Применение криогенных энергетических кабелей

а - слабая связь; б - средняя связь; в - сильная связь

4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Динамичное развитие современных промышленных предприятии связано резким увеличением мощностей электроприемников, которые предъявляют повышенные требования к качеству электроэнергии и надежности электроснабжения. На подавляющем большинстве промышленных предприятии «узким» местом развития электрических распределительных сетей стала «плотность» смонтированных кабельных линий электропередачи. На некоторых участках заводов черной металлургии в одном кабельном туннеле смонтировано до ста кабельных линий и дальнейшая прокладка дополнительных кабелей уже невозможна. Характерные особенности предприятий черной металлургии следующие: наличие собственных источников электрической энергии (ТЭЦ, ЦЭС). Генераторное напряжение которых в большинстве случаев 10 кВ, а также мощных электроприемников (установленная мощность каждого из них более 11-20 тыс. кВт) с номинальным напряжением 10 кВ.

Для создания криогенного токопровода предварительно были найдены электрические параметры жидкого воздуха и азота. При определении пробивного напряжения электрической прочности были использованы стандартные электроды: игла-игла; полусфера-полусфера: плоскость-плоскость; цилиндр-цилиндр.

Расстояние между электродами изменяли от 1 до 3 мм. При этом было установлено, что пробивное напряжение и электрическая прочность азота изменяются по нелинейной зависимости, что объясняется рядом факторов, в том числе свойствами электрической проницаемости жидкого азота.

Не только жидкий азот, но и пары его показали хорошие электрические свойства. Электрическая изоляция токоведущих шин, погруженных в жидкий азот увеличилась от 2.5Ч10⁴ до 2.5Ч10⁵ Ом. На основе проведенных исследований жидкого азота был сконструирован криогенный токопровод, диаметром 500 мм. Токоведущие жилы и все вводные и выводные узлы и элементы были выполнены из технического алюминия (АО-995). Диаметр токоведущих шин

Исследования криогенного токопровода позволили установить уменьшение активного сопротивления в диапазоне температуры охлаждения от 243 до 123⁰К более чем в 10 раз. Что касается индуктивности L и емкости С, то они изменялись по линейной зависимости. Установлена закономерность увеличения емкости С и индуктивности L в криогенной зоне от 203 до 123⁰К скорость нарастания индуктивности зависит от скорости охлаждения и в наблюдаемом эксперименте составит ед. L на каждые 275⁰К охлаждаемой среды. В диапазоне от -333⁰С до 203°К наблюдается скачкообразное изменение L и С. Это объясняется резким изменением магнитной проницаемости алюминия и электрической проницаемости жидкого азота.

Аналитические и экспериментальные исследования /5/ позволяют установить следующие формулы основных параметров токоведущих элементов криогенного токопровода.

Индуктивное сопротивление токоведущей шины

(43)

где - нелинейный коэффициент, характеризующий изменение магнитной проницаемости алюминия (l ? ?2), =4рЧ10^-7гн/м - магнитная проницаемость в вакууме; l - длина токоведущей шины, г - внешний радиус токоведущей шины, м; с -- расчетный коэффициент (для рассматриваемого токопровода с = 0,935).

Для трехфазного криогенного токопровода

(44)

где g -- среднее геометрическое расстояние между площадями сечений токоведущих жил; g₀=cr.

Таким образом, полное сопротивление токоведущей жилы криогенного токопровода

(45)

Или

(46)

где k_t -- коэффициент, характеризующий изменение активного сопротивления токоведущей жилы, погруженной в жидкий азот для рассматриваемого диапазона температуры (123°К ? t ? 243°К, 1 ? k_t ? 10), k_i - коэффициент, характеризующий изменение электричеcкой прочности жидкого азота (для рассматриваемого случая 1 ?k_i ?10).

5. РАССМОТРЕНИЕ ВОПРОСА О ЗАМЕНЕ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЛИТЕЙНОГО ЗАВОДА

КАМАЗА НА КРИОГЕННУЮ СИСТЕМУ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Как показывают предварительные расчеты наиболее целесообразно применение криоохлаждения для группы или одиночных ЭТУ большой мощности, где потери электроэнергии в системах электроснабжения, силовом электрооборудовании и токопроводах составляют величину не менее 1-2 МВт. К таким ЭТУ можно отнести дуговые и ферросплавные печи единичной мощностью 40-80 МВА, индукционные тигельные печи промышленной и повышенной частоты емкостью не менее 60 и 10 тонн соответственно и большие группы установок высокочастотных индукционных нагревателей большой мощности.

Одним из примеров концентрации ЭТУ в большие группы установленной мощностью 100-400 МВА. является литейный и кузнечный заводы Камского объединения по выпуску большегрузная автомобилей (КАМАЗ). Так в цехе серого и ковкого чугуна литейного завода КАМАЗа установлено 9 печей плавки и 9 печей выдержки суммарной мощностью около 340 МВА. Для плавки используются печи ДСП-50 с трансформатором мощностью 35 МВА. Электроснабжение выполнено на напряжении 11О кВ, двухценной воздушной ЛЭП длиной около 1,5 км от ТЭЦ и отдельной подстанции. ТЭЦ имеет генератор напряжением 10 кВ.

Кузнечный завод КАМАЗа имеет машинный зал с источниками частотой I и 4 кГц и установленной мощностью около 110 МВА. В цехе установлены группы индукционных нагревателей, которые питаются по радиальной схеме от сборных шин для каждой группы суммарной мощностью 20-30 мВт. Наибольшая длина токоподводов от сборных шин до нагревателей составляет 105 м, наименьшая - 20-25 м. В цехе используются нагреватели единичной мощностью 2000, 1500 и 750 кВт.

Поэтому выявление эффективности и целесообразности применения криоохлаждения для таких крупных групп ЭТУ даст возможность указать пути наиболее перспективного использования глубокого охлаждения для различных видов ЭТУ и их систем электроснабжения. В данном отчете сделана попытка анализа технико-экономических показателей силового электрооборудования группы из 9 дуговых печей ДСП-50 в литейного завода и токоподводов индукционных нагревательных установок на частоте I и 4 кГц кузнечного завода КАМАЗа при обычном исполнении и при использовании криоохлаждения.

5.1 ВЫБОР КРИОСХЕМ ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

ПИТАНИЯ СИЛОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ БОЛЬШИХ

ГРУПП ДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ ОБЩЕЙ МОЩНОСТЬЮ 100 МВА

И БОЛЕЕ

Основными потребителями электроэнергии КСКЧ являются дуговые сталеплавильные печи (ДСП-50), которые по надежности электроснабжения относятся к электроприемникам П категории. Источником питания КСКЧ является местная ТЭЦ и подстанция "Заводская". Внешнее электроснабжение, как правило, выполняется по двум самостоятельным линиям.

Питание ДСП большой мощности целесообразно выполнять через отдельные ЛТП. Этот вариант, обеспечивая раздельное питание ДСП и других потребителей корпуса, позволяет применять наиболее простые двухсекционные ГПП и использовать системы глубоких вводов. Кроме того, раздельное питание ДСП и других потребителей является эффективным средством устранения влияния печей на работу последних. Однако питание в этом случае обычно выполняют на напряжении 35,110 или 220 кВ с применением воздушных ЛЭП и высоковольтных распредустройств. Кроме того, использование высокого напряжения требует выделения под ЛЭП дополнительной территории под полосы отчуждения и распредустройства.

Повышение питающего потребитель напряжения объясняется необходимостью снизить потери электроэнергии при больших передаваемых мощностях. Этого же эффекта можно достигнуть за счет уменьшения активного и реактивного сопротивлений проводов при криогенном охлаждении. Это даст возможность свести к минимуму джоулевы потери, увеличить пропускную мощность и осуществить питание потребителей на генераторном напряжении, что устраняет необходимость тлеть высоковольтные распредустройства, полосы отчуждения и иметь более простое электрооборудование на ГПП.

Для оценки эффективности использования криоохлаждения систем электроснабжения и силового электрооборудования группы ДСП-50 из 9 печей с печными трансформаторами мощностью 35 1;ША были проведены расчеты технико-экономических показателей трех вариантов схем электроснабжения:

Вариант I. Питание группы ДСП-50 от отдельных ГПП (рис. 5.1).

Вариант 2. Питание группы ДСП от отдельных вторичных расщепленных обмоток трансформаторов (рис 5.2)

Рис. 5.1



Рис. 5.2

Вариант 3. Питание группы ДСП от ТЭЦ на генераторном напряжении жидкоазотным кабелем (ЖАК) при питании остальной нагрузки по ВЯЭП-ПО кВ от подстанции "Заводская" с сооружением отдельной ГПП. (рис. 5.3).

Сравнение указанных вариантов проводится по минимуму приведенных затрат /7,8/ расчет которых покажем для системы электроснабжения с криоохлаждением на генераторном напряжении.

Одним из основных величин, определяющих технико-экономические показатели криорезистивного кабеля, является экономическая плотность тока, которая в свою очередь зависит от плотности материала проводника, удельной стоимости и удельного сопротивления материала проводника, отчислений на амортизацию и текущее обслуживание кабелей и рефрижераторов, времени и стоимости потерь электроэнергии /6,8/ . Поэтому для выбора оптимального варианта системы электроснабжения с криоохлаждением проведем определение экономической плотности тока для жидкоазотного кабеля, материалом которого является алюминий марок АЕ и А995. Расчеты проводятся при напряжении питания 10 и 35 кВ.

Рассмотрим вариант с напряжением U_н=35 кВ установленной мощностью группы ДСП в 341,7 МВА и материалом жил криорезистивного кабеля из алюминия марки АЕ.

Питание ДСП осуществляется по двум ЖАК. Тогда расчетный ток в фазе ЖАК

 (47)

Проведем расчеты для плотностей тока

При J=1Ч10^-6 A/м сечение жилы ЖАК

(48)

Расход алюминия марки АЕ

G=6ЧF_ЖЧlЧj_AL=43.36Ч10³ кг, (49)

где - длина ЛЭП от ТЭЦ по ГРЛ-1;

- плотность алюминия, равная 2.7Ч10³ кг/м²

При учете стоимости строительно-монтажных работ коэффициентом 1,3 и стоимости электрической и тепловой изоляции коэффициентом 1,4.

Рис.5.3

Сопротивление фазы ЖАК

R_ф=с_77кЧl/F_ж=3,41Ч10^-9Ч=1,3Ч10^-3, Ом (50)

Потери активной мощности в ЖАК

Д Р_Жак=6ЧR _фЧI²_ф=61.1 кВт (51)

При удельной мощности рефрижератора P_уд=2.5 Вт/Вт потребляемая рефрижератором мощность:

Р_реф = Р_удЧ Д Р_Жак=152.8 кВт (52)

Суммарные потери составляют

?ДР= Д Р_Жак+ Р_реф=214 кВт (53)

Анализ полученных результатов показывает, что оптимальное значение экономической плотности тока для жидкоазотных кабелей (ЖАК) лежит в пределах (0,8-1,5) А/мм² при удельной мощности азотных рефрижераторов и генераторном напряжении 35 кВ и смещается в сторону больших значений при повышении чистота металла и генераторного напряжения. В качестве материала кил криорезистивного кабеля (КРК) при охлаждении жидким азотом следует выбирать алюминий технический марки АЕ.

Динамичное развитие современных промышленных предприятии связано резким увеличением мощностей электроприемников, которые предъявляют повышенные требования к качеству электроэнергии и надежности электроснабжения. На подавляющем большинстве промышленных предприятии «узким» местом развития электрических распределительных сетей стала «плотность» смонтированных кабельных линий электропередачи. На некоторых участках заводов черной металлургии в одном кабельном туннеле смонтировано до ста кабельных линий и дальнейшая прокладка дополнительных кабелей уже невозможна. Характерные особенности предприятий черной металлургии следующие: наличие собственных источников электрической энергии (ТЭЦ, ЦЭС). Генераторное напряжение которых в большинстве случаев 10 кВ, а также мощных электроприемников (установленная мощность каждого из них более 11-20 тыс. кВт) с номинальным напряжением 10 кВ.

6.1 Конструктивные исполнения криотокопровода и

криотрансформатора. Исходные данные к расчету

Целью расчета является только определение эффективности нового способа питания дуговых печей, поэтому конструкции криотокопровода и криотрансформатора детально не прорабатываются.

В качестве криорезистивного кабеля принимается токопровод, состоящий из трех жил с бумажной фазной изоляцией. Жилы закреплены в трубе, служащей для движения криоагента в прямом направлении (от рефрижератора до дуговой печи). Для течения жидкости в обратном направлении используется канал между внутренней и внешними трубами рис. 6.1.

В качестве расчетной схемы криотрансформатора принимается система двухобмоточного трансформатора с плоской магнитной системой стержневого типа со стержнями, имеющими сечение в форме симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность, и с концентрическим расположением обмоток. Последние заключены в оболочку, заполненную криоагентом рис. 6.2.

К рассмотрению принимается варианты криотокопроводов и криотрансформаторов:

1. с разными материалами жил криокабеля и обмоток криотранформатора:

а) медью марки МО;

б) алюминием марки А995;

2. с различными криоагентами:

а) жидким азотом (N₂);

б) жидким водородом (H₂);

3. с различными видами теплоизоляции:

а) аэрогелью;

б) вакуумно-порошковой суперизоляцией; и с разной их толщиной;

4. с различными плотностями тока в жилах криотокопровода и обмотках криотрансформатора;

5. с разными мощностями и первичными напряжениями трансформаторов;

6. с различными значениями коэффициента эффективности рефрижераторной установки (К_р) и удельной стоимости рефрижератора (К_у).

Для определения эффективности замены существующего способа питания печей на предлагаемый необходимо из всего многообразия криотокопроводов и криотрансформаторов выбрать варианты с наименьшими приведенными затратами.

Далее, для выбранных вариантов необходимо определить оптимальные длины криокабелей, при которых приведенные затраты на предлагаемый способ питания дуговых печей совпадают с затратами на базовый вариант. В качестве последнего выбираются схемы питания плавки (мощностью 32 МВА) и печей выдержки (мощностью 8 МВА) литейного завода одного из крупных производственных объединений с суммарной мощностью дуговых печей около 360 МВА.

Рис. 6.1 - Конструкция криотокопровода

1 - жилы; 2 - фазная изоляция; 3 - внутренняя труба; 4 - внешняя труба; 5 - теплоизоляция; 6 - обратный канал



Рис. 6.2 - Конструкция криотрансформатора

1 - обмотка ВН; 2 - обмотка НН; 3 - оболочка, заполненная криоагентом; 4. - теплоизоляция

Исходные данные к расчету:

1. В расчетах принимается, что трансформаторы работают на первой ступени вторичного напряжения, поэтому в качестве значений мощностей трансформаторов дуговых печей взяты мощности

S=8; 15; 24; 32; 63; 125 МВА.

2. Первичное напряжение трансформаторов U₁=10; 26; 35; 110 кВ, причем U₁=10; 20 кВ - для трансформаторов мощностью S=8; 15; 24 МВА; U₁=35;110 кВ, - для трансформаторов мощностью S=32; 63; 125 МВА.

3. Вторичное напряжение трансформаторов

- мощностью S=8; 15; 24 МВА; U₂=318 В / /,

- мощностью S=32; 63; 125 МВА U₂=465 В / /

Действительные напряжение трансформаторов мощностью 15; 24; 63; 125 МВА мало отличается от вышеприведенных значений, поэтому для упрочения расчетов вторичного напряжения этих трансформаторов принимаются равными напряжениям трансформаторов мощностью 8 и 32 МВА; схема соединения обмоток трансформаторов - ?/?.

4. Данные по удельным сопротивлениям для различных материалов при глубоком охлаждении приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Удельные сопротивления проводниковых материалов

при разных температурах окружающей среды, с, Ом/м

Материал	Температура
	200 К	77 0 К	3480 К
МО	9,19· 10-11	2,06· 10-9	2,2· 10-8
АЕ	9,42· 10-10	3,41· 10-9	3,2· 10-8
А995	2,38· 10-11	2,19· 10-9	2,98· 10-8

5. Плотность

- меди г_Сu=8900кг/м³

- алюминия г_Al =2700кг/м³

6. Частота питания сети =50 Гц

7. Коэффициент теплопроводности л_ср, удельная стоимость С_тu, плотность г_тu теплоизоляции;

- аерогель:

л_ср=0,016 Вт/м·⁰К; С_тu=2,3 руб/кг.; г_тu=100 кг/м³;

- вакуумно-порошковая теплоизоляция:

л_ср=0,3·10^-3 Вт/м·⁰К; С_тu=2000 руб/кг.; г_тu=1 кг/м³.

8. Плотность д_ка, удельная теплопроводность С_ка криоагентов:

-жидкий азот: д_ка =804,3 кг/м³; С_ка=2000 Дж/кг·⁰К;

-жидкий водород: д_ка =71,5 кг/м³; С_ка=6000 Дж/кг·⁰К.

9. Коэффициент К_р эффективности и удельная стоимость К_у рефрижераторов:

N₂: К_Р=8 Вт/Вт; К_у=180 руб/Вт;

Н₂: К_Р=50 Вт/Вт; К_у=720 руб/Вт.

10. Удельная стоимость проводникового материала:

-медь МО: С_пр=66 руб/кг;

-алюминий АЕ: С_пр=46,8 руб/кг;

-алюминий А995: С_пр= 480 руб/кг.

11. Удельная стоимость и плотность трансформаторной стали марки ЭЗЗОА :

С_ст=27036 руб/кг; г_ст=7650 кг/м³.

6.2 Определение технико-экономических показателей

криооборудивания

Как уже отмечалось, в первую очередь, необходимо выбрать оптимальные варианты криотрансформатора и криопровода. Для этого надо определить приведенные затраты по каждому варианту и сравнить их между собой.

Ниже приводится методики расчета технико-экономических показателей криооборудования.

Методика расчета основных параметров трансформатора заимствована.

1. Мощность одной фазы трансформатора (число фаз m=3) определяется по формуле:

, кВА

Здесь и далее мощность измеряется в кВА:

- токи на первичной и вторичной сторонах трансформатора:

, А

, А

Здесь и далее [U]= B.

2. Диаметр стержня трансформатора:

, см

где в - отношение средней длины обмоток к высоте обмоток в=1,4 +2,6

см;

d₁₂=3 см; k=0,4+0,48

К_ри - коэффициент приведения идеального поля к реальному;

К_ри=0,5

U_P - реактивная составляющая напряжения короткого замыкания (первоначально U_P принимается равным 7%);

B_C - индукция в стержнях магнитопровода при его выполнении из электротехнической стали ЭЗЗОА; B_с=1,65

K_C - коэффициент заполнения площади круга сталью: K_C=0,86

3.

d_н=d+2·?ти, см

где ?ти - толщина теплоизоляции (см).

4. Активное сечение стержня :

см²

5. Средний диаметр обмоток (d₁₂) и высота обмоток (l):

D₁₂ = a d, см

6. Число витков первичной обмотки трансформатора:

где значение W₁ округляется до большого целого;

7. Определяются э. д. с. Одного витка и реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

U_B=U₁/W₁, B

%

если отличается от Uр не более чем на 0,5%, то расчет продолжается с пункта 8, иначе необходимо начать расчет с пункта 2 с новым значением Uр равным ;

8. Сечение витка первичной обмотки:

, мм²

где д - плотность тока, А/мм²

9. Толщина первичной обмотки:

, мм

10. Число витков, сечение витка и толщина вторичной обмотки:

Значение W₂ до большого целого:

, мм²

, мм

11. Характерные размеры криотрансформатора см. рис. 4.2.

, см

, см

, см

, см

, см

, см

см

, см

12. Активные сопротивления обмоток трансформатора:

, Ом

, Ом

13. Потери короткого замыкания и напряжения к.з. трансформатора:

, Вт

где К_д - коэффициент добавочных потерь в обмотках: К_д =1,1.

,

,

;

14. Масса магнитопровода:

, кг

где G_c - масса стержня, кг;

G_я - масса ярма, кг.

15. Потери холостого хода и ток холостого трансформатора:

, кВт

где - коэффициент добавочных потерь: = 1,05

- удельные потери холостого хода равные 1,2 Вт/кг при В==1,65 Т

, Вт

где q_x - удельная намагничивающая мощность равная 1,4 Вт/кг при В=1,65 Т.

16. Потери мощности в трансформаторе с учетом потерь активной мощности в сети от потребляемой реактивной мощности (коэффициент загрузки трансформатора принимается равным единице):

, Вт

где К_ип - коэффициент изменения потерь (задается энергосистемой), К_ип=0,05.

17. Теплоприток через теплоизоляцию:

,

где ?Т - разность температур между криоагентом и внешней средой, ⁰К.

18. Объем и стоимость теплоизоляции:

, м³

К_ТИ=С_ТИ·V_ТИ· г_ТИ, руб.

19. Объем и стоимость проводникового материала:

, м³

К_пров=С_пр·V_пров· г_пров, руб.

20. Стоимость рефрижератора:

К_рифр=К_у (?Р_тепл+ ?Р_кз), руб

21. Стоимость магнитопровода:

К_ст =С_ст·G, руб

22. Мощность рефрижератора:

Р_рифр=К_р(?Р_тепл+ ?Р_кз), Вт

23. Приведенные затраты на криотрансформатор:

К=К _ти+К _пров+К_ст +К_см +К_рифр , руб

где К_см =К _ти+ К _провт +К_рифр - стоимость строительно-монтажных работ;

, руб

где Т - время работы оборудования, Т=4500ч.;

С_п - стоимость 1 кВт·ч электроэнергии (задается энергосистемой).

З=(Е+Р_отч)·К+С_э , руб.

где Е - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, Е=0,15;

Р_отч - норма отчислений на амортизацию и обслуживания оборудования, Р_отч =0,08;

При расчете криотрансформатора допущены следующие неточности:

1. Расчет криотрансформатора проводится по методике расчета обычного силового трансформатора.

2. Не принимается во внимание наличие регулировочных обмоток трансформатора.

6.3 Определение технико-экономических показателей

криопровода

1. Сечение жилы криопровода, если не учитывать поверхностный эффект и явления близости, определяется по формуле:

, м²

где , А

д - плотность тока, А/мм²

2. Характерные размеры криопровода см.рис.6.1:

- диаметр жилы

, м

- толщина электроизоляции:

D₂=2,9·D₃, м

, м

- сечение обратного канала набирается равным активному сечению прямого канала криокабеля:

, м

D₅=D₄+2·M, м

где M - толщина теплоизоляции, м

3. Потери активной мощности в линии длиной l метров:

?P₁=3·K· в·I²/F, Вт

где К - коэффициент учета потерь в электроизоляции, К=1,1.

4. Теплоприток через стенки криопровода:

, Вт

5. Мощность рефрижератора:

P₃=K_p·(?P₁+ ?P₂), Вт

6. Стоимость проводникового и электроизоляционного материалов:

N₁=3K^l·С_пр· г_пров· F · l, руб.

где K^l - коэффициент учета стоимости электроизоляции, K^l=1,1-1,2 (принят ориентировочно).

7. Стоимость теплоизоляции:

N₂=0,25р·С_ТИ· г_ТИ·l·(D₅²-D₄²), руб.

8. Стоимость рефрижератора:

N₃=K_у·(?P₁+ ?P₂), руб.

9. Приведенные затраты на криопровода длиной l метров:

Z=(E+P_отч)·(N₁+N₂+N₃+N₄)+(?P₁+?P₃)·T·С_п , руб.

где N₄= N₁+ N₂ -стоимость строительных монтажных работ, руб.

При расчете криолинии необходимо проверять токопровод по допустимому падению давления жидкости в прямом и обратном каналах.

Потери на трение в трубах определяются по формуле Дарси-Вейсбаха:

, Па

где л - коэффициент трения;

д_ка -плотность криоагента кг/м³;

V - скорость потока, м/с;

L_ц - длина циркуляции, м;

d_э - эквивалентный диаметр трубы, м

где - секундный расход жидкости в криокабеле, кг/с;

- суммарные потери в кабеле.

,

, м

где F_к - сечение канала, м²

П_к - периметр канала, м

Допустимые значения ?Р и ?Т принимаются.

6.4 Анализ полученных результатов. Выбор

оптимальных вариантов криооборудования

Результаты расчетов представлены в табличной и графической формах.

В таблице 6.2 показаны затраты на криорезистивные линии с разными видами теплоизоляции. Как видно из этой таблицы, эффективности аэрогелевой и вакуумно-порошковой теплоизоляций при охлаждении жидким азотом мало отличаются друг от друга, тогда как при охлаждении жидким водородом затраты на линию с вакуумно-порошковой суперизоляцией более чем в 1,5 раза меньше затрат на токопровод с аэрогелевой изоляцией. Из этой же таблицы видно, что затраты на линию, охлаждаемую жидким азотом, превышают (почти в 2,5 раза) затраты на криоводородную линию. Затраты на криотрансформатор, охлаждаемый жидким азотом, также больше затрат на криоводородный трансформатор. Поэтому, в дальнейших расчетах рассматривались только вакуумно-порошковая суперизоляция и охлаждение жидким водородом.

Таблица 6.2 - Сравнение криопроводов с разными видами

теплоизоляции

Мощность	Криоагент	Материал жил	д, А/мм2	?ти , м	З лин, руб. (l=1 Ом)	Вид теплоизоляции
32	N2	MO	2.5	0,17	741120	А
32	N2	A995	2.5	0,17	823680	Э
8	N2	MO	2.5	0,17	296880	Р
8	N2	A995	2.5	0,17	327060	О
32	H2	MO	5	0,17	487080	Г
32	H2	A995	12	0,17	316320	Е
8	H2	MO	5	0,17	248700	Л
8	H2	A995	12	0,17	179100	Ъ
32	N2	MO	2.5	0,021	752460	В п с а о у к р п у о е у ш р м к и н о з о в о - а л я я ц ия
32	N2	A995	2.5	0,021	826500
8	N2	MO	2.5	0,021	282960
8	N2	A995	2.5	0,021	310020
32	H2	MO	5	0,021	337680
32	H2	A995	10	0,021	194700
8	H2	MO	5	0,021	136080
8	H2	A995	10	0,021	81960

Выбор оптимальной плотности тока в жилах токопровода и обмотках трансформатора осуществлен по результатам расчетов, приведенных в таблице 6.3 и представленных на рис. 6.3, 6.4 в виде зависимостей удельных затрат на криопровод и криотрансформатор от плотности тока, при различных значениях мощности трансформатора. Анализ этих зависимостей показывает, что при плотности тока в жилах криотокопровода д = 9 А/мм² удельные затраты на криолинии становятся минимальными. Оптимальная плотность тока в обмотках криотрансформатора д= 5 А/мм² отличается от оптимальной плотности в жилах криопровода. Это связано с тем, что с увеличением плотности тока (более 5 А/мм²) затраты на материалы криотрансформатора уменьшается меньше, чем увеличиваются потери мощности в обмотках, а значит и мощность рефрижератора.

Из таблицы 6.3 также можно определить варианты криотрансформатора и криотокопровода с минимальными приведенными затратами.

Так при мощности трансформатора S = 32 МВА криотрансформатор с водородным охлаждением, с жилами из алюминия А995 и вакуумно-порошковой суперизоляцией (?_ти = 1,6 см) при плотности тока в обмотках д = 5 А/мм² является оптимальным вариантом трансформатора (З = 697440 руб.), а вариантом криолинии с минимальными затратами является токопровод с водородным охлаждением, с алюминиевыми жилами с вакуумно-порошковой суперизоляцией (?_ти = 2,1 см) при д = 9 А/мм² и длине l = 60 м (З = 1160520 руб.).

Таблица 6.3 - Зависимость затрат на криооборудование от плотности

тока

S, МВА/U, кВ	Криоагент	Материал жил	Д, А/мм2	Зтр., руб	Зуд. тр., руб/МВА	Злин., руб(l=60)	Зуд.л. руб/МВАМ
1	2	3	4	5	6	7	8
32/35	N2	MO	1	1388940	-	4667760	-
32/35	N2	MO	3	1458540	-	4514760	-
32/35	N2	MO	5	1861920	-	6209760	-
32/35	N2	A995	1	1200180	-	5453640	-
32/35	N2	A995	3	1447200	-	4959120	-
32/35	N2	A995	5	1905360	-	6695220	-
8/10	N2	MO	1	471420	-	1772760	-
8/10	N2	MO	3	480240	-	1697640	-
8/10	N2	MO	5	614820	-	2311320	-
8/10	N2	A995	1	407220	-	2060040	-
8/10	N2	A995	3	493200	-	1860060	-
8/10	N2	A995	5	660720	-	2488800	-
32/35	H2	MO	1	1219260	-	3999360	-
32/35	H2	MO	3	900900	-	2065200	-
32/35	H2	MO	5	929700	-	2025960	-
32/35	H2	MO	7	1001040	-	2264160	-
32/35	H2	A995	1	960000	27420	4548420	2370
32/35	H2	A995	3	717840	20520	1799220	936
32/35	H2	A995	5	697440	19920	1327560	690
32/35	H2	A995	7	704400	20100	1187940	618
32/35	H2	A995	9	720060	20580	1160520	600
32/35	H2	A995	11	-	-	1184700	618
8/10	H2	A995	1	415980	-	1584360	-
8/10	H2	A995	3	291120	-	841920	-
8/10	H2	A995	5	298800	-	816660	-
8/10	H2	A995	7	-	-	897900	-
8/10	H2	A995	1	321000	40140	1785120	3720
8/10	H2	A995	3	225480	28200	744660	1548
8/10	H2	A995	5	217260	27180	561360	1170
8/10	H2	A995	7	219600	27480	504480	1050
8/10	H2	A995	9	-	-	490740	1020
8/10	H2	A995	11	-	-	496860	1038
32/110	H2	A995	1	960960	-	-	-
32/110	H2	A995	3	718680	-	-	-
32/110	H2	A995	5	698220	-	-	-
32/110	H2	A995	7	705180	-	-	-
63/35	H2	A995	1	1668420	26460	86973420	2298
63/35	H2	A995	3	1280100	20340	3368700	888
63/35	H2	A995	5	1246200	19800	2465940	654
63/35	H2	A995	7	1256160	19920	2204820	582
63/35	H2	A995	9	-	-	2159700	570
63/35	H2	A995	11	-	-	2213520	576
15/10	H2	A995	1	1666680	35280	3186660	3540
15/10	H2	A995	3	1278600	25080	1281120	1422
15/10	H2	A995	5	1664640	24240	951360	1056
15/10	H2	A995	7	1254660	24480	852180	948
15/10	H2	A995	9	-	-	831180	924
15/10	H2	A995	11	-	-	-	-
63/110	H2	A995	1	1666680	-	-	-
63/110	H2	A995	3	1458540	-	-	-
63/110	H2	A995	5	1278600	-	-	-
63/110	H2	A995	7	1664640	-	16913760	2256
125/35	H2	A995	1	1254660	24240	6460560	858
125/35	H2	A995	3	3033360	18780	4706160	624
125/35	H2	A995	5	2349000	18300	4207620	558
125/35	H2	A995	7	2286660	18420	4130760	552
125/35	H2	A995	9	-	-	4246620	3450
125/35	H2	A995	11	-	-	4964880	1356
24/10	H2	A995	1	743220	30960	1957200	1002
24/10	H2	A995	3	546240	22740	1442160	2256
24/10	H2	A995	5	528540	22020	16913760	858

Рис. 6.3 - Зависимости удельных затрат на криолинии от плотности тока

1. – S= 8 МВА

2. – S= 15 МВА

3. – S= 24 МВА

4. – S= 32 МВА

5. – S= 63 МВА

6. – S= 125 МВА

Рис. 6.4 - Зависимости удельных затрат на криотрансформаторы

разной мощности от плотности тока

1. – S= 8 МВА

2. – S= 15 МВА

3. – S= 24 МВА

4. – S= 32 МВА

5. – S= 63 МВА

6. – S= 125 МВА

Зависимость затрат на криопровод от длины последних представлена в таблице 6.4. Затраты на криолинии прямо пропорциональны их длине. С увеличением мощности, передаваемой по токопроводу, уменьшаются удельные затраты от 1024.8 руб./(МВА·м) до 556,2 руб./(МВА·м).

Таблица 6.4 - Зависимость затрат на криолинии от длины линии

Мощность, МВА	Криоагент	Материал жил	l, м	Злин, руб	Зуд, руб/(МВА·м)
32	Н2	А995	10	194700	608,4
32	Н2	А995	40	778800	608,4
32	Н2	А995	70	1362720	608,4
8	Н2	А995	10	82020	1024,8
8	Н2	А995	40	328020	1024,8
8	Н2	А995	70	574080	1024,8
63	Н2	А995	10	363000	576
63	Н2	А995	40	1452000	576
63	Н2	А995	70	2540880	576
15	Н2	А995	10	139260	928,2
15	Н2	А995	40	556980	928,2
15	Н2	А995	70	974580	928,2
125	Н2	А995	10	695280	556,2
125	Н2	А995	40	2781180	556,2
125	Н2	А995	70	4867080	556,2
24	Н2	А995	10	211560	881,4
24	Н2	А995	40	846360	881,4
24	Н2	А995	70	1481100	881,4

Снизить затраты на криооборудование, охлаждаемое жидким азотом, возможно при увеличении эффективности работы и уменьшение удельной стоимости рефрижераторных установок. Последнее условие может быть выполнено, так как на металлургических предприятиях имеются установки для получения жидкого кислорода, в которых побочным продуктом является жидкий азот. Поэтому в таблице 6.5 приведены результаты определения затрат на криооборудование при различных значениях коэффициентов К_р и К_у. криорезистивный вариант питания дуговых печей при К_р=1 Вт/Вт и К_у=60 руб/Вт будет конкурентоспособен с существующей схемой питания печей при длине криопровода l?30 м, что более чем в 2 раза меньше оптимальной длины при водопроводном охлаждении.

Поэтому, в настоящее время и в ближайшим будущем (пока не появляются очень дешевые рефрижераторы) водородное охлаждение более эффективно, чем охлаждении жидким азотом.

Таблица 6.5 - Зависимость затрат от К_р и К_у.

Тип оборудования	Ку, руб/Вт	Кр, руб/Вт	Зтр, руб	Злин, руб
1	2	3	4	5
мощность	1	1	837480	21140340
оборудования	1	2	862200	2265540
32 МВА;	1	3	886920	2416740
охлаждение	1	4	911580	2568000
жидким	1	5	936300	2719140
азотом;	1	6	961020	2870340
материал	1	7	985680	3022140
обмоток	1	8	1010400	3172740
трансформатора	2,1	1	959460	2766060
А995;	2	2	984180	2917260
материал	2	3	1008900	3068460
жил	2	4	1033620	3219660
криолинии	2,5	5	1057980	3370860
медь	2	6	1083000	3522000
МО	2	7	1107720	3673200
	2,8	8	1132440	3824400
мощность	1	1	296340	795060
оборудования	1	2	304500	851100
8 МВА;	1	3	312660	907140
охлаждение	1	4	320820	963120
жидким	1	5	329040	1019160
азотом;	1	6	337200	1075200
материал	1	7	345360	1131180
обмоток	1	8	353520	1187220
трансформатора	2	1	336660	1036560
медь	2	2	344820	1092540
МО	2	3	353040	1148580
материал	2	4	361200	1204620
жил	2	5	369360	1260660
криолинии	2	6	377520	1316640
медь	2	7	385680	1372680
МО	2	8	393840	1428720

6.5 Определение приведенных затрат на базовые

варианты

Как отмечалось выше, в качестве базовых вариантов рассматриваются системы питания печей плавки и печей выдержки линейного завода одного из крупных производственных объединений.

Так как в заводе установлены дуговые печи импортного производства и используются электропечные трансформаторы с мощностями 7,5 и 35 МВА, то к рассмотрению принимаются отечественные электропечные трансформаторы с примерно такими же мощностями.

Для питания печей плавки используется электропечные трансформаторы типа ЭТЦН-52000/35. Для печей выдержки применяются трансформаторы типа ЭТЦПК-12500/10. Основные параметры трансформаторов приведены в таблице 6.6.

Таблица 6.6 - Паспортные данные печных трансформаторов

Тип трансформатора	?Рхх, кВт	?Ркз, кВт	Uкз, %	ixx, %	Стоимость трансф-ра тыс. руб.
ЭТЦН-52000	18	75	14	0,6	852
ЭТЦПК-12500	48	214	8	2,8	4260

Схема соединений вторичного токопровода дуговой печи показана на рис.

Конструкция шихтованного участка «короткой» сети печи плавки представлена на рис.

В качестве проводников используется медные полосы размерами 305х5 мм. Число проводников на полос - фазу - 16. Общая длина полос - фазы шихтованного токопровода - 5 метров.

Конструкция шихтованного участка «короткой» сети печи плавки представлена на рис. 6.7.

В качестве проводников используется медные полосы размерами 254х5 мм. Число проводников на полос - фазу - 16. Общая длина полос - фазы шихтованного токопровода - 12,2 метра.

Ниже в качестве примера показан порядок определения приведенных затрат на участок «короткой» сети и на электропечной трансформатор печи выдержки.

Исходные данные к расчету участка «короткой» сети:

- длина полос - фазы l_ф = 12,2 м;

- сечение полос - фазы F_ф = 11430 мм²;

- стоимость электроэнергии C_э = 0,9 коп./кВт·ч;

- время работы оборудования T = 4500 ч;

- удельная стоимость проводникового материала (медь МО)

C_пр=66 руб./кг;

- плотность меди г_пр=8900 кг/м³;

Так как стоимость шихтованного токопровода неизвестна, ее определяем приближенно по затратам на проводниковый, электроизоляционный материал и на строительно-монтажные работы:

К=1,15·К_пров+К_см=2·1,15·К_пров=2,3·К_пров=1134912, руб.

где К_пров - стоимость проводникового материала;

 1,15 - коэффициент учитывающий стоимость электроизоляционного материала;

К_см - затраты на строительно-монтажные работы;

К_пров=С_пр· г_пр·V_пр=493440, руб.

где V_пр- объем проводникового материала, м³;

V_пр=6·F·l=6·11430·l0^-6·12,=0,84, м³

Стоимость потерянной электроэнергии:

С_п=С_э·T·?P=72456, руб.

где ?P - потери активной мощности в токопроводе, Вт:

?P=6·I²·R=6·I²·с·l/F=29814, Вт

где I - фазный ток провода, А;

R - сопротивление полос - фазы токопровода, Ом;

с - удельное сопротивление меди при температуре

T=348⁰К; с =0,22·10^-7 Ом·м;

6 - количество полос - фаз токопровода.

Приведенные затраты на шихтовый токопровод:

З₁=(Е+Р_отч)·К+С_п=299460, руб.

где Е - нормативный коэффициент эффективности капвложений, Е=0,15;

Р_отч - норма отчислений на амортизацию и обслуживание оборудования, Р_отч=0,08.

При определении затрат на криотрансформатор учитывались только стоимость активной части трансформатора и охлаждающей системы. Поэтому, величина капитальных вложений в электропечной трансформатор содержит только стоимость активной части трансформатора и стоимость трансформаторного масла (здесь не учитывается затраты на всю масляно-водородную систему охлаждения трансформатора).

Так, при полной стоимости трансформатора ЭТЦПК-12500/10 равный 14,2 тыс. рублей, стоимость активной части составит К _акт.ч.=8,35 тыс. рублей.

Стоимость электроэнергии, потерянной трансформатором:

С_п=С_э·T·?Pґ=367902, руб.

где ?Pґ - потери в трансформаторе, кВт;

?Pґ=?Р_хх+?Р_кз+К_ип·(i_xx+U_кз)·S_эпт/100=18+75+0,05·(0,6+14)·8000/100=151,4, кВт

Приведенные затраты на электропечной трансформатор:

З₂=(Е+Р_отч)·(К_акт.ч+К_м)+С_П=485142 , руб.

Суммарные затраты на участок «короткой» сети и трансформатор печи выдержки:

З_У=З₁+З₂=299460+485142=784602 , руб.

Аналогично определяются затраты на оборудование печи плавки.

Из результатов, полученных при выборе оптимальных вариантов криооборудования, видно, что с увеличением мощности трансформаторов уменьшаются удельные затраты на оборудование. Поэтому, рассмотрены варианты с электропечными трансформаторами мощностями по 15; 24; 63; 125 МВА.

В качестве шихтованных токопроводов этих печей приняты конструкции аналогичные выше рассмотренным. Сечение проводников выбраны исходя из плотности тока равной 1,5 А/мм².

6.6 Анализ способов электроснабжения дуговых

печей

В таблице 6.7 представлены значения длин криопроводов, при которых затраты на базовый и криорезистивный варианты питания дуговых печей совпадают между собой, откуда следует, что электропечной криотрансформатор может быть удален от дуговой печи мощностью 32 МВА на расстояние до 61 метра.

Таблица 6.7 - Технико-экономическое сравнение вариантов питания

дуговых печей

Мощность трансформатора МВА	Затраты на базовый вариант Зб.в, руб.	Длина криопровода при Зб.в=Зк.в, м	Затраты на криовариант Зк.в, руб. (l=30 м)	Экономия от нового способа ?З=Зб.в -Зк.в,
8	784560	69	462600	321960
15	1471140	80	778920	692220
24	2353800	87	1159080	1194720
32	1893300	61	1286760	606540
63	3727440	69	2326020	1395420
125	7395780	74	4351980	3043800

Однако, при сооружении криотрансформаторной подстанции (общей для нескольких печей) на расстоянии, например, 30 метров от дуговых печей затраты на криорезистивный способ питания дуговых печей затраты будут меньше затрат на базовый вариант.

Экономия от внедрения нового способа питания дуговых печей может составить для одной печи от 30 до 300 тысяч рублей в год в зависимости от мощности печного трансформатора.

Приведенные технико-экономические расчеты и анализ полученных результатов позволяют сделать следующие выводы:

1. Наименьший экономический эффект от внедрения криорезистивного способа питания дуговых печей может быть получен при применении в качестве проводникового материала - алюминия высокой частоты А995, в качестве криогента - жидкого водорода, в качестве теплоизоляции - вакуумно-порошковый суперизоляция.

2. При плотности тока в жилах криотокопровода д=9 А/мм² и плотности тока в обмотках криотрансформатора д=5 А/мм², приведенные затраты на криооборудование имеют минимальные значения.

3. С увеличением мощности электропечных трансформаторов уменьшаются удельные затраты на криооборудование. Это позволяет добиться большого экономического эффекта от применения мощных дуговых печей с криогенным оборудованием.

4. Применение криогенного печного трансформатора и криорезистивного токопровода «короткой» сети дуговой печи может дать значительный эффект из-за снижения потерь электроэнергии. Кроме того, в этом случаи возможен дополнительный экономический эффект от увеличения производительности печей за счет сэкономленной энергии и от освобождения дорогостоящей производственной площади при установке печных криотрансформаторов за пределами цеха.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При использовании криоохлаждения систем электроснабжения металлургических предприятий, где имеются установки для получения жидкого кислорода, в которых побочным: продуктом является жидкий азот, могут быть значительно снижены затраты на рефрижераторные установки и следует ожидать более значительного экономического эффекта при том же питающем напряжении.

Расчеты показывают, что эффективным путем снижения приведенных затрат является повышение питающего напряжения, что вполне осуществимо, так как уровень напряжения современных генераторов достигает (30-33) кВ. В этом случае наименьшие приведенные затраты получаются при экономической плотности тока J=(0.75-1) А/мм² для алюминия А995 и J=0.5 А/мм² для алюминия марки АЕ, но пропускная мощность при использовании чистого алюминия А995 будет выше, что, в конечном счете, приведет к повышению производительности ЭТУ и снижению удельного расхода электроэнергии. Так для литейного завода КАМАЗа при питании по ЖАК с жилами из алюминия АЕ экономия электроэнергии составит 8.5Ч10⁶ кВч/год. Это дает возможность получить дополнительно 1417 тонн чугуна.

Кроме того, фонд рабочего времени на металлургических предприятиях значительно больше, чем на машиностроительных, а это ведет к увеличению потерь электроэнергии при обычном исполнении схем электроснабжения этих предприятий. Использование же криорезистивных. линий электропередач снизит потери электроэнергии и даст, следовательно, больший экономический эффект. Поэтому в дальнейшем целесообразно провести подробный технико-экономический анализ систем электроснабжения металлургических предприятий в обычном исполнении и с использованием КРК на разных уровнях напряжения и различной удаленности источников питания от потребителей.

Использование глубокого охлаждения особенно эффективно для сильноточных электрических цепей, где потери электроэнергии в элементах цепей составляют (3-7)% и более от потребляемой энергии. С этой точки зрения проведем анализ потерь электроэнергии в обмотках печных трансформаторов мощностью 35 МВА на разных уровнях охлаждения.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Электрическая прочность исследованных марок конденсаторной бумаги и пленок при охлаждении жидким азотом повышается как при плавном, так и при кратковременном воздействии напряжения.

2. Воздействие термоудара приводит к снижению электрической прочности конденсаторной бумаги и пленок, хотя при этом электрическая прочность при Т = 77⁰К все же остается выше, чем при Т = 298⁰К.

3. Для конденсаторных бумаг типа МКОН при охлаждении жидким азотом tg д в диапазоне частот 500-1000 Гц снижается примерно в два раза, а диэлектрическая проницаемость примерно на 10%.

4. Из опыта короткого замыкания следует, что активное сопротивление обмоток уменьшается у трансформатора с коэффициентом трансформации К_тр=10 в 2,1 раза, а для трансформатора с К_тр=1 в 6,5 раз, в то время как реактивное сопротивление уменьшилось незначительно.

5. Коэффициент мощности у трансформатора с К_тр=10 при изменении температуры практически не меняется, а у трансформатора с К_тр=1 уменьшился в 2,3 раза.

6. Как показывают результаты экспериментальных исследований при охлаждении жидким азотом обмоток возможна перегрузка по току в 3 раза у трансформатора с К_тр=10 и в 3,5-4 раза у трансформатора с К_тр=1.

7. В результате теоретических исследований показана возможность оптимизации геометрических размеров коаксиального токопровода с целью уменьшения потерь электрической энергии.

8. На основе исследования технико-экономических показателей криорезистивного силового электрооборудования дуговых печей можно сделать вывод о целесообразности его разработки для групп печей с трансформаторами не менее 30 МВА и для одиночных печей с трансформаторами мощностью не менее 60-80 МВА.