Динамические режимы в электромеханических системах дуговых сталеплавильных печей и их воздействие на вводимую активную мощность

t

Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) являются основными электрометаллургическими комплексами для получения стали из вторичного сырья и предварительно восстановленной окиси железа (металлизованных окатышей). Развитие оборудования рассматриваемого направления вывело эти электротехнологические агрегаты в категорию самых мощных потребителей электроэнергии с непрерывно изменяющимися по времени активной и реактивной мощностями по фазам. Применение на существующих ДСП трансформаторов мощностью 100- 150МВА определяет необходимость рассматривать эти электропечи как сверхвысокомощные агрегаты при рабочих токах в фазах до 100 000 — 150 000 А. Вероятностное изменение токов в диапазоне от нуля до токов коротких замыканий в фазах приводит к возникновению переноса мощности по фазам и изменяющихся электродинамических сил, обусловленных электромагнитным взаимодействием токоподводов фаз печи. Эти силы вызывают упругие колебания электромеханической системы, включающей рукава электрододержателей, электроды и гибкую часть токоподводов. Рассматриваемые электромеханические колебания могут вызывать резонансные явления в замкнутой системе автоматического регулирования мощности, что не позволяет работать автоматическому регулятору в оптимальных режимах, снижает вводимую в ДСП активную мощность и ограничивает дальнейшее развитие ДСП.

Используемые методы создания и эксплуатации сверхмощных ДСП до настоящего времени базируются на традиционных подходах к анализу и выбору эксплуатационных режимов на основе статических электрических и рабочих характеристик дуговых печей. Увеличение вводимой мощности потребовало не только изменения конструктивных решений ДСП, но и показало, что сверхмощные ДСП необходимо рассматривать как электромеханическую не-fr симметричную трехфазную систему с непрерывно изменяющимися параметрами в реальном времени.

Существенная потребность в совершенствовании сверхмощных ДСП и необходимость оптимизации их эксплуатационных характеристик определило цели и задачи этой работы.

Таким образом, целью работы является исследование динамических режимов работы сверхвысокомощных ДСП при различных конструктивных исполнениях узловисследование причин и диапазонов изменения индуктивных сопротивлений фаз при наличии мощности искажения, переноса мощности по фазам и электромеханических колебаний в системе электрод — электрододер-жатель — кабельная гирляндаразработка методов стабилизации электрических режимов при условии максимального введения мощности в рабочее пространство электропечей.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Анализ современного состояния проблемы преобразования электрической энергии в тепловую в сверхвысокомощных ДСП на основе обобщенной схемы внутренних взаимосвязей в трехфазной несимметричной системе токо-подводов при наличии сопряженных электромеханических колебаний электродов, электрододержателей и кабельных гирлянд и переноса мощности по фазам.

2. Исследование влияния динамической индуктивности отдельных фаз в трехфазной сопряженной электромеханической системе электроды — электро-додержатели — кабельные гирлянды на электрические режимы и эксплуатационные характеристики ДСП.

3. Экспериментальные исследования изменений интегральных индуктивных сопротивлений ДСП в процессе плавки.

4. Разработка математической модели электромеханических колебаний кабельных гирлянд токоподвода как основного динамического участка электрической цепи ДСП.

5. Исследование переноса мощности по фазам в несимметричной трехфазной системе токоподвода ДСП при наличии электромеханических колебаний и генерировании высокочастотных и низкочастотных составляющих токов.

6. Комплексное исследование ДСП как электромеханической системы, имеющей изменяющиеся во времени индуктивные сопротивления несимметричных фаз токоподводов и электродовразработка методов расчетных оценок эксплуатационных характеристик при условиях снижения до минимума переноса мощности по фазам и изменений индуктивных сопротивлений как управляющего воздействия на электрические режимы работы ДСП.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках» (г. Тверь, 2001 г.), на международных симпозиумах «The Russian — Korean International Symposium on Science and Technology» (третий — г. Новосибирск, 1999 г.- пятый — г. Томск, 2001 г.- шестой — г. Новосибирск, 2002 г.), на международном коллоквиуме «Modeling for Electromagnetic Processing» (Hanover, 2003 г.), конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» (г. Новосибирск, 1995 г.), межвузовской научной конференции «Электротехника, электромеханика, электротехнологии» (г. Новосибирск, 2001 г.), научных конференциях аспирантов и молодых ученых (г. Новосибирск, 1998, 1999 гг.).

Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в 10 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация содержит 229 страниц текста, 57 рисунков, 29 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 98 наименований, приложения.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что перенос мощности по фазам имеет динамический характер и определяется также как и динамические сопротивления фаз — изменением в процессе работы установки взаимного геометрического расположения проводников короткой сети при вертикальном перемещении электродов, электромеханических колебаний в системе, несвоевременного или некачественного перепуска электродов.

2. Показано, что увеличение или уменьшение уровня динамических активных и индуктивных сопротивлений фаз короткой сети приводит к увеличению или уменьшению, соответственно, активной мощности дугового разряда в каждой фазе и, как следствие, к увеличению или уменьшению суммарной активной мощности, вводимой в рабочее пространство. При этом суммарная активная мощность, вводимая в рабочее пространство рассматриваемой электропечи, изменяется в сторону увеличения до 1500 кВт или в сторону уменьшения до 2500 кВт.

3. Установлено, что при изменении тока в одной из фаз в широком диапазоне (от токов близких к холостому ходу до токов близких к короткому замыканию) при протекании по фазам несимметричных токов происходит изменение принадлежности «диких» и «мертвых» дуговых разрядов фазам установки. Причем изменение принадлежности «диких» и «мертвых» дуговых разрядов фазам установки в районе малых токов приводит к тому, что «дикий» дуговой разряд будет принадлежать фазе непосредственно отстающей от фазы, которой принадлежал «дикий» дуговой разряд до момента коллизиив районе больших токов картина меняется на противоположную — «дикий» дуговой разряд будет принадлежать фазе непосредственно опережающей фазу, которой принадлежал «дикий» дуговой разряд до момента коллизии.

4. Анализ процессов переноса мощности, протекающих в проводниках вторичного токоподвода ДСП, наиболее правильно проводить с позиции источник питания (электропечного трансформатора), который обеспечивает не только мощность сосредоточенную в проводниках каждой фазы вторичного токоподвода и дуговых разрядах, но и мощность переносимую (за счет электромагнитной связи) на участке короткой сети из одной фазы в другую фазу.

5. Показано, что вектор ЭДС взаимной индукции, возникающий благодаря электромагнитной связи проводников короткой сети различных фаз, не компенсирует падения напряжений на собственных активных и индуктивных сопротивлениях, а одновременно сосуществует с ними в цепи.

6. Автоматические регуляторы импедансного типа приводят к снижению асимметрии мощности по фазам трансформатора (до уровней менее 5%), однако не устраняют явления «диких» и «мертвых» дуговых разрядов со всеми их негативными последствиями.

7. Установлено, что рассматриваемые процессы переноса мощности выступают в качестве одной из причин, определяющих развитие колебательных процессов, которые наблюдаются на промышленных электропечах и выражаются в непрерывных изменениях токов и напряжений в значительных диапазонах действующих значений. Причем электромеханические характеристики ДСП определяются не изменениями градиента потенциала в дуговом разряде (градиент потенциала в столбе дуговых разрядов не может иметь значения 2030 кВ/мэта величина изменяется в диапазоне от 1.5 кВ/м до 5 кВ/м), как это считалось до настоящего времени, а электродинамическими процессами в системе дуга — электрод — электрододержатель — гибкие кабели с учетом механических свойств каждого токоведущего участка цепи. Дуговые разряды обеспечивают в электродинамических процессах только функции преобразования электрической энергии в тепловую и являются источником первичных возмущений протекающих в цепи токов.

8. Показано, что использование в эксплуатации электропечей только крайних режимов работы: ярко выраженных «коротких» или «длинных» дуговых разрядов, приводит к суммарному снижению активной мощности на 7−9 МВт по сравнению с режимами средней длины дуги и, следовательно, соотношений U^/Ifi. Таким образом установлено наличие оптимального значения Uf/If) между двумя «крайними» режимами работы ДСП, определяющего режимы максимального введения активной мощности в рабочее пространство ДСП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Теоретическими и экспериментальными исследованиями показано, что ДСП является электромеханическим агрегатом, способным самогенерировать и поддерживать низкочастотные и высокочастотные составляющие токов и напряжений и имеет изменяющиеся во времени индуктивные сопротивления.

2. Разработана обобщенная схема ДСП как электромеханического объекта со взаимосвязанными колебательными контурами, которая позволила создать методы расчетов и обработки экспериментальных результатов исследований для диагностики несинусоидальных кривых напряжений и токов в несимметричной трехфазной системе ДСП с учетом процессов переноса мощности по фазам, изменяющихся во времени. Установлено, что изменения индуктивщ ностей во времени за счет изменения пространственно — механических соотношений в системе приводит к колебательным увеличениям токов до величин, соизмеримых с токами коротких замыканий в фазахэлектромеханические процессы в системе ДСП проявляются как усилители токов первичных возмущений, возникающих в рабочем пространстве электропечей.

3. Предложен метод расчета, позволяющий получать обобщенные характеристики изменения во времени взаимоиндуктивных связей на участке кабельных гирлянд при наличии электромеханических колебаний, динамических индуктивностей фаз и в целом короткой сети при вертикальном перемещении фаз, абсолютных значений индуктивных сопротивлений фаз короткой сети в реальном масштабе времени, среднефазных индуктивных сопротивлений, коэффициента асимметрии, мгновенных значений активной мощности в различных фазах.

4. Проведен обобщенный анализ и сравнение нового технического решения для ДСП — токоподводящих рукавов электрододержателей, при различных конструктивных исполнениях для базовой электропечи ДСП-100И7 с ранее использованными техническими решениями электрододержателей с токо-ведущими трубами.

Численные эксперименты на базовой для отечественной электротермии электропечи ДСП-100И7 показали, что интегральное индуктивное сопротивление триангулированной короткой сети в существующем конструктивном исполнении с токоведущими трубами на рукавах электрододержателей на 10 — 15% больше, чем индуктивное сопротивление короткой сети электропечи с токоведущими рукавами, выполненными в триангулированном (Хср ф = 3.4299 мОм), копланарном вариантах с трубчатой петлей на среднем рукаве (Хср ф =3.4654 мОм) или без петли (Хсрф =3.3422 мОм). Применение в короткой сети ДСП-100И7 копланарного токоподводящего рукава без специальных мер по симметрированию короткой сети приводит к появлению существенной несимметрии, достигающей 11%. Конструктивное исполнение средней фазы токоподвода с использованием трубы-петли позволяет снизить коэффициент асимметрии практически на порядок.

5. Доказано, что процессы переноса мощности по фазам имеют динамический характерв период плавки за счет изменения пространственного расположения в системе электроды — электрододержатели — гибкие кабели, вертикальных и горизонтально-колебательных перемещений мертвая и дикая фазы могут меняться местами или сдвигаться на одну фазу в направлении или против направления следования фаз в трехфазной сети. При этом диапазон изменения активной мощности, вводимой в электропечь, может достигать 4000 кВт.

6. Установлено, что стабилизация режимов работы ДСП при наличии электромеханических процессов в системе невозможна только с использованием существующих на электропечах систем автоматического управления вертикальным перемещением электродов.

7. Предложено использовать для управления процессами преобразования электрической энергии в тепловую в сверхвысокомощных ДСП два независимых, но взаимосвязанных контура автоматического управления режимами работы ДСП: управление динамическим сопротивлением фаз с целью его стабилизации в оптимальных диапазонах значений в реальном времени, а также увеличения напряжений на дугах и управление активными сопротивлениями дуг путем вертикального перемещения электродов.

8. Разработан математический аппарат для создания алгоритмов управления энергетическими режимами ДСП и алгоритмов диагностики с учетом электромеханических свойств конкретного объекта (массы, жесткости и динамических характеристик) и назначения электропечей (плавки шихты с различной насыпной массой).

9. Разработаны инженерные средства оценки диапазонов изменения параметров сверхмощных ДСП с учетом их динамических изменений в отдельные периоды плавки в реальном времени за счет электродинамического переноса мощности и электромеханических колебаний в системах дуговые разряды — электроды — электрододержатели — кабельные гирлянды.