CC BY
19
/;ггттг^г: готшггптп / ц
- 4 (40). 2006 / 1 1
ЕТАЛЛУРГИЯ
77;e reduction of time under the current, electric energy rate, electrodes rate at working of arc steel-furnace with new transformer of capacity 95 MBA and with regulating system S1MELT-AC-NEC are noted.
Д. Н. АНДРИАНОВ, В. Н. ПРОХОРЕНКО. А. С. ЗАЗЯН, РУП«БМЗ»
УДК 669.18(07)
ВЛИЯНИЕ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ДСП НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПЛАВКИ
Металлургия — одна из немногих отраслей промышленности, которая при резком снижении востребованности ее продукции в стране сумела быстро переориентироваться на мировые рынки. Продукция предприятий черной металлургии оказалась не только востребованной, но и конкурентоспособной. Для сохранения и упрочнения завоеванных позиций необходимо постоянное совершенствование и развитие отрасли с учетом мировых научно-технических достижений.
В настоящее время электрометаплургические предприятия в России и странах СНГ осуществляют крупномасштабную реконструкцию, ориентируясь на современные отечественные и зарубежные технологии производства.
Особая роль в металлургическом производстве отводится силовому электротехническому оборудованию: специальным электропечным трансформаторам, коммутационному оборудованию, измерительным устройствам, силовым фильтрам гармоник и т.д. От технических характеристик и надежности работы этого оборудования зависят себестоимость металла и экономические показатели металлургического производства.
Трансформатор является основным элементом высокомощной электропечной установки, от его параметров и надежности конструкции зависит эффективность работы электропечи. Помимо общих требований, предъявляемых к трансформаторам, электропечные трансформаторы должны обеспечивать [1] токи большой величины на вторичной стороне; сочетание очень малого напряжения на вторичной стороне со сверхвысоким напряжени ем на первичной стороне; регулирование на пряжения под нагрузкой в широком диапазо
не; надежную работу при резких изменениях нагрузки (от минимума при обрыве дуги до максимума при коротком замыкании электродов); малое значение напряжения короткого замыкания; возможность при необходимости раздельного регулирования значений трех фазовых напряжений.
В настоящее время выпускают два типа электропечных трансформаторов: стержневые и броневые (рис. 1). У стержневого трансформатора катушки высшего и низшего напряжений выполне-
Рис. 1. Типы электропечных трансформаторов: А — стержневой трансформатор; Б — броневой трансформатор; / — сердечник; 2 — обмотка высокого напряжения; 3 — обмотка низкого напряжения
10 /ягггт^ гс гг^пглтгкп
I Мт I 4 (40), 2006 -
ны в виде трубок, которые помещаются одна в другой. В отличие от распределяющих трансформаторов у печных трансформаторов вследствие высоких токов катушка низшего напряжения располагается снаружи.
У броневого трансформатора катушки имеют пластинчатую (с выемкой по центру) форму; катушки высшего и низшего напряжения расположены .внахлестку по высоте сердечника. Достоинством стержневых трансформаторов служит удобство ремонта. Броневые трансформаторы обеспечивают более низкое реактивное сопротивление и возможность установки асимметричных напряжений по фазам.
Для питания дуговых печей используют трансформаторы с прямым и косвенным регулированием. У трансформатора с прямым регулированием в результате добавления витков при неизменном входном напряжении магнитный поток в железном сердечнике уменьшается, в связи с чем понижается напряжение вторичной обмотки. Диапазон регулирования вторичных напряжений может быть расширен еще более при схеме соединения обмотки высшего напряжения "звезда—треугольник" или по параллельно-последовательной схеме. Однако эти переключения должны осуществляться в обесточенном состоянии. При очень высоких, первичных напряжениях широкий диапазон вторичных напряжений трансформатора с прямым регулированием получить невозможно.
Для таких случаев печной трансформатор выполняют по схеме с непрямым регулированием. Этот трансформатор объединяет два трансформатора в одном корпусе: основной и автотрансформатор. Автотрансформатор выполняют с переменным уровнем напряжения. Уровень напряжения выбирают таким образом, чтобы при заданном диапазоне регулирования напряжений можно было подобрать оптим&чьную конструкцию переключателя ответвлений по току и напряжению. Основной трансформатор имеет строго установленный коэффициент трансформации и дает основное вторичное напряжение. Вторичная обмотка автотрансформатора соединяется последовательно со вторичной обмоткой второго (основного) трансформатора. Изменяющееся вторичное напряжение автотрансформатора добавляется к постоянному вторичному напряжению основного трансформатора или вычитается из него.
Более экономично подключать к основному трансформатору автотрансформатор с прямым регулированием вследствие меньших его размеров и массы, а также более низкой стоимости. Однако в некоторых случаях необходимо использовать автотрансформатор с косвенным регулированием, например при использовании стержневого трансформатора, если требуется одинаковый интервал напряжений между ступенями, или асимметричное регулирование напряжений по фазам. Трансфор-
матор с косвенным регулированием также требуется, если подключение производится к сети с очень высоким напряжением, когда возникает проблема с изоляцией свободной части обмотки высокого напряжения или не имеется подходящего печного выключателя. При использовании трансформатора с непрямым регулированием печной выключатель может быть выполнен на среднее напряжение в случае, если его поместить в промежуточном контуре трансформатора.
Одним из требований к трансформаторам современных сверхмощных дуговых сталеплавильных печей является возможность обеспечения постоянной мощности на ряде верхних ступеней напряжения. Такое конструктивное решение, хотя и вынуждает иметь несколько завышенную мощность трансформатора, позволяет оптимизировать электрический режим плавки при работе печей в различных технологических условиях и улучшить производственные показатели. Наличие в печном трансформаторе высших ступеней постоянной мощности в достаточно широком диапазоне вторичного напряжения позволяет (в результате работы в период плавления на меньших, чем обычно, токах) уменьшить электрические потери и снизить расход электродов.
В последние годы ряд зарубежных фирм перешли к изготовлению трансформаторов с выводами, соответствующими использованию на печи схемы короткой сети "триангулированная звезда" на электродах, что позволяет избежать установки шинного моста со сложной системой перешихтовки начал и концов всех трех обмоток трансформатора, необходимой для перехода от схемы "треугольник на выводах трансформатора" к схеме "триангулированная звезда". При переходе на новую систему расположение выводов трансформатора осуществляется также по вершинам треугольника в соответствии с расположением кабельных гирлянд и подвижных токоподводов. В этом случае при некотором усложнении конструкции трансформатора существенно уменьшается длина вторичного токоподвода.
Одним из путей улучшения технико-экономических показателей работы ДСП является увеличение номинальной мощности печного трансформатора. Помимо роста производительности и сокращения токового времени плавки, повышение энергонасыщенности печи путем увеличения вводимой активной мощности позволяет снизить удельный расход электроэнергии.
Полезная мощность (мощность дуг), вводимая в ДСП, рассчитывается по формуле [2]:
РЛ=БКЛ\1ЭХ, (1)
где S — номинальная мощность печного трансформатора, МВА; Ки - средний коэффициент использования мощности в энергетический пери-
од плавки; |1э=Рд//>а — электрический КПД установки, учитывающий потери мощности во вторичном тоководе; X = Pa/S — коэффициент мощности (cos ф), характеризующий отношение активной мощности цепи низкого напряжения к номинальной мощности трансформатора.
Теоретически ввод 1 МВт дополнительной активной мощности приводит к снижению энергопотребления на 2,2 кВт-ч/т [3].
Время энергетического периода плавки определяется [4] из частного баланса энергии по формуле
(2)
где ^пол-^у.т^ ~~ полезная энергия, МВт-ч; Щу.т — теоретическое удельное значение полезной энергии, МВт-ч/т; — масса металло-
шихты, т; Р2тп = &-0,14mo'67 _ мощность тепловых потерь ДСП за энергетический период [4], МВт; к2 — коэффициент, учитывающий возможное изменение мощности тепловых потерь, для
Мощность дуг, рассчитанная по формуле (1), составляет
Рд = БКИ11ЭХ = 75 1 0,97 0,84 «61,11 МВт,
Р; = SXii^A = 95 • 0,9 • 0,97 • 0,82 « 68,01 МВт.
Откуда сокращение времени плавки составляет
Атэ = и/пол/(рд - Р2т.п)-wnon/(p; - />2т.п) =
= 31,2/(61,11-15,3)-31,2/(68,01-15,3) = = 0,098 чили 5,9 мин.
В настоящее время дуговые сталеплавильные печи на РУП «БМЗ» реконструируются.
В ходе проведения реконструкции ДСП-2 ЭСПЦ-1 произведены монтаж и подключение нового печного трансформатора номинальной мощностью 95+10 МВА и установлена система управления электродами производства фирмы "SIEMENS" с оптимизацией процесса на базе нейронной сети; к печному трансформатору ДСП-2 подключен дроссель (реактор) дополнительной индуктивности.
Система регулирования SIMELT-AC-NEC выполнена на программируемом контроллере SIMATIK S7-400 и промышленном компьютере
fi ГГГГгГ; Г Г^Ш ггТГГГГ? / 1Q
- 4 (40), 2006/ 10
ДСП-100 fc2=5; mQ — номинальная вместимость печи, т.
Согласно [4], W2y.T=0,26 МВт-ч/т; для 100-тонной ДСП m =120 т, т, = 100 т. Находим
^ ш '0
величину полезной энергии для такой печи: ^пол=^2у.т^ш =0,26-120 = 31,2 МВт• ч. Рассчитаем мощность тепловых потерь:
^2т.п = * 0,14w?q'67 =5 0,14-1 ОО0'67 =15,3 МВт. Используя формулы (1) и (2), можно расписать сокращение времени плавки при замене трансформатора 75 МВА на трансформатор 95 МВА при его использовании на ДМП-100:
где Рд иРд — мощность дуг соответственно до и
после замены трансформатора, МВт.
Для ДСП, работающих в условиях РУП «БМЗ», путем снятия характеристик печного трансформатора и построения круговых диаграмм получены значения коэффициентов использования мощности, коэффициента мощности и коэффициента электропотерь, приведенные в табл. 1.
Pentium. Самообучающаяся система регулирования SIMELT-AC-NEC эффективно управляет процессом благодаря использованию гибридной модели, являющейся комбинацией математической модели электропечного контура и нейронной сета. Использование данной системы позволяет автоматически поддерживать максимально допустимый уровень акшвной мощности на всем протяжении плавки при рациональном распределении излучения дуг внутри печи.
Система регулирования SIMELT АС & NEC состоит из трех устройств-систем и имеет ряд функций, определяющих оптимальную работу регулятора с трансформатором, печью, электродом и обеспечивает точность регулирования рабочей точки дуги при плавлении металлошихты, и со-стит из следующих элементов.
1. Устройство PLC (программно-локальный компьютер) контроллера S7-400 состоит из корзины "Симатика", в которой размещены ячейки процессора аналоговых и цифровых входов и выходов. В памяти ячейки процессора находится программа регулирования электродами. PLC контроллер осуществляет регулирование движения электродов.
2. Устройство "NEC-компьютер" с установленной в нем программой осуществляет оптими-
Таблица 1. Характеристики печных трансформаторов
Трансформатор мощностью 75 МВА Трансформатор мощностью 95 МВА
А"и= 1 К = 0,9
Щ =0,97 Дэ =0,97
X = 0,84 X = 0,82
14
1Г* ГГТТгГН ГС Г£<Т1?Шгггта
I 4 (40), 2006 -
зацию ввода мощности путем корректировки задаваемого PLC контроллером управляющего напряжения на сервоклапан.
3. Устройство "компьютер WinCC" с сервером осуществляет отображение настроек и протекающих процессов в PLC контроллере S7-400 и компьютере NEC. В нем также хранятся архивы прошедших событий.
Начальное проплавление корзины с токами, по величине отличающихся от рабочих, обеспечивает возможность эффективно разбивать металличес-
кую шихту и снижает вероятность поломок электродов в начале плавления металлошихты.
В системе оптимизации NEC для снижения теплового воздействия на стеновую футеровку используется возможность перераспределения излучения фаз, а при достижении температурой стеновых панелей определенного значения (+70 °С), происходит автоматическое снижение рабочей ступени трансформатора для предупреждения перегревания панелей. Технические характеристики установленного оборудования приведены в табл. 2.
Таблица 2. Сериесный реактор
Наименование параметра Значение
Количество фаз 3
Проходная мощность, МВА 95
Максимальная реактивная мощность, МВАр 21,5
Номинальное напряжение, В 33 ООО
Номинальная сила тока, А 1662
Реактивность, Ом 0-0,65-1,274-1,664-2,106-2,6
Частота, Гц 50
Трансформатор мощностью 95МВА
Номинальная мощность, МВА 95
Напряжение первичной обмотки, В 33 ООО
Напряжение вторичной обмотки, В 420-960
Сила тока первичной обмотки, А 923-1662
Максимальная сила тока вторичной обмотки, А 72500
Частота, Гц 50
Основные технико-экономические показатели с новой системой регулирования электродов пока-работы ДСП-2 до и после реконструкции с исполь- зали снижение удельного расхода электроэнергии, зованием трансформатора мощностью 75 и 95 МВА электродов, времени под током (табл. 3) [5].
Таблица 3. Технико-экономические показатели работы ДСП-2 до и после реконструкции
Наименование параметра Трансформатор мощностью 75 МВА, Simelt. Сериесный реактор, трансформатор мощностью 95 МВА, Simelt-AC-NEC Улучшение показателя, %
Время под током, мин 46,9 44,70 4,69
Удельный расход электроэнергии, кВт/ч 496,92 474,68 4,48
Удельный расход электродов, кг/т 2,246 2,148 4,36
Круговые диаграммы режима работы трансформатора и устойчивость электрической дуги показывают, что произошел рост «кучности» рабочих точек, их более плотное группирование подтверждает способность новой системы на более высоком уровне поддерживать стабильность тока (рис. 2) [5]. Устойчивые режимы работы снизили тепловое воздействие на стеновую футеровку и температуру водоохлаждаемых панелей.
При увеличении мощности трансформатора (мощность 95 МВА) недостатком является малый диаметр рабочего пространства печи (пространства выше уровня откосов ванны, ограниченного внутренней поверхностью футеровки стены и свода), так как дуговая сталеплавильная печь построена и рассчитана для трансформатора мощностью
75МВА. Дело в том, что основой тепловой работы ДП при заданном энергетическом режиме плавки служит рациональное распределение в рабочем пространстве тепловых потоков излучения от электрических дуг в соответствии с тепловоспринимающей способностью ванны, стены и свода.
Работоспособность огнеупорной футеровки, зависящая от механизма разрушения материала (оплавление или растрескивание) или перегрева водоохлаждаемых элементов, определяется величиной тепловой нагрузки, температурными условиями, физико-химическим взаимодействием с печной атмосферой и т.п. Тепловая нагрузка футеровки стены является следствием теплообменных процессов в свободном пространстве печи и в
f,ГПТгГсГГ fu^ffifSrTWSi 11R
- 4 (40), 2006 / I ll
а т т т т т т
МВА
Рис. 2. Круговая диаграмма режима работы трансформатора и устойчивость электрической дуги
первую очередь может быть оценена плотностью теплового потока падающего от дуги как «точечного» источника излучения на данную площадку футеровки стены в соответствии с законами направления и расстояния [6]. Это приводит к работе трансформатора не в полную мощность, простоям за счет перегрева водоохлаждаемых элементов печи в первую очередь против электродов, потерям тепловой энергии за счет перегрева охлаждающей жидкости, повышенному расходу огнеупорных изделий и низкой стойкости водоохлаждаемых элементов печи.
Выводы
В результате анализа работы дуговой сталеплавильной печи с новым трансформатором мощностью 95 МВА и системой регулирования 81МЕЬТ-АС-ЫЕС отмечено снижение времени под током, удельного расхода электроэнергии, удельного расхода электродов, однако до настоящего момента не полно используются возможности трансформатора мощностью 95 МВА. Для
увеличения производительности и полного использования возможностей трансформатора мощностью 95 МВА необходимо дополнительно изменить конструкцию каркаса и свода ДСП для снижения облучаемости водоохлаждаемых элементов электрическими дугами.
Литература
1. Pfeiffer G. Elektrische Auslegung und Auszurustung vonLichtbogehofen// Radex-Rundschau. 1984. N.2. S. 359-377.
2. Смоляренко В.Д., Девитайкин А.Г., Попов А.Н., Бесчаснова М.А. Энерготехнологические особенности процесса электроплавки стали и инновационный характер его развития // Электрометаллургия. 2003. № 12. С. 12-19.
3. Энергосбережение при электроплавке. Материалы Российско-Германского семинара, 21—30.04.1996 г. Национальный комитет по электротехнологии, семинар по электроплавке и электропечам. АО «ВНИИЭТО».
4. Егоров А.В. Расчет мощности и параметров электроплавильных печей: Учеб. пособ. для вузов. М.: МИСИС, 2000.
5. Пат. BY 2182 U.
6. Егоров A.B. Электроплавильные печи черной металлургии: Учеб. для вузов. М.: Металлургия, 1985.
