц) образуют гауссово распределение с некоторым средним (среднее Aуд = 550 кВтч/т) и областью определенного разброса (I — область технологически нормальной работы). На рис. 4 дан пример для 1000 плавок по ДСП-100). Слева это распределение ограничено количеством энергии, необходимой для производства данного вида продукции (340 кВтч). В целом же кривая асимметрична, имеет растянутый вправо "хвост" (II — область неудовлетворительной работы). Задача электриков — измерять параметры плавок в областях I или II, а технологов — анализировать причины (особенности) отклонений от среднего тех плавок, у которых превышены пределы, определяемые нормальным распределением. Например, фактический разброс значений max и min Aуд для ДСП1 — 816 и 424 кВтч/т, ДСП2 — 910 и 453, ДСП3 — 810 и 414 кВтч/т или времени подачи тока (от 104 до 59 мин). Это и есть проявление ценологических свойств. Воздействие на ценологическую составляющую проверяемо с точки зрения энергосбережения: при воздействии на область II начнет уменьшаться среднее, причем его уменьшение имеет предел, характеризующий возможности энергосбережения при данной технологии.
Введение ценологической оценки позволяет формализовать критерии оценки данных: нормальную область (рис. 4) ограничивает, например, величина 3σ; ценологическую — теоретическая площадь [4]. Что касается указанного [11] снижения среднего удельного расхода электроэнергии на выплавку стали в электропечах (на ломе и чугуне) за период 1990—2001 гг. с 688 до 545 кВтч/т, то это типичная ценологическая величина (как средняя температура по больнице), которую "не приставить" ни к одному конкретному заводу, ни к одной конкретной ДСП.
Уточним подход к управлению энергопотреблением, установив вероятно-статистические и оценив ценологические зависимости расхода электроэнергии W, кВтч, от объема и конструкции печи, от максимальной мощности, подаваемой печи в период расплава S, кВА, от объема единичной плавки по жидкой и годной стали Mж, Mг, т, от времени подачи тока t, мин, расхода кислорода Vк, м3, и природного газа Vг, м3 (табл. 6). Целью обработки статистических материалов по отдельной печи является нахождение величины удельных расходов электроэнергии, так как другие электрические характеристики (расход электроэнергии, время подачи напряжения, мощность трансформатора, напряжение и время работы на той или иной ступени печного трансформатора) хотя и являются важными, но их труднее связать с технологическим результатом. Здесь Aуд является наиболее представительным показателем.
Ключевым теоретическим вопросом, определяющим практические выводы, является вопрос о предельной функции распределения исследуемых величин: имеется ли какая-нибудь предсказуемая величина Aуд, или характер воздействий на режим плавки настолько многообразен и случаен, что его нельзя считать стохастическим. Другими словами: имеется ли устойчивое среднее и конечная предсказуемая ошибка в величине Aуд? В табл. 7 в качестве примера приведены сводные результаты фактических плавок.
Анализ таблиц показал, что удельные расходы сильно зависят от времени подачи тока, веса стали (жидкой и годной) с тенденцией увеличения Aуд при увеличении t и уменьшения при увеличении М. При этом наблюдается большой (в среднем 15 %) разброс Aуд для конкретных значений t, М. Формулы регрессии для удельных расходов электроэнергии Aуд.ж = а ln t – b; Aуд.ж = b – aMж; Aуд.г = b – aMг. Хотя печи одинаковы, зависимости Aуд = f(M), Aуд = f(t) индивидуальны. Удельный расход практически одинаков при номинальной загрузке печи (100 т), при неноминальной — разброс значений Aуд увеличивается.
Неподчинение нормальному закону (см. рис. 4) требует учета технологических параметров при разработке норм (индивидуальных для каждой печи), а точнее — для каждой плавки. Зависимости удельных расходов от технологических параметров могут служить первой оценкой удельных норм при данной загрузке печи и др. (табл. 5 и 6). Если параметры плавок проранжировать (расположить в порядке убывания) и определить ранговый коэффициент β, характеризующий степень крутизны кривой распределения, по (3), разница в величине βi по печам — 5—21 %. Если, в свою очередь, βi проранжировать и определить вторичный ранговый коэффициент β` (предложено Лагуткиным О. Е.), разница в величине β` около 5 % (значение 1,06—1,12 для β` характерно для печей данного типа). Принимая за расчетное значение β` = 1,09 и решая обратную задачу, можно получить удельные расходы, практически совпадающие с определенными методом регрессионного анализа. Таким образом, метод рангового анализа может служить математической основой разработки "скользящих" норм.
Наблюдаемая ошибка регрессии должна объясняться влиянием на Aуд других технологических параметров (Vг, Vк и др.). Если рассматривать коэффициенты корреляции между удельными расходами Aуд.ж и Aуд.г, они однозначны (достоверны), но далеки от 1,00: для ДСП1 — 0,86, ДСП2 — 0,78, ДСП3 — 0,82. При этом расход электроэнергии более тесно связан с объемом жидкой стали, чем годной. Соответственно для ДСП1 эти коэффициенты равны 0,87 и 0,75; для ДСП2 — 0,76 и 0,64; для ДСП3 — 0,86 и 0,76. Следовательно, на уровне цеха для сталеваров, работающих на одной печи (непосредственно осуществляющих плавку), нормирование Aуд желательно производить по жидкой стали. При нормировании по годному присутствует больше факторов, на которые сталеплавильщик влияния оказать не может. В целом же по цеху (и особенно по заводу) нормировать следует по годному. Для всех печей существует отрицательный коэффициент корреляции между весом плавки (жидкого и годного) и Aуд. Это означает, что увеличение веса плавки снижает Aуд. Но величина коэффициента мала, поэтому соответствующие уравнения регрессии следует рассматривать как оценочные. Значимой и положительной является зависимость Aуд = f(t) (чем больше время, тем больше Aуд), для ДСП1 коэффициент составил соответственно 0,73 и 0,71. Следовательно, сокращение времени плавки — это важнейший путь уменьшения Aуд.
Было проверено ценологическое положение теории о возможности устанавливать индивидуальную норму Aуд для сталевара, т. е. о статистической достоверности различий. На каждой из трех печей ДСП-100 работают бригады сталеваров. Оказалось, что у всех Aуд на плавку подчиняются нормальному закону распределения (ценологическими свойствами обладает печь в целом). Сумма нормальных законов распределения показателей электропотребления по сталеварам не дает нормального закона распределения этих показателей по печи (ещё одно из следствий действия закономерностей третьей научной картины мира). Из этого следует, что наиболее обоснованные нормы можно получить лишь для конкретного сталевара индивидуально.
Выводы
1. Электросталеплавильное производство в значительной степени определяет региональное развитие электроэнергетики, порождая проблемы электрообеспечения и энергосбережения, необходимость определения расходов электроэнергии.
2. Постиндустриальное общество свело на нет область прямых расчетов удельных расходов электроэнергии (нормирования) в соответствии с классической научной картиной мира и ограничило область вероятно-статистических расчетов (вторая картина) в ценозе: отдельная плавка (режимы работы отдельной ДСП) — общецеховые (заводские) расходы — расходы электроэнергии цехов (заводов) электросталеплавильной подотрасли.
3. Представление сообществом (ценозом) множества (больше 100) плавок одной ДСП, посуточного электропотребления ЭСПЦ (завода) за год (квартал), предприятий электросталеплавильной подотрасли России в целом дает возможность прогноза развития по всей цепочке, включая состав оборудования, объем ресурсов, точного определения удельных расходов электроэнергии для нормирования и электросбережения.
Список литературы
1. Лопухов Г. А. Эволюция электросталеплавильного производства к 2010 году // Электрометаллургия. 2002. № 5. С. 2—3.
2. Некрасов В. М., Милович Р., Сунягин В. Р., Дюбанов В. Г. Инжекционные технологии и возможности их внедрения в производство // Электрометаллургия. 2002. № 6. С. 2—14.
3. Кудрин Б. И. Зачем электрику рейтинг // Электрика. 2001. № 8. С. 3—11.
4. Кудрин Б. И. Введение в технетику. Томск: Изд-во Томского гос. ун-та, 1993. 552 с.
5. Авдеев В. А., Друян В. М., Кудрин Б. И. Основы проектирования металлургических заводов: Справочное издание. М.: Интермет Инжиниринг, 2002. 464 с.
6. Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б., Шалаев С. А. Основные направления экономии энергии на металлургических предприятиях // Промышленная энергетика. 1995. № 9. С. 12—15.
7. Кудрин Б. И. Философские основы преподавания электротехнических и электроэнергетических дисциплин в условиях перехода к постиндустриальной (информационной) формации // Электрификация металлургических предприятий Сибири. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2001. С. 212—220.
8. Чайковский Ю. В. О природе случайности. Вып. 18. Ценологические исследования. М.: Центр системных исследований — Институт истории естествознания и техники РАН, 2001. 272 с.
9. Кудрин Б. И. Организация, построение и управление электрическим хозяйством промышленных предприятий на основе теории больших систем. Вып. 24. Ценологические исследования. М.: Центр системных исследований, 2002. 368 с.
10. Варнавский Б. П., Кудрин Б. И. Проблемы оценки эффективности использования электрической энергии // Промышленная энергетика. 1994. № 12. С. 2—7.
11. Афонин С. З. Сталеплавильное производство России и конкурентоспособность металлопродукции // Электрометаллургия. 2003. № 1. С. 2—5.