CC BY
46
УДК 62-83:004
A.С. Карандаев, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, декан, (3519) 29-84-34, askaran@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ),
B.Р. Храмшин, канд. техн. наук, доц., зам. декана, (3519) 29-84-34, hvr mgn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ),
И.Ю. Андрюшин, гл. инженер УГЭ (3519) 29-84-34, cetl golovin@mmk.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»),
B.В. Головин, канд. техн. наук, заслуженный энергетик РФ, нач. Центральной электротехнической лаборатории, (3519) 29-84-34, cetl_golovin@mmk.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»),
П.В. Шиляев, нач. центра ТОиР (3519) 29-84-34, cetl_golovin@mmk.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»),
C.А. Петряков, асп., (3519) 29-84-34,
hvr mgn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ), А. А. Лукин, асп., (3519) 29-84-34, hvr mgn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ)
НОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ И СИСТЕМАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ
Рассмотрен комплекс разработанных и внедренных в ОАО «ММК» научно-технических решений по совершенствованию автоматизированных электроприводов и систем регулирования технологических параметров широкополосных станов горячей прокатки. Разработки направлены на повышение точности регулирования толщины и натяжения полосы, а также на уменьшения потерь электрической энергии без применения компенсирующих устройств.
Ключевые слова: точность регулирования толщины, прямое цифровое регулирование, потери электрической энергии.
Выполнен комплекс научно обоснованных, технически исполненных и внедренных разработок по совершенствованию автоматизированных электроприводов и систем регулирования технологических параметров широкополосных станов горячей прокатки, включающий:
1. Комплексную модернизацию тиристорных электроприводов (ЭП) клетей и вспомогательных механизмов, обеспечивающую:
- перевод комплектных электроприводов с аналоговыми системами управления на прямое цифровое регулирование без замены силовой части преобразователя (аналогов подобной модернизации в мировой практике не было);
- полную замену всех локальных систем автоматизации первого уровня;
- внедрение сквозного для всего стана второго уровня автоматизации и интеграцию в корпоративную систему управления производством.
2. Разработку и реализацию систем и алгоритмов управления скоростными режимами электроприводов клетей непрерывной группы клетей, обеспечивающих улучшение качества полосы за счет повышения точности регулирования натяжения и поддержания заданного температурного режима прокатки.
3. Разработку и реализацию нового принципа построения высокодинамичных систем взаимосвязанного регулирования толщины и натяжения, обеспечивающих технические возможности производства горячекатаной полосы толщиной 0,8...2 мм, являющейся конечной продукцией прокатного передела.
4. Разработку и реализацию способа автоматического управления нажимными устройствами в составе САРТ, согласно которому осуществляется разведение нажимных устройств при захвате с последующим их возвращением в заданную позицию для прокатки основного участка полосы.
5. Разработку концепции построения энергоэффективных тиристор-ных электроприводов и создание на ее основе систем двухзонного регулирования скорости с переключающимися структурами, обеспечивающих улучшение энергетических показателей за счет снижения потребления реактивной мощности без применения компенсирующих устройств.
Технико-экономическое обоснование реконструкции главных электроприводов широкополосного стана с заменой системы управления и сохранением силовой части
Одним из направлений модернизации электрооборудования в ОАО «ММК» является замена устаревших аналоговых систем управления электроприводов постоянного тока на цифровые. Комплектные тиристорные электроприводы постоянного тока будут составлять большую часть электроприводов, использующихся в основных технологических установках еще в течение длительного времени. Авторским коллективом представленного доклада (при участии сотрудников ГОУ ВПО «МГТУ» и специалистов электрослужб ОАО «ММК») разработана идея модернизации, суть которой заключается в переводе комплектных электроприводов с аналоговыми системами управления на прямое цифровое регулирование без замены силовой части преобразователя. Выбор такого пути реконструкции объясняется следующими причинами:
- основную долю в стоимости электропривода составляет стоимость электродвигателя и силовых полупроводниковых элементов, в то время как замена только системы управления должна дать быстрый экономический эффект за счет увеличения надежности и улучшения качества регулирования;
- основная часть двигателей постоянного тока и силовых тиристор-ных блоков не выработала свой ресурс и может находиться в эксплуатации.
При технико-экономическом обосновании такого способа реконструкции электроприводов стана-2000 горячей прокатки сопоставлялись три варианта:
1. Реконструкция с заменой системы управления и сохранением существующей силовой части.
2. Реконструкция с полной заменой тиристорного преобразователя (на преобразователь фирмы «Siemens»).
3. Реконструкция с заменой двигателя постоянного тока на асинхронный двигатель с управлением от преобразователя частоты (комплектный тиристорный электропривод фирмы «Siemen»s) .
При оценке укрупненных капиталовложений в реконструкцию ЭП (табл. 1) учитывались: стоимость выбранного оборудования (согласно договорной цены фирмы-поставщика), стоимость инструментов и оборотных средств, транспортные расходы, дополнительные затраты на демонтаж, монтаж, техническую подготовку и наладку оборудования. В результате показано, что затраты по первому варианту в 5 раз ниже затрат по второму варианту и примерно в 20 раз ниже соответствующих затрат при третьем варианте реконструкции.
Таблица 1
Результаты расчета капиталовложений, необходимых для вариантов реконструкции (тыс. руб.)
Статья затрат 1-й ва- 2-й ва- 3-й вари-
риант риант ант
Стоимость оборудования, СОБ 440,3 2106,0 79562
Стоимость инструментов и оборот- 22,0 105,3 3978,1
ных средств, Сине 5 %
Транспортные расходы, СТР 10 % 44,0 210,6 7956,2
Дополнительные затраты, СдЗ 20 % 88,1 421,2 15912,4
Капиталовложения 594,4 2843,1 107408,7
Выполненное технико-экономическое обоснование, а также положительный опыт модернизации главных ЭП стана 2500 горячей прокатки позволили запланировать в 2011-2112 гг. проведение аналогичной реконструкции на стане 2000 ОАО «ММК». В настоящее время проводятся подготовительные и проектные работы. Расчетный экономический эффект от внедрения цифровых систем управления при сохранении силовой части составляет более 33 млн. руб./год.
Обоснование промышленного внедрения разработанной системы взаимосвязанного регулирования натяжения и толщины
Тенденцией развития широкополосных станов горячей прокатки является переход на производство горячекатаной полосы толщиной
0,8.. .2 мм, т.е. по геометрическим размерам приближающейся к продукции непрерывных станов холодной прокатки. Существующие локальные системы регулирования геометрических размеров, рассчитанные на прокатку более толстых полос от 2 до 10 мм, не обеспечивают выполнения технологических требований из-за влияния натяжения на толщину проката. Наиболее сильно это влияние проявляется в последних межклетевых промежутках.
Действующая система автоматического регулирования натяжения и высоты петли (САРНиП) стана 2500, как и аналогичные системы большинства отечественных станов обеспечивает заданную точность регулирования натяжения тонкой полосы лишь в установившихся технологических режимах. Значительное влияние на качество регулирования удельного натяжения в динамических режимах оказывают инерционности электромеханического петледержателя и механизмов прокатной клети. Это не позволяет эффективно использовать ресурсы быстродействующей системы автоматического регулирования толщины, выполненной на базе современных гидравлических нажимных устройств.
В результате расширения сортамента прокатываемых полос диапазон регулирования натяжения существенно изменился и находится в пределах 0,5.17 Н/мм . Соответственно изменились и допустимые отклонения удельного натяжения, не более ±0,05 Н/мм . Разнотолщинность полосы после установки гидравлических нажимных устройств на 10 и 11 клетях стана и включения в работу новой системы регулирования толщины на их основе не должна превышать 0,075.0,09 мм (до реконструкции разнотолщинность составляла 0,1.0,14 мм), что при прокатке полосы 1,5. 2 мм составляет 3,7.5 %. Кроме того, переход на тонкий сортамент связан с увеличением скоростей прокатки. Если при прокатке полосы толщиной 2 мм скорость на выходе чистовой группы не превышала 13 м/с, то для полос толщиной 1,5.1,8 мм она достигает 20 м/с.
С целью улучшения показателей регулирования натяжения в динамических режимах разработана САРНиП с прямым регулированием натяжения и компенсацией взаимного влияния систем регулирования положения петледержателя и натяжения с помощью перекрестных связей. Наиболее близким известным аналогом является система фирмы «Mitsubishi», разработанная для стана «Mizushima Works» (Япония) [1].
Исследованы свойства предлагаемой САРНиП в режимах захвата полосы последующей клетью, а также в динамических режимах при изменениях скорости клетей и перемещения нажимных устройств. В табл. 2 приведены результаты оценки отклонений удельного натяжения для известной и предлагаемой систем при изменении положения петледержателя на 1° при прокатке полос различной толщины.
Во всех межклетевых промежутках отклонения удельного натяжения в предлагаемой системе практически на порядок ниже чем в сущест-
вующей. По времени регулирования (0,45.0,5 с) предлагаемая система также оказывается более предпочтительной по сравнению с существующей (0,8.0,9 с). Аналогичные результаты получены при исследовании переходных процессов при других возмущающих воздействиях.
Таблица 2
Величины отклонений удельного натяжения в известной и предлагаемой системах при захвате полосы последующей клетью
Промежуток Система Время ре-гулирова-ния, с Максимальное отклонение удельного натяжения Аа, М% / м Перерегулирование удельного натяжения, %
2 мм 4 мм 8 мм 2 мм 4 мм 8 мм
4 Существующая 1,2.1,5 1,1 2,5 2 22,0 62,5 66,7
Предлагаемая 0,6.0,8 0,45 0,18 0,45 9,0 4,5 15,0
5 Существующая 1,2.1,5 1,5 2,6 2,2 18,7 43,3 55,0
Предлагаемая 0,6.0,8 0,45 0,25 0,55 5,6 4,0 13,7
6 Существующая 1,2.1,5 2 2,5 4,1 13,3 19,2 37,3
Предлагаемая 0,6.0,8 0,45 0,2 1,5 3,0 1,5 13,6
В целом, по результатам исследований доказано, что при прокатке тонких полос предлагаемая система обеспечивает выполнение требования отклонения натяжения в пределах ±10 % во всех динамических режимах, что соответствует предъявляемым требованиям. Кроме того, доказано, что в разработанной системе с перекрестными связями уменьшение момента инерции петледержателя не оказывает заметного влияния на показатели переходных процессов натяжения. Поэтому улучшение показателей регулирования обеспечивается на существующем оборудовании без замены инерционных электромеханических петледержателей. Использование пет-ледержателей с малым моментом инерции (в том числе - гидравлических) в предлагаемой системе, в отличие от существующей, не является целесообразным.
Обоснование промышленного внедрения разработанных тиристор-ных электроприводов с улучшенными энергетическими показателями
Большинство отечественных широкополосных станов горячей прокатки оснащено электроприводами постоянного тока с двухзонным регулированием скорости. Основная причина ухудшения их энергетических показателей вызвана потреблением реактивной мощности, связанным с фазовым регулированием выпрямленного напряжения тиристорного преобразователя (ТП). Стремление улучшить энергетические показатели тири-сторных ЭП без применения компенсирующих устройств привело к
разработке систем управления, позволяющих уменьшить величину требуемого запаса выпрямленной ЭДС ТП.
С целью улучшения энергетических показателей разработана концепция систем двухзонного регулирования, в основу которой положен принцип перераспределения запаса выпрямленной ЭДС ТП в установившемся и динамических режимах, вызванных изменением нагрузки ЭП. Это позволяет уменьшить величину запаса за счет более рационального его использования. В рамках названной общей концепции предложены способ и система зависимого управления потоком возбуждения в функции выпрямленной ЭДС. Разработаны способ и система двухзонного регулирования с переключением координаты, регулируемой по цепи возбуждения.
В табл. 3 представлены результаты расчета потерь электрической энергии для электроприводов клетей чистовой группы стана 2000 при внедрении разработанной системы двухзонного регулирования. Как видно из табл. 3, снижение потерь мощности и электроэнергии при прокатке полосы заданного профиля составляет не менее 7 %, годовая экономия электрической энергии от внедрения мероприятий по уменьшению потребления реактивной составляющей - 2,9 млн кВт-ч/год.
Таблица 3
Результаты расчета энергетических показателей для электроприводов клетей чистовой группы
Параметр Значения по клетям чистовой группы стана 2000 г/п
7 8 9 10 11 12 13
Тип двигателя 2МП14200 50У4 2МП14200 125У4 2МП14200 200У3 2МП11200 300У3
Номинальная мощность, кВт 2х6300 2х6300 2х7100 2х7100 2х7100 2х7100 2х7100
А 8188 9484 11398 11344 10412 9930 9406
0,51 0,58 0,71 0,73 0,7 0,72 0,78
Га, А 8188 9484 11398 11344 10412 9930 9406
мвар 6,24 7,22 8,68 8,64 7,93 7,56 7,16
£>■, МВАр 5,79 6,7 8,06 8,02 7,36 7,02 6,65
748,8 866,4 1041,6 1036,8 951,6 907,2 859,2
Рдг, кВт 694,8 804 967,2 962,4 883,2 842,4 798
Рд1, кВт 54 62,4 74,4 74,4 68,4 64,8 61,2
АРдг,% 7,2 7,4 7,14 7,2 7,2 7,14 7,12
Для вновь проектируемых ЭП улучшение энергетических показателей при применении рассмотренной системы двухзонного регулирования обеспечивается за счет рационального выбора вторичного напряжения преобразовательного трансформатора. По сравнению с напряжением, принимаемым в известных электроприводах подобного класса, его рекомендуется снизить на 10.12 %. Это позволяет уменьшить потребление реактивной мощности на 7.10 %, т.е. практически без капитальных затрат добиться значительного снижения потерь электрической энергии. Для главных электроприводов эксплуатируемых станов практически тот же эффект может быть обеспечен за счет переключения отпаек вторичных обмоток трансформаторов.
В результате выполнения исследований, представленных в докладе, разработаны научно обоснованные принципы построения автоматизированных электроприводов, алгоритмы и системы управления широкополосных станов горячей прокатки. Суммарный экономический эффект от внедрения представленных разработок на станах 2000 и 2500 ОАО «ММК» составляет 21,3 млн руб./год, ожидаемый расчетный экономический эффект - более 33 млн руб./год.
Внедрение результатов в листопрокатное производство расширяет возможности действующих и вновь создаваемых листопрокатных агрегатов, способствует повышению экономической эффективности производства, его ресурсо- и энергосбережению, повышению конкурентоспособности продукции.
Список литературы
1. Hamada K. Finishing mill tension control system in the Mizushima hot strip mill // Kawasaki steel technical report. 1985. №11. Р. 35-43.
A. Karandaev, V. Xramshin, I. Andryushin, V. Golovin, P. SHilyaev, S. Petryakov, A. Lukin
New technical solutions in electric drives and regulating systems of technological parameters of broad-strip mills of a hot rolling
The complex of the scientific and technical solutions developed and introduced in open joint-stock company "ММК" on perfection of automatic electric drives and regulating systems of technological parameters of broad-strip mills of a hot rolling is observed. Designs are directed on raise of accuracy of regulating of a thickness and strip tensioning, and also on decrease of losses of electric energy without application of compensating arrangements.
Keywords: accuracy of regulating of a thickness, direct digital regulation, losses of electric energy .
Получено 06.07.10
