// Электрика. – 2007. – № 7.–
С. 11–14.
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДУГОВЫХ
СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
А.Б. Кувалдин, Е.В.
Птицына, Р.В. Минеев, А. Р. Минеев
Московский энергетический институт (Технический
университет), ООО "Промэнергосервис"
Почти
четыре десятилетия назад по инициативе профессоров А. А. Фёдорова и М. Я.
Смелянского начаты и продолжаются в настоящее время работы по проблемам
электроснабжения дуговых сталеплавильных печей (ДСП) как наиболее мощных
электротермических установок (ЭТУ) с вероятностной природой нагрузки. За эти
годы изменялись конструкции ДСП и технологические процессы плавки металла в
них, электрические режимы их работы и системы питания. Во многих работах, в том
числе выполненных с участием авторов [1–7], отражены основные направления и
методы исследований ДСП переменного тока:
• исследование
влияния ДСП на системы электроснабжения;
• оптимизация
графиков нагрузки (режимов работы) ДСП;
• исследование
условий работы печных трансформаторов и высоковольтных выключателей;
• повышение
эффективности и надёжности электроснабжения ДСП (разработка мер по снижения
асимметрии, фликкер-эффекта, высших гармонических, повышению коэффициента
мощности);
• разработка
компьютерно-ориентированных методов энергосбережения
при работе ДСП и оптимизация электроснабжения ДСП путём компьютерного
моделирования;
• исследование
влияния рода тока (переменный и постоянный ток, ток сложной формы) на системы
электроснабжения ДСП.
Рассмотрим
некоторые аспекты исследований, в частности, относящиеся к симметрированию,
борьбе с высшими гармоническими и компенсации реактивной мощности при работе
ДСП.
При
анализе несимметричных режимов коэффициент несимметрии
токов вычисляли непосредственно через модули (действующие значения) токов фаз IA, IB, и IC ,
которые в условиях эксплуатации могут быть измерены стрелочными амперметрами с
помощью специального фиксирующего устройства, либо определены по синхронной
записи действующих значений токов на многоканальном самопишущем приборе или с
помощью осциллографа. Формула для определения коэффициента несимметрии
α через действующие значения токов имеет вид:
|
|
(1) |
где 
и 
.
Колебания
токов отдельных фаз являются процессами случайными, поэтому α
изменяется во времени также случайным образом и требует для анализа
использования статистических методов. выражение
(1) было использовано при статистическом анализе несимметричных режимов токов
различных типов ДСП. При экспериментальных исследованиях действующие значения
токов всех трёх фаз синхронно записывали на трёхканальном самопишущем приборе.
При этом для ДСП брали наиболее тяжёлый период работы – период расплавления
твёрдой шихты, который, в свою очередь, разделялся на наиболее характерные
стадии: расплавление первых, вторых и третьих колодцев, расплавление после
подвалки шихты.
В
результате обследования ДСП различной вместимости на металлургических заводах
были определены количественный состав высших гармонических, а также значения
коэффициентов мощности (приведены в таблице). На рис. 1 представлен упрощённый
вариант схемы замещения одной фазы короткой сети ДСП, для которого сделан
математический вывод закона оптимального управления мощностью компенсирующей
установки при работе ДСП. Необходимо отметить, что при несимметричной нагрузке
в электропечи реактивные составляющие тока следует компенсировать в каждой
фазе, поэтому и ёмкость батареи конденсаторов (БК) требуется подбирать
индивидуально для каждой фазы.
Предлагаемый
метод определения регулируемой ёмкости БК предполагает выполнение условия
синусоидальности напряжения и тока печи, что даёт неко-
|
Тип
и номер печи |
Напряжение питания, кВ |
Мощность печного трансформатора, MBА |
Коэффициент мощности |
||
|
отдельной
печи |
по
группе печей |
||||
|
ДСП-5 |
1 |
30 |
2,0 |
0,877 |
0,866 |
|
2 |
0,859 |
||||
|
3 |
0,883 |
||||
|
4 |
0,864 |
||||
|
5 |
0,853 |
||||
|
6 |
0,863 |
||||
|
ДСП-10 |
4 |
38 |
2,8 |
0,849 |
0,857 |
|
2 |
3,0 |
0,858 |
|||
|
3 |
3,5 |
0,837 |
|||
|
5 |
3,8 |
0,862 |
|||
|
6 |
5,0 |
0,869 |
|||
|
ДСП-20 |
7 |
7,5 |
0,831 |
0,855 |
|
|
8 |
0,858 |
||||
|
9 |
0,870 |
||||
|
7 |
30 |
9,0 |
0,859 |
0,854 |
|
|
8 |
0,874 |
||||
|
9 |
0,862 |
||||
|
10 |
0,838 |
||||
|
ДСП-100 |
2 |
35 |
25,0 |
0,750 |
0,750 |
|
1 |
32,0 |
0,742 |
0,742 |
||
|
6 |
25,0 |
0,689 |
0,720 |
||
|
7 |
0,725 |
||||
|
8 |
0,740 |
||||
|
10 |
0,717 |
||||
|
11 |
0,732 |
||||
|
9 |
32,0 |
0,756 |
0,756 |
||
|
1 |
25,0 |
0,738 |
0,746 |
||
|
2 |
50,0 |
0,735 |
|||
|
3 |
0,765 |
||||
|
1 |
45,0 |
0,764 |
0,764 |
||
|
ДСП-200 |
2 |
0,741 |
0,740 |
||
|
3 |
60,0 |
0,739 |
|||
торую
погрешность. Сдвиг во времени (рис. 2) между мгновенными значениями напряжения
на вторичной стороне печного трансформатора 
и тока нагрузки 
может быть определён
из анализа схемы (см. рис. 1) и равен:
|
|
где 
и 
–
активное сопротивление и индуктивность; ω –
круговая частота.
Для момента времени
τ1 справедливо соотношение
|
|
Из
уравнений (2) и (3) можно по данным измерений мгновенных значений напряжения,
тока и производной тока определить значения активного сопротивления и индуктивности схемы
замещения. Отсюда значение ёмкости конденсаторной батареи, требуемой для полной
компенсации индуктивной составляющей тока нагрузки, равно:
|
|
Таким
образом, предложенный метод позволяет рассчитать ёмкость регулируемой
конденсаторной батареи, необходимой для полной компенсации реактивной
составляющей тока при плавке в ДСП. Разработанный алгоритм рекомендуется для
управления компенсирующими конденсаторными батареями дуговых печей.
Кроме
системы автоматического управления батареей конденсаторов, в процессе
исследований по оптимизации вопросов электроснабжения дуговых сталеплавильных
печей на ряде предприятий ("Электросталь", "Красный Октябрь",
Оскольский, Новокузнецкий, Молдавский, Новолипецкий и др.) совместно с их сотрудниками предложен
ряд разработок (на уровне изобретений), в том числе схемотехнические решения и
устройства для борьбы с существенной нелинейностью электрического контура ДСП
за счёт корректирующей ЭДС; для компенсации несинусоидальности токов и напряжений ДСП, для управления симметрирующими элементами электрической сети, питающей
ДСП, и др.
В
настоящее время, наряду с ДСП переменного тока, широко применяют дуговые печи
постоянного тока (ДППТ), которые имеют определённые технологические и
энергетические преимущества (например, снижение расхода графитированных
электродов, угара металла и ферросплавов, выбросов пыли и уровня шума; на
постоянном токе снижаются падение напряжения в токоподводах
(короткой сети) и, соответственно, потери энергии).
Применение
ДППТ привело к некоторой переоценке проблем электроснабжения дуговых печей. Печи
отличаются существенно более спокойным электрическим режимом, что обеспечивает
снижение уровня колебаний напряжения дуги и уменьшение фликкера
в питающей энергосистеме. Наличие выпрямителя исключает прямое воздействие
нелинейного сопротивления дуги на сеть и снижает уровень высших гармоник, т. е.
улучшает форму кривой напряжения сети. Обычно в ходе работы коэффициент
мощности ДППТ даже при использовании управляемого выпрямителя составляет
0,85–0,94 (что существенно выше, чем у ДСП переменного тока). В настоящее время
число действующих печей постоянного тока примерно равно числу работающих ДСП переменного
тока.
Однако
при сравнении вариантов питания дуговых печей постоянным и переменным током
необходимо учитывать усложнение конструкции печи из-за введения подового
электрода, стоимость мощного выпрямителя, дополнительные задачи его
обслуживания и другие факторы, т. е. в каждом конкретном случае требуется
проведение технико-экономического расчёта [8]. Отметим, что для слабых сетей
электроснабжения ДППТ имеют заметное преимущество перед ДСП.
В
последнее время идут разработки и исследования систем питания дуговых печей
(рис. 3) током сложной формы (ТСФ) – полигармоническим током с постоянной
составляющей и без неё. Исследования показали возможности улучшения
характеристик печи за счёт повышения устойчивости горения электрической дуги,
снижения приэлектродных падений напряжений и
градиентов напряжения в столбе дуги, возможности использования управления
режимом работы за счёт изменения гармонического состава тока дуги.
Источник
питания ТСФ (печной трансформатор с управляемым выпрямителем или замагниченным дросселем насыщения) обеспечивает ток печи требуемого
гармонического состава, что улучшает энергетические и технологические
показатели ДСП (сокращение времени плавки, снижение удельного расхода
электроэнергии, расхода электродов и ферросплавов, выбросов пыли и уровня
шума). При этом, естественно, возникают проблемы качества энергии в питающей
печь электрической сети.
Проведённые
исследования показали возможность минимизации негативного воздействия на
электрическую сеть дуговых сталеплавильных печей с питанием ТСФ. В частности,
при опытно-промышленных испытаниях печи ДСП-6 с
трансформатором ЭТДЦПК-6300/10 на ПО "Павлодарский тракторный завод" (Казахстан) исследованы основные показатели качества электроэнергии на
шинах распределительного пункта 10 кВ
СЛЦ-2 и спектры гармоник тока для периода
расплавления при питании печи синусоидальным напряжением и питанием ТСФ (новый
режим). При этом установлено, что в новом режиме работы печи значение
коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в конце периода расплавления
составило 2,7 % (в обычном режиме: 6,04 % – для периода расплавления; 4,56 % –
для периода окисления; 3,74 % – для периода рафинирования). Значения других
показателей качества электроэнергии в сети при работе печи с питанием ТСФ не
превысили допустимых по ГОСТ 13109–97 значений [9, 10].
Экспериментально подтверждено, что
при правильном выборе электрического режима работы ДСП с питанием ТСФ не влияют
на качество энергии в электрической сети, поскольку заданное значение тока
можно поддерживать при разном сочетании ступеней РПН электропечного
трансформатора и параметра регулирования – тока управления дросселями (или угла
управления тиристорами). Исследованиями установлена возможность получения
эффективных режимов работы ЭТУ с питанием ТСФ даже с уменьшением
электромагнитных помех в питающей сети. Это обеспечивается при работе установок
на более низкой ступени РПН трансформатора, так как при этом снижаются
амплитуды гармонических составляющих на стороне высокого напряжения и,
следовательно, уменьшается влияние нелинейности сопротивлений ДСП на питающую
сеть.
Список
литературы
1.
Влияние дуговых электропечей на системы электроснабжения / Под
ред. М. Я. Смелянского и Р. В. Минеева. М.: Энергия, 1975.
2.
Минеев Р. В., Михеев А. П., Рыжнев Ю. Л. Графики нагрузок
дуговых электропечей. М.: Энергия, 1977.
3.
Минеев Р. В., Михеев А. П., Новиков В. Т., Попов А. Н. Условия работы
трансформаторов для дуговых электропечей. М.: Информэлектро,
1976.
4.
Минеев Р. В., Михеев А. П., Рыжнев Ю. Л. Повышение
эффективности электроснабжения электропечей. М.: Энергоатомиздат,
1986.
5.
Минеев Р. В., Игнатов И. А., Дмитриев И. Ю. Эффективность и надёжность
энергоснабжения (опыт работы малого предприятия промышленной энергетики). Ч. I.
М.: Спутник+, 2003.
6.
Минеев Р. В., Дмитриев И. Ю., Игнатов И. А. Компьютерно-ориентированные
высокие технологии для ресурсо- и энергосбережения
(опыт работы малого предприятия промышленной энергетики). Ч. II. М.: Спутник+, 2004.
7.
Минеев А. Р., Кузьмин М. Г., Минеев Р. В. электроснабжение
и оптимизация потребления энергии электротехнологическими
установками. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007.
8. Зинуров И. Ю., Гудим Ю. А., Галян
В. С., Шумаков А. М. дуговые печи
постоянного тока в современном сталеплавильном производстве // Электрометаллургия. 2005. № 10.
9. Кувалдин А. Б., Птицына Е. В. Электролизные и дуговые электротехнологические установки с питанием током сложной
формы / Материалы Всерос. Электротехн.
конгресса ВЭЛК–2005, 26–30 сентября
10.
Птицына Е. В., Кувалдин А. Б. Работа дуговых печей
малой ёмкости при питании током сложной формы // Электрометаллургия. 2006. № 2.
Рис. 1. Схема замещения короткой сети ДСП (одна
фаза)
Рис. 2. Графики
мгновенных значений тока и напряжения
Рис. 3.
Схемы питания ДСП током промышленной частоты (а) и ТСФ (б):
1 – высоковольтный выключатель; 2, 5 – трансформаторы тока; 3 – печной трансформатор; 4 – выключатель нагрузки; 6 – короткая сеть; 7 – дуговая печь; 8 – трансформатор напряжения; 9 – дроссель насыщения; 10 – выпрямитель