CC BY
112
Производственно-экономические показатели для динамической оптимизации...
Парсункин Б.Н., Полухина Е.И., Петрова О.В.
ЭНЕРГЕТИКА МЕТАЛЛУРГИИ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
УДК 681.5.015.24:681.513.4
ПРОИЗВОДСТВЕННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОДУГОВЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ АГРЕГАТАМИ
Парсункин Б.Н., Полухина Е.И., Петрова О.В.
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия
Аннотация. Рассмотрена актуальная проблема выбора приоритетного производственно-экономического показателя эффективности производственного процесса непосредственно по ходу выплавки стали и внепечной доводки стали в электродуговых технологических агрегатах (ЭТА) при динамической оптимизации энергосберегающим управлением потребления электрической энергии.
Ключевые слова: энергосбережение, удельное количество электроэнергии, производительность, себестоимость, энергетический режим, оптимизация управления, ток дуги, подводимое напряжение, элекгродуговой технологический агрегат, потребляемая мощность, мощность, выделяемая в дуге.
Введение
Количество выплавленной и прошедшей ковшевую доводку стали в электродуговых технологических агрегатах (ЭТА) устойчиво увеличивается [1].
Поэтому проблема снижения себестоимости технологических процессов в ЭТА за счет уменьшения удельных затрат потребляемой, постоянно дорожающей, электрической энергии, является перспективной и актуальной.
В основу современной концепции повышения производительности и снижения себестоимости технологических процессов в ЭТА заложена идея комплексного использования всех факторов, влияющих на эффективность итоговых удельных показателей производства и ковшевой доводки тонны стали.
К таким основным факторам относятся:
- использование тепла отходящих плавильных газов для подогрева металошихты и сыпучих материалов перед подачей в электродуговой технологический агрегат;
- частичная замена дорогостоящей электро© Парсункин Б.Н., Полухина Е.И., Петрова О.В., 2015
энергии более дешевым природным газом, подаваемым через комбинированные горелки - продувочные фурмы в рабочее пространство;
- использование при шихтовке плавки до 40% жидкого чугуна;
- вдувание порошкообразных углеродосодержащих материалов при вспенивании шлака для экранирования излучения электрических дуг;
- использование энергосберегающих оптимальных режимов управления подводимой к ЭТА электрической мощностью.
Технологическое обоснование показателей эффективности
Современные высокопроизводительные электросталеплавильные комплексы в составе сверхмощных электродуговых печей, электродуговых агрегатов внепечной доводки стали, установок вакуумирования стали и машин непрерывной разливки стали объединяет необходимость четкой синхронизации технологических операций для достижения максимальной производительности и минимальной себестоимости выплавляемой стали.
Причем достижение наилучших итоговых показателей сталеплавильного производства
www.vestnik.magtu.ru
105
ЭНЕРГЕТИКА МЕТАЛЛУРГИИ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
должно обеспечиваться не только при определении конечных итоговых показателей после завершения производственного процесса, но и в динамике, т.е в процессе управления каждой технологической операцией.
Основной целью данной работы является определение основных производственно-экономических показателей, необходимых для реализации динамической оптимизации энергосберегающего управления использованием потребляемой ЭТА дорогостоящей электрической энергии.
В электрической дуге, как основном источнике тепловой энергии в ЭТА, распределение
подводимое к электроду фазы, B; x = xr + xp -суммарное индуктивное сопротивление подводящей цепи: хг - сопротивление трансформатора, Ом; хп - сопротивление реактора, Ом; r - активное сопротивление короткой цепи, Ом.
Потребляемая ЭТА активная (полезная) мощность каждой из трех фаз РА , Вт, содержит выделяемую в электрической дуге мощность Рд , Вт, и потерю электрической мощности в подводящей (короткой) цепи Рпэ, Вт.
падения напряжения Uд можно определить в соответствии с выражением
Uд = а + в • Ьд, (1)
где • Ьд - длина дуги; а - сумма прикатодного и
прианодного падений напряжений, B; в - градиент потенциала в столбе дуги, B/мм.
В отечественной и зарубежной электрометаллургии наиболее часто, благодаря простоте подвода электрической энергии, используются ЭТА переменного тока.
В этом случае три фазные электрические дуги горят между графитизиро-ванными электродами и металлом, являющимся общей точкой соединения типа «Звезда».
Изменение подводимой к ЭТА электрической мощности можно осуществить двумя способами:
- изменением величины подводимого напряжения с использованием переключателя ступеней напряжения печного трансформатора;
- при постоянной величине напряжения изменением значения тока дуги, зависящим от
РА - РД + РПЭ.
Здесь Pn -12 • R,
РПЭ - 1
■ Г;
(3)
Rд ак-
-д-1 Д
тивное сопротивление электрической дуги, определяемое длиной дуги и зависящее от тока дуги. Расчетные зависимости длины дуги Ьд от
величины рабочего тока дуги при различных величинах напряжения питания печного трансформатора для дуговой сталеплавильной печи (ДСП-180) ОАО «ММК» при а = 10 В и в = 1,5 В / мм представлены на рис. 1.
длины дуги • Ьд или положения электрода относительно поверхности металла, в соответствии с выражением
Рис. 1. Зависимости длины дуги от тока дуги для различных ступеней напряжения печного трансформатора ДСП-180
при а = 10В и в = 1,5 В / мм
Ьд = 1/ e^jU2 -(Ix)2 -1 ■ r - a,
(2)
где I - сила тока дуги фазы, A; Uп - напряжение,
Представленные на рис. 1 зависимости имеют нелинейный вид. Это означает, что коэффициент передачи ДСП по току Кт = А1Д / АЬд является величиной нелинейной и переменной в зависимости от величины А1д. Следователь-
106
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №4
Производственно-экономические показатели для динамической оптимизации...
Парсункин Б.Н., Полухина Е.И., Петрова О.В.
но, для динамического энергосберегающего оптимального управления электрическим режимом ЭТА необходимо использовать адаптивные оптимизирующие алгоритмы управления (ОАУ).
Контролируемая величина активной мощности, потребляемая каждой фазой ЭТА, определяется выражением
Pa = pj(ип /А)2 -(lx)2, (4)
где Uп, l - контролируемые напряжения на выходе печного трансформатора и ток каждой фазы.
В общем случае электрический режим в ЭТА на каждой стадии обработки металла определяется на основании анализа баланса поступления и расхода энергии при конкретном технологическом процессе выплавки стали в ДСП-180 ОАО «ММК» и последующей доводки на агрегатах «печь-ковш» (АПК).
Основными параметрами, определяющими производственные и экономические показатели работы ЭТА, являются:
- продолжительность периода расплавления шихты в ДСП, ч;
- производительность ЭТА - G, т/ч;
- удельный расход электроэнергии - V, кВтч/т;
- себестоимость готового продукта или технологического процесса ЭТА - Ц, руб./т.
Текущие значения названых приоритетных показателей эффективности функционирования ЭТА на каждой текущей стадии технологического процесса зависят от величин текущих значений электрических параметров потребляемой электроэнергии: РА (г), РД (г), l(г), Uп (г).
Значит, поддержание оптимального текущего энергосберегающего режима технологического процесса необходимо осуществлять с учетом анализа реальных производственных условий и экономической целесообразности.
Под текущим электрическим режимом понимается величина рабочего тока дуги фазы (длины дуги) при установленной ступени напряжения. При этом рассматривается самый затратный режим работы ДСП при 100% металлической шихты.
Электрический режим при внепечной доводки стали на АПК эквивалентен режиму работы ДСП в технологические (жидкие) периоды электроплавки.
В основу используемого метода определения эффективности энергосбережения положено уравнение баланса энергии [2] для любой динамической технологической текущей операции:
+ W'элд + WXHM =
= ®с ■ Gc +&л ■ gp + (5)
+&Ш ■ Grn + WAXX +
+ (Рпэ + Рпт )'ХР + Рпт 'ХПР,
где Жэл =(РД + Рпэ )-тР = РА - ТР - количество электроэнергии, полученное из электрической сети, МВтч; Рд, Рпэ, РА - мощность,
выделяемая в дуге, мощность электрических потерь, активная мощность соответственно, МВт; ^элд - количество энергии, полученное
от сгорания электродов, МВт ч; WXXM - количество энергии, выделившееся от экзотермических реакций, МВт ч; <х>с, (дл, со ш - соответственно энергии, затраченные на нагрев и расплавления одной тонны стального лома, легирующих и раскисляющих добавок, шлакообразующих добавок от исходной до конечной температуры МВт ч; GC, Ол, Ош - соответственно массы стального лома, легирующих и шлакообразующих материалов, т; WAKK -энергия, затраченная за время тр на аккумуляцию тепловой энергии огнеупорной кладкой, МВт ч; Рпт - среднее значение потерь энергии за время тр, МВт ч; тр - текущее время
работы ЭТА под током, мин; ^пр - время простоя ЭТА за технологический цикл выплавки или обработки конкретной плавки, мин.
В условиях высокопроизводительного производства сталеплавильные электродуговые агрегаты, как правило, используются для получения расплава металла, нагретого до заданной температуры. Доводка стали по химсоставу и конечной температуре осуществляется в электродуговых агрегатах внепечной (ковшевой) доводки.
С учетом (5) время работы ЭТА под током можно определить в соответствии с выражением
www.vestnik.magtu.ru
107
ЭНЕРГЕТИКА МЕТАЛЛУРГИИ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
Тр =
юс 'Gc +юл ' Gn + юш • Grn + wakk WXMM Wэлд + pпт ' хпр
Рд ~ Рпт
(6)
Если ферросплавы (легирующие) в завалку не даются, то в энергетический период расплавления составляющая ал • Ол равна нулю.
Из выражения (6) следует, что ни одно из слагаемых числителя явно не зависит от параметров электрического режима и времени работы под током.
Обозначим через АЖПЕЧИ ту часть тепловой энергии, которая выделяется дугами фаз за время тр и которая остается в ЭТА:
^WПЕЧИ -&С ■ GC +&Л ■ GH +&Ш Х (7)
хОш + WAKK ~ WXHM ~ WЭЛД + Рпт 'ХПР.
С учетом (7) можно приближенно считать справедливым выражение
Тр =
ЬМпЕЧИ Рд ~ Ртп
(8)
Из уравнения (8) следует, что минимальное время работы печи под током, т.е. максимальная производительность ЭТА, достигается при максимальной мощности, выделяемой в дуге.
Показатели эффективности энергосберегающего управления электродуговыми технологическими агрегатами
Расчетные зависимости мощности выделяемой в фазе дуги от тока (длины дуги) при различных значениях напряжения печного трансформатора для ДСП-180 ОАО «ММК» представлены на рис. 2.
Анализ полученных расчетных зависимостей показывает, что максимумы мощности, выделяемые в электрической дуге в зависимости от величины тока дуги, определяемой длиной дуги или положением электрода, при изменении подводимого напряжения смещаются в направлении увеличения силы тока. В соответствии с (6)-(8) зависимость времени работы
ЭТА под током тр = (р [7] тоже имеет экстремальный вид, где минимальные значения тр min, соответствующие максимальной производительности ЭТА, будут снижаться с увеличением подводимого напряжения.
Для сверхмощных ДСП, работающих по современной технологии, характерно использование в шихте жидкого чугуна, применение при-
родного газа и кислорода для продувки ванны при использовании водоохлаждаемых панелей рабочего пространства с вдуванием углеродосодержащих материалов.
Поэтому выражение для определения часовой производительности ДСП имеет вид [3, 4]
G /\ _ Зрд + РгАЗ + Рэкз Рпт 'т' 340
(9)
где 0(т) - часовая производительность ДСП; Ррлз - количество энергии, полученное от сжигания природного газа, Вт; Рэкз - энергия, полученная от физического тепла жидкого чугуна и экзотермических реакций окисления элементов, включая и угар металла при продувке кислородом, МВт; Рпт - мощность тепловых потерь, МВт; 340 - расчетное количество энергии, необходимое для расплавления и нагрева 1 т лома, кВт/ч.
В соответствии с методикой расчета материального и теплового баланса и рекомендованной профессором Бигеевым В. А. для условий работы ДСП-180 ОАО «ММК» [6] были рассчитаны
зависимости G (т)= f [ I (!)], представленные на рис. 3.
Анализ представленных зависимостей показывает, что для каждой ступени напряжения существует такое значение рабочего тока дуги (длины дуги), при котором текущая часовая производительность ДСП достигает максимального значения или минимальной продолжительности работы ЭТА под током.
При всех условиях максимальные значения G(r)max и минимальные величины IP (r)mm для выбранной ступени напряжения достигаются при максимальном текущем значении мощности, выделяемой в дуге Рд (r)max . Это означает, что
Рд (г) при выбранной ступени напряжения может быть использовано в качестве оптимизируемого параметра для достижения наилучших производственных показателей работы ЭТА.
В условиях рыночной экономики приоритетное значение для оценки эффективности технологических процессов в ЭТА начинают иметь экономические показатели: удельные затраты дорогостоящей электрической энергии и себестоимость производства единицы продукции (обычно 1 т стали). Причем, как прави-
108
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №4
Производственно-экономические показатели для динамической оптимизации...
Парсункин Б.Н., Полухина Е.И., Петрова О.В.
ло, удельные затраты электроэнергии определяют величину себестоимости стали, выплавленной в ДСП.
Так, для ДСП при использовании дополнительных альтернативных источников тепловой энергии приближенное определение текущего удельного количества электрической энергии рекомендуется осуществлять в соответствии с выражением [7, 8]
V №)]
ЗДДДт)] • K пл К • G[I(x)]
(10)
где Кпл - относительная директивно заданная продолжительность электродугового процесса, ч; .ДДДг)]- установившееся текущее значение контролируемой активной мощности, МВт; G[I(t)] - расчетное (см. рис. 3) значение часовой производительности ДСП, т/ч; К - коэффициент выхода годного, %.
Расчетные текущие приближенные значения величин удельных затрат электрической энергии в зависимости от тока дуги для различных величин напряжения представлены на рис. 4.
Рис. 2. Расчетные зависимости мощности, выделяемой в дуге фазы, от величины рабочего тока дуги для различных значений напряжения печного трансформатора для ДСП-180 ОАО «ММК» при Хр=4,11 МОм, Xf=3,5 МОм, r=0,5 МОм: 1 - 1045 В; 2 - 1155 В; 3 - 1291 В; 4 - 1345 В
Рис. 3. Расчетные зависимости часовой производительности ДСП-180 от величины рабочего тока дуги при различных значениях напряжения печного трансформатора: 1 - при 1045 В ; 2 - при 1155 В; 3 - при 1291 В; 4 - при 1345 В
www.vestnik.magtu.ru
109
ЭНЕРГЕТИКА МЕТАЛЛУРГИИ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
Рис. 4. Расчетные зависимости удельного количества электрической энергии от величины рабочего тока дуги при различных напряжениях печного трансформатора ДСП-180 ОАО «ММК»: 1 - при 1045 В; 2 - при 1155 В; 3 - при 1291 В; 4 - при 1345 В
Минимальная величина V(г) зависит по ходу плавки от ступени напряжения в обратной пропорции и достигается при величинах тока дуги в диапазоне от 50 до 65 кА.
Для оценки точности расчета V(г) используем показатели, полученные при проведении плавки 577406 на ДСП - 2 (27.12.2007) по профилю № 3 при использовании 170 т металлошихты, 50 т жидкого чугуна и при выходе годного 188,8 т. Это обеспечивает суточное производство 4500 т. По экспериментальным данным при суточном производстве 9000 т двух ДСП-180 ЭСПЦ ОАО «ММК» среднее значение удельного количества электроэнергии составило 300 кВт ч/т. При работе ДСП (см. рис. 4) на напряжении 1291 В при токе 60 кА величина удельных затрат составляет 310 кВт ч/т. Это вполне достаточный для практической точности результат.
Расчетные зависимости себестоимости выплавки стали в ДСП-180 от текущего значения тока дуги по методике [2] изложены в работе [4] и доказывают существование экстремального вида зависимостей для различных значений напряжений печного трансформатора. Однако использование себестоимости для динамической оптимизации управления технологическим процессом в ЭТА проблематично вследствие практически невозможного определения текущих действительных значений параметров процесса, используемых при расчёте себестоимости [4].
Заключение
Анализ полученных результатов позволяет обоснованно подтвердить возможность использования зависимостей экономических показателей эффективности работы ЭТА от электрических параметров РА, Рд, I, Uп при реализации
энергосберегающего динамического оптимального управления технологическим процессом.
Наиболее целесообразно в качестве оптимизируемого параметра при динамической оптимизации управления энергосберегающим режимом в ЭТА использовать контролируемое текущее значение активной мощности, подводимой к технологическому агрегату, или расчетное текущее значение электрической мощности Рд, выделяемой в дуге.
В качестве управляющего воздействия наиболее приемлемо использовать напряжение дуги или полное сопротивление подводящей цепи, зависящее от положения электродов каждой автономно управляемой фазы от уровня металла или тока дуги.
Список литературы
1. Бигеев А.М., Бигеев В.А. Металлургия стали: учебник для вузов. Магнитогорск: МГТУ, 2000. 544 с.
2. Ефроймович Ю.Е. Электрические режимы дуговых сталеплавильных печей. М.: Металлургиздат, 1956. 93 с.
110
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №4
Производственно-экономические показатели для динамической оптимизации...
Парсункин Б.Н., Полухина Е.И., Петрова О.В.
3. Свенчанский А.Д., Смоленский М.Я. Электрические промышленные печи. М.: Энергия, 1970. 264 с.
4. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Логунова О.С. Автоматизация и оптимизация управления выплавкой стали в электродуговых печах. Магнитогорск: Из-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. 304 с.
5. Автоматизация и оптимизация управления технологическими процессами внепечной доводки стали: монография / Е.Н. Ишметьев, С.М. Андреев, Б.Н. Парсункин и др. Магнитогорск: ГОУВПО «МГТУ», 2008. 311 с.
6. Особенности материального и теплового балансов ДСП-10 ОАО «ММК» / У.Б. Ахметов, Малофеев А.Е., А.В. Пантелеев и
др. // Теория и технология металлургического производства: межрегион. сб. науч. тр. Вып. 7. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. С. 84-89.
7. Рябов А.В., Чуманов И.В., Шишимов М.В. Современные способы выплавки стали в дуговых печах: учеб. пособие. М.: Теплотехник, 2007. 192 с.
8. Разработка концепции экстремальной нечеткой системы автоматической оптимизации управления энергетическим режимом выплавки стали в ДСП / Андреев С.М., Парсункин Б.Н., Усачев М.В. и др. // Вестник Магнитогорского технического университета им. Г.И. Носова. 2011. №3. С. 88-91.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
KEY PERFORMANCE INDICATORS FOR A DYNAMIC OPTIMISATION OF THE ENERGY-SAVING ELECTRIC-ARC UNITS CONTROL
Parsunkin Boris Nikolaevich - D.Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.
Polukhina Ekaterina Ilinichna - Economist-mathematician, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.
Petrova Olga Vasilievna - Assistant Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: ov_petrova67@mail.ru.
Abstract: The article considers current issues of choosing a priority production efficiency indicator in the direct course of steelmaking and ladle refining in electric arc process units at a dynamic optimisation of the energy-saving power consumption control.
Keywords: Energy saving, specific amount of power, performance, cost, power mode, control optimisation, arc current, applied voltage, electric-arc process unit, consumed power, arc-column power.
References
1. Bigeev A. M., Bigeev V. A. Metallurgiya stali: uchebnik dlya vuzov [Metallurgy of steel: textbook for high schools]. Magnitogorsk: MSTU, 2000. 544 p.
2. Efromovich Y.E. Ehlektricheskie rezhimy dugovykh staleplavil'nykh pechej [Electric modes of arc steelmelting furnaces]. Moscow: Metallurgist publishing, 1956. 93 p.
3. Svenchanskiy A. D., Smolenskiy M. Ya. Ehlektricheskie promyshlennye pechi [Industrial electric furnaces]. Moscow: Energy, 1970. 264 p.
4. Parsunkin B. N., Andreev S. M., Logunova O. S. Avtomatizatsiya i optimizatsiya upravleniya vyplavkoj stali v ehlektrodugovykh pechakh [Automation and optimization of steelmaking control in electric arc furnaces]. Magnitogorsk, 2012. 304 p.
5. Ishmetev E.N., Andreev S.M., Parsukin B.N. et al. Avtomatizatsiya i optimizatsiya upravleniya tekhnologicheskimi protsessami vnepechnoj dovodki stali: monografiya [Automation and optimization of steel ladle finishing control: monograph]. Magnitogorsk, 2008. 311 p.
6. Akhmetov U.B., Malofeev A.E., Panteleev A.V. and colleagues Heat-and-mass balance of Arc Furnace - 10 of the Magnitogorsk Iron and Steel Works Group (MMK OAO). Teoriya i tekhnologiya metallurgicheskogo proizvodstva: mezhregional'nyj sbornik nauchnykh trudov Vypusk 7 [Theory and production technology: interregional scientific collection of works, Edition 7]. Magnitogorsk, 2007, pp. 84-89.
7. Ryabov A.V., Chumanov I.V., Shishimov M.V. Sovremennye sposoby vyplavki stali v dugovykh pechakh: uchebnoe posobie [Modern steelmaking techniques for arc furnaces: a learning aid]. Moscow: Teplotekhnik, 2007. 192 p.
8. Andreev S.M., Parsunkin B.N., Usachiov M.V. and colleagues. Development of the extremal fuzzy system of the automatic power control optimisation of electric arc furnace steelmaking. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2011, no. 3, pp. 88-91.
Парсункин Б.Н., Полухина Е.И., Петрова О.В. Производственно-экономические показатели для динамической оптимизации энергосберегающего управления электродуговыми технологическими агрегатами // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №4. С. 105-111.
Parsunkin B.N., Polukhina E.I., Petrova O.V. Key performance indicators for a dynamic optimisation of the energysaving electric-arc units control. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2015, no. 4, pp. 105-111.
www.vestnik.magtu.ru
111
