Особенности контроля электрических параметров, мощности и энергопотребления во время кампании графитации в печах переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.365.3:621.039.55

Особенности контроля электрических параметров, мощности и энергопотребления во время кампании графитации в печах переменного тока

Ярымбаш С.Т., Ярымбаш Д.С., Тютюнник А.В.

Запорожский национальный технический университет

Введение

На современном этапе развития металлургической промышленности Украины предъявляются повышенные требования к качеству электродной продукции и снижению ее себестоимости.

Электродная промышленность характеризуется энергоемкостью, а ее конкурентоспособность определяется как уровнем качества, так и энергозатрами. Поэтому, с учетом тенденции поступательного роста тарифов на электроэнергию, необходимо уделять особое внимание поиску новых путей повышения энергоэффективности.

В технологическом цикле производства электродной продукции наиболее энергоемким является технологический процесс графитации, который, как правило, проводится в печах графитации (ПГ) Ачесона [1]. Этот процесс характеризуется продолжительностью до 30 - 40 часов, потреблением электрической мощности до 10 - 11 МВт, температурами в области токоподводов переднего торца до 400 - 500 оС при токовых нагрузках печи до 100 кА и до 20 кА на один токоподвод.

С целью повышения энергоэффективности на предприятиях электродной промышленности внедряются автоматизированные системы учета расхода электрической энергии. Эти системы, как правило, регистрируют на высокой стороне действующие значения напряжений и токов питающих трансформаторов и трансформаторов компенсирующего устройства, расход электроэнергии во время кампании графитации и потребляемую активную мощность, коэффициент мощности, а также напряжения на низкой стороне. Однако они не могут в полной мере обеспечивать потребности технологии и энергосбережения, так как не регистрируют активную мощность, подведенную непосредственно к графитировочной печи. Кроме того, они не позволяют оценить влияние технологических параметров и режимов графитации на потери в коротких сетях, которые весьма существенны и по оценкам [2] составляют: в шинном пакете - 2,4 %; в токоподводящих электродах - 17,8 %; в шинах к электродам - 12,9 %.

Поэтому для дальнейшего повышения энергоэффективности мощного электротермического оборудования следует считать актуальной задачу разработки системы контроля и регистрации токов, напряжений и мощности непосредственно на печах графитации переменного тока и в элементах короткой сети: главном шинопакете (ГШП), боковом шинопакете (БШП), ошиновках переднего и заднего торцов и т.д.

Цель работы. Целью работы является исследование влияния конструктивных особенностей коротких сетей ПГ переменного тока и технологических режимов графитации на потери в коротких сетях с помощью автоматизированной системы контроля и регистрации электрических параметров в короткой сети.

Материал и результаты исследований

С учетом обеспечения высокой точности измерений в коротких сетях существует потребность в разработке специальной методики обработки результатов.

При регистрация мгновенных значений напряжений на выводах поясов Роговского и трансформаторов напряжения формируется массив

(1)

для каждого момента времени измерений .

Массив измерений (1) сопряжен с массивом текущего времени регистрации, элементы которого определяются рекуррентными соотношениями:

, (2)

где - функция Хевисайда, - такт регистрации, равный 2 мс, - временной сдвиг канала измерения и регистрации, равный 0,4 мс.

Необходимо чтобы для столбцов массивов (1), (2), соответствующих номеру канала измерений j, выполнялось условие интерполяции:

, . (3)

Для этого канала непрерывная и дифференцируемая на отрезке функция кубической сплайн-интерполяции, удовлетворяющая соотношению (3) может быть представлена в виде совокупности полиномов [3]:

или с учетом (1)

, (4)

где для ; ; , ; - базисные полиномы Эрмита

Компоненты массива параметров кубической сплайн интерполяции

должны удовлетворять условию:

, (5)

Для определения действующих значений регистрируемых сигналов от поясов Роговского и трансформаторов напряжения, с учетом требуемого класса точности измерений, выполняется аппроксимация функций интерполяции (4), (5) с нормами вида:

, , (6)

для которых формулируются достаточные условия:

, . (7)

Будем считать, что существует вектор базисных функций

,

для компонентов которого аппроксимирующие функции по каждому из j каналов измерений имеют вид:

, . (8)

Массив коэффициентов

может быть определен из решения системы, соответствующей необходимым условиям существования экстремума для нормы (6) с достаточными условиями (7):

,

. (9)

Для электрических измерений в коротких сетях печей графитации переменного тока при достаточно ограничиться ортогональным базисом вида:

Тогда выражение (8) для аппроксимирующих функций можно упростить

, (10)

а уравнение (9) преобразовать в систему линейных алгебраических уравнений вида для j -го канала, где:

- матрица коэффициентов;

, - векторы решения и свободных членов соответственно.

Амплитуда (ед. АЦП), действующее значение (ед. АЦП) и фаза регистрации сигнала, измеряемого и регистрируемого по j-му каналу, определяются в соответствии с соотношением (10) в виде:

. (11)

Переход к размерным величинам токов и напряжений осуществляется с помощью калибровочных зависимостей, полученных по результатам типовых испытаний поясов Роговского и трансформаторов напряжения со встроенными делителями в сертифицированной лаборатории Запорожского завода высоковольтной аппаратуры:

- по току

; (12)

- по напряжению

; (13)

- по фазе

, (14)

где , - угловые погрешности поясов Роговского и трансформаторов напряжения с делителями.

Ток в токоподводе печи определяется по формуле:

, . (15)

Результирующий ток графитации определяется в виде:

, (16)

где

.

Аналогично (15) определяется напряжение на печи:

,

. (17)

Мощность, измеряемая на печи, рассчитывается по известному соотношению:

, (18)

где - угол сдвига между результирующим током и напряжением.

К.п.д. короткой сети ПГ:

, (19)

где Рграф, РВН - мощности ПГ и питающих трансформаторов.

Для сокращения затрат на разработку и внедрение в опытно-промышленную эксплуатацию аппаратного обеспечения системы автоматизированного контроля и измерения мощности в короткой сети был реализован ряд технических решений:

- бескаркасные обмотки поясов Роговского мотались нихромовой проволокой с одним обратным витком [3],

- компенсация температурной зависимости обмоток поясов Роговского выполнялась за счет соответствующего увеличения сопротивления на входе нормализующего усилителя,

- измерения и регистрация сигналов производились по параллельно-последовательному алгоритму с накоплением результатов по каждому из каналов,

- обработка результатов измерений производилась после окончания кампании графитации и демонтажа измерительного оборудования.

Представление результатов (12) - (17) в виде осциллограмм (рис.1, 2) при обработке дискретных данных, полученных по каналам измерений в соответствии с методикой (4) - (11) более трудоемко по сравнению с известными методами прямого построения уравнений регрессии [4]. Кроме того, эта методика обработки, требует обязательного использования в составе аппаратных средств измерительного комплекса ПЭВМ. Однако она позволяет, с одной стороны, ограничить требования к аппаратным средствам измерений, а с другой - обеспечить заданные эксплуатационными требованиями классы точности измерений: по току - 0,2, по напряжению - 0,2, по мощности - 0,5.

Рисунок 1 - Осциллограммы силы тока в токоподводах ПГ переменного тока №№ 1, 3, 5, 7 (а) и №№2, 4, 6, 8 (б)

Рисунок 2 - Осциллограммы напряжения и результирующего тока на ПГ переменного тока

ток напряжение сигнал роговский

В промышленных условиях выполнялись измерения токов, напряжений, мощности на высокой стороне питающих трансформаторов и в короткой сети ПГ переменного тока с 8 токоподводами (рис.1, 2), с перемычками между токоподводами и без них, при одинаковых массах, типах загрузки и технологических режимах графитации.

По результатам измерений получены зависимости изменения потребляемой электрической мощности, к.п.д. системы электроснабжения и коэффициентов мощности со стороны печи в процессе графитации (рис. 3).

Рисунок 3 - Графики изменения к.п.д. и коэффициентов мощности во время кампании графитации:

1 - мощность на высокой стороне питающих трансформаторов, о.е.; 2 - к.п.д. системы электроснабжения ПГ переменного тока без уравнителей, о.е.; 3 - к.п.д. системы электроснабжения ПГ переменного тока с уравнителями, о.е.; 4 - коэффициент мощности ПГ переменного тока с уравнителями; 5 - коэффициент мощности ПГ переменного тока без уравнителей

На первом этапе процесса графитации постепенно увеличивают мощность на высокой стороне питающих трансформаторов таким образом, чтобы она соответствовала заданной технологами зависимости. Регулирование производится ступенчато путем изменения числа витков первичной обмотки питающего трансформатора. По мере разогрева керна печи снижается его активное сопротивление и увеличивается сила тока графитации. Реактивные и активные сопротивления основных элементов короткой сети, по сравнению с активным сопротивлением керна печи, практически не изменяются. Поэтому изменение коэффициента мощности со стороны отводов ГШП определяется, прежде всего, уменьшением активного сопротивления керна. С ростом тока графитации растет реактивная мощность, поэтому со стороны главного шинопакета подключаются трансформаторы компенсирующего устройства, к высокой стороне которых подключена емкостная нагрузка. К моменту достижения максимальной мощности активная и реактивная мощности сближаются по абсолютной величине. В дальнейшем реактивная мощность продолжает возрастать и загруженность компенсирующих трансформатор в 2-3 раза может превышать загруженность питающих трансформаторов. Как правило, после прохождения максимума мощности включаются на параллельную работу два питающих трансформатора и два трансформатора компенсирующего устройства.

Так как в процессе графитации токовая нагрузка печи возрастает, то увеличиваются переменные потери в системе электроснабжения и в элементах короткой сети и, следовательно, регистрируется монотонное снижение к.п.д. системы (рис. 3, кривые 2, 3). По результатам измерений во время кампаний графитации установлено, что токовые нагрузки токоподводов распределяются неравномерно. Они выше на крайних токоподводах №№ 1, 2, 7, 8 и ниже на внутренних токоподводах №№ 3, 4, 5, 6 (рис. 1). Неравномерность токораспределения составляет 1,2 - 1,6 раза на первой трети кампании и 2,1 - 2,4 раза на ее второй трети. Большие значения соответствуют коротким сетям, в конструкции которых предусмотрены перемычки между токоподводами. Эти перемычки выравнивают потенциалы токоподводов, и, соответственно, должны способствовать выравниванию токовых нагрузок в боковых шинах. Однако они создают дополнительные, параллельно соединенные контуры, короткие ветви которых имеют различные (отличаются в 3-4 раза) сопротивлениями взаимоиндукции. Поэтому в ошиновках с перемычками между токоподводами возникают значительные уравнительные токи, добавочные потери от которых могут в несколько раз превышать основные электрические потери. К.п.д. системы электроснабжения и короткой сети при установке перемычек между токоподводами на 1-8% ниже, чем при их отсутствии (рис. 3, кривая 3), меньшие значения относятся к началу кампании графитации, а большие к ее завершающему этапу. При этом увеличивается сдвиг по фазе между током и напряжением (рис. 2) и снижается коэффициент мощности до 1,3 раза (рис. 3, кривые 4, 5).

В последней трети кампании графитации происходит стабилизация активного сопротивления керна печи на минимальном уровне, а тока графитации - на максимальном. Поэтому, хотя изменения к.п.д. и коэффициента мощности незначительны, потери в системе электроснабжения печи - максимальные. При этом негативное влияние уравнительных токов в параллельных ветвях электрических контуров, образованных элементами шин токоподводов со стороны торцов печи, проявляется в наибольшей степени, добавочные потери увеличиваются в 4-5 раз по отношению к основным. Это приводит к повышенному нагреву элементов коротких сетей и, прежде всего, медно-алюминиевых переходов, которые устанавливаются между отводами главного шинопакета и медными шинами токоподводов.

Выводы

1. Экспериментально установлено, что применение перемычек между токоподводами приводит к росту потерь в короткой сети от режимов нагрузки. На первом этапе повышения мощности, когда нагрузка является, в основном, активной, они способствуют уменьшению потерь в боковых шинах. И наоборот, на втором этапе кампании графитации, когда нагрузка в основном реактивная, происходит значительное увеличение потерь в короткой сети, в том числе в боковых шинах до 50%. Применение конструктивного исполнения торцевых шин без перемычек (уравнителей) между токоподводами позволяет снизить энергопотребление на кампанию графитации до 4 - 5 %.

2. Автоматизированная система контроля и регистрации электрических параметров в короткой сети, с применением специальной методики обработки результатов показала высокую точность и надежность при проведении измерений в коротких сетях и на ПГ переменного тока.

Литература

1. Соседов В.П., Чалых Е.Ф. Графитация углеродистых материалов. - М.: Металлургия, 1987. - 176 с.

2. Чалых Е.Ф. Оборудование электродных заводов.: Учебное пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1990. - 238 С.

3. Ярымбаш Д.С. Особенности измерения переменного тока в токоподводах печей графитации // Электротехника и электроэнергетика. - 2005. - №1. - С. 74 - 76.

4. Математика и САПР: В 2-х кн. Кн. 1. Пер. с франц. / Шенен П., Коснар М., Гардан И. и др. - М.: Мир, 1988. - 204 С.

Стаття надійшла 15.04.2006 р.

Рекомендовано до друку

д.т.н., проф. Родькіним Д.Й.

Размещено на Allbest.ru