УДК 621.3
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ НА
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
,
Россия, г. Липецк, ЛГТУ
Рассматриваются вопросы повышения энергетической эффективности дуговых электропечей и минимизация их негативного воздействия на питающую электрическую сеть.
Considered the questions of electric arc furnaces’ power efficiency’s increase and minimization of their negative impact on power supply system.
В «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 01.01.01 г. , ставится задача снижения энергоемкости ВВП к 2030 году до 44 % от уровня 2005 г. Одной из основных, как мировых, так и общероссийских тенденций развития металлургической отрасли является увеличение доли электросталеплавильного производства. Электрическая мощность дуговых печей может составлять 85-90 % мощности по цеху и 20-60 % по предприятию в целом. В процессе работы дуговые сталеплавильные печи (ДСП) создают нестабильную, изменяющуюся несимметрию нагрузки фаз, приводящую к появлению обратной последовательности напряжения. Значительное отрицательное влияние оказывает явление «мертвой» и «дикой» фазы, характерное для всех типов существующих дуговых печей. Оно возникает из-за динамического несимметричного изменения реактивного сопротивления короткой сети, вызывающего электрическое смещение нейтральной точки нагрузки относительно нейтральной точки трансформатора, вследствие чего появляется перенос и перекос подводимой мощности по фазам, устранить который не позволяют существующие регуляторы мощности. Измерения в реальных системах электроснабжения ДСП показали, что коэффициент асимметрии реактивного сопротивления при работе печи достигает 35 – 40 %, а разброс коэффициента относительного распределения излучений дуг по фазам до 35%. Максимальное вертикальное перемещение электродов для печей емкостью 12 - 200 тонн составляет величину 2250 - 4500 мм [1]. Изменяющаяся при этом взаимная индуктивность проводников оказывает доминирующее влияние на сопротивление короткой сети при рабочих токах в 40 - 50 кА. Реактивная составляющая сопротивления печного контура при вертикальном перемещении электрода одной из фаз печи в верхнее положение изменяется на величину порядка 40%. Анализ полученных в реальной системе электроснабжения дуговых печей ДСП-100 данных свидетельствует о незначительном нелинейном характере исследуемых величин и показывает, что токи в фазах короткой сети, наряду с прерывистостью во времени, характеризуются переменной интенсивностью, а реактивная составляющая сопротивления силового токопровода дуговой печи в эксплуатационном режиме может быть подвержена значительным изменениям. При анализе системы электроснабжения ДСП зависимость реактивного сопротивления печного контура от токов и напряжений в первом приближении может быть принята линейной, что незначительно скажется на точности проведенных расчетов. Важной задачей при проектировании и эксплуатации дуговых сталеплавильных печей является анализ влияния их эксплуатационных параметров на качество электрической энергии в целом и на коэффициент несимметрии в частности.
Схема замещения наиболее простой короткой сети «звезда на электродах» представлена рис. 1, где Е – э. д.с. во вторичной обмотке электропечного трансформатора; 
– напряжение смещения нейтрали (определяется путем сложения левых и правых частей системы уравнений), R – активное сопротивление ветвей; XТ – реактивное сопротивление вторичных обмоток трансформаторов; L – собственная индуктивность гибких кабелей; М – взаимная индуктивность ветвей Lтш – индуктивность трубчатых шин, ZЭ – сопротивление электродов; Zд – сопротивление электрических дуг (в первом приближении может быть принято линейным); индексы A, B, C – соответствующие фазы. Для данной схемы по второму закону Кирхгофа может быть записано уравнение
(1)
Рис. 1. Схема замещения короткой сети пo схеме «звезда на электродах».
Рис. 2. Взаимные индуктивности между участками короткой сети
Каждую ветвь короткой сети можно условно разбить на 3 участка. Два прямолинейных и один, представляющий дугу окружности. Схема замещения представлена на рис. 2 для второй и третьей ветвей. Участки 11, 13, 21, 23, 31, 33 прямолинейны, а 12, 22, 32, изогнуты по дуге окружности.
Взаимные индуктивности рассчитываются по формуле
где 
– взаимная индуктивность между участками 21 и 23 ветви. Аналогичным образом определяются 
и 
.
Применяя метод симметричных составляющих и учитывая (1), определяются [3]
(2)
где фазные и взаимные сопротивления участков печного контура определяются по формулам
Проведенные исследования показывают, что 
, а 
, учитывая это, получим следующие выражения
где 
, 
токи и напряжения прямой, а 
, 
обратной последовательности
Аналогичные зависимости определены и для других типов коротких сетей ДСП переменного тока. Используя полученные выражения, можно оценить несимметрию по обратной последовательности, возникающую в системе электроснабжения при работе ДСП по выражениям аналогичным приведенным в ГОСТе 13109-97
Таким образом, применяя предложенный подход можно оценить как качество электрической энергии в отношении несимметрии по обратной последовательности в системе электроснабжения при функционировании дуговой сталеплавильной печи, так и определить параметры режима необходимые для разработки новых принципов регулирования, а также способов и средств симметрирования электрического режима работы и повышения энергетической эффективности дуговой сталеплавильной печи, что позволит повысить коэффициент мощности и электрический КПД электропечной установки. В результате уменьшится удельный расход электроэнергии.
Литература
1. Бош, систем электроснабжения сталеплавильных производств [Текст]: монография / , . – Липецк: ЛГТУ, 2006. – 152 с.
2. Данцис, сети и электрические параметры дуговых электропечей: спрвочник [Текст] / , . – М.: Металлургия, 1987. – 320 с.
3. Лосев, электрических величин в несимметричных режимах электрических систем [Текст] / , . – М.:Энергоатомиздат,1983. – 528с.
, доцент, к. т.н., ФГБОУ ВПО ЛГТУ, доцент каф. электрооборудования, г. Липецк, ул. Московская д. 30., т. 8 (4742) 32 80 49, e-mail: .
, магистрант каф. электрооборудования ФГБОУ ВПО ЛГТУ, г. Липецк, ул. Московская д. 30, т. 8 (4742) 32 80 49, e-mail: *****@***ru.
