Оптимізація параметрів вторинного струмопідвода електротехнічного комплексу дугової печі за параметричним критерієм якості

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Галько Сергій Віталійович

УДК 621.036.6:669.187.2.036

Оптимізація параметрів вторинного струмопідвода

електротехнічного комплексу дугової печі

за параметричним критерієм якості

05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент

Труфанов Іван Дмитрович

Запорізький національний технічний університет, доцент кафедри електропривода і автоматизації промислових установок

Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор

Лозинський Орест Юліанович

Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри електропривода і автоматизації промислових установок

кандидат технічних наук, доцент

Есауленко Володимир Олександрович,

Донецький національний технічний університет,

професор кафедри електромеханіки і теоретичних основ електротехніки

Провідна установа ВАТ “Український науково-дослідний інститут силової електроніки “Перетворювач”, Міністерства промислової політики України, науково-технічний відділ, м. Запоріжжя

Захист відбудеться “ _20_ ” __червня___ 2002 р. о _1315_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.052.02 Донецького національного технічного університету (ДонНТУ) за адресою: Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1 навчальний корпус, к.201.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ДонНТУ за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2 навчальний корпус.

Автореферат розісланий “ 15 ” травня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 11.052.02,

к.т.н., доц. Ларін А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні методологічні і математичні методи оптимізації параметрів енерготехнологічного обладнання дугових печей характеризуються: істотним дефіцитом апріорної інформації про досліджувані процеси у вторинному струмопідводі; некоректністю використання відомих методів параметричної ідентифікації при обробці експериментальної інформації; практичною відсутністю регуляризуючих формальних методів згортки різних критеріїв оцінки якості роботи в єдиний інтегральний критерій при розробці безвитратних і низьковитратних заходів щодо реалізації високодинамічних технологічних процесів електросталеплавління з низькими показниками енергоспоживання; важкопереборними методичними й обчислювальними факторами при побудові математичних моделей оптимального керування технологічним процесом за вектором енергозбереження; практичною відсутністю системо- і схемотехнічного забезпечення процесів енергозбереження засобами контролю технологічних режимів, що не руйнують, плавлення металів і сплавів на локальному рівні (на рівні плавильного агрегату).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до наукового напрямку кафедри “Електропривод і автоматизація промислових установок” Запорізького національного технічного університету в рамках темплану Міністерства освіти України, яка затверджена 28.05.1996 г. “Розробка нових методів управління складними динамічними системами і технологічними процесами” (номер держреєстрації теми 0194U015564).

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження - підвищення енергетичної ефективності електротехнічного кола вторинного струмопідвода теплотехнічного тракту дугової сталеплавильної печі (ДСП) на рівні “короткої мережі” електропічного трансформатора, де основним функціональним елементом є електродна система.

Задачі дослідження:

Математично описати електричне коло вторинного струмопідвода дугової печі в функції несиметричних і нелінійних режимів навантаження.

Розробити методику оцінки динамічної стійкості електропічного трансформатора з нестаціонарним нелінійним навантаженням ДСП.

Дослідити експлуатаційну ефективність ніпельного з'єднання електродної “свічі” і його вплив на теплотехнічний тракт печі.

Розробити і експериментально дослідити пристрій оперативного контролю якості ніпельного з'єднання електродної “свічі”.

Об'єкт дослідження - процеси оптимізації вторинного струмопідвода як засіб підвищення якості динамічного функціонування електротехнічного тракту дугової печі.

Предмет дослідження - системи електротехнологічного обладнання потужних дугових печей, де виконавчим функціональним комплексом електрообладнання є вторинний струмопідвід електропічного трансформаторно-перетворювального агрегату.

Методи досліджень - використовуються сучасні методи нелінійної і мінімаксної ідентифікації динамічних об'єктів: стратегія пошуку оптимальних рішень Вальда, критерій максимального ризику Севіджа з розподілом рішень пріоритету за В. Блюмбергом і В. Глущенко; методи диференціального аналізу несиметричних нелінійних багатофазних електричних магнітнозв'язаних кіл; методи матричного аналізу теорії автоматичного регулювання на базі матриць Ганкеля і Безу та формальні методи запропонованого нами математичного алгоритму опису функціями динамічних ККД у формі інтегралів ймовірності з аргументами у виді поліноміальних рядів Бесселя 1-го і 2-го роду, виражених через параметри критеріальних чисел Фур'є, Біо, Кірпічова, Прєдводітєлєва; частотні методи аналізу теорії автоматичного регулювання на базі алгоритмів синтезу рекурсивних дискретних фільтрів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

вперше запропонований алгоритм багатокритеріальної оптимізації параметрів вторинного кола пічного трансформатора в змінних параметрах інтеграції і диференціації структурного, динамічного і регуляційних факторів у функції параметричного критерію якості вторинного струмопідвода на базі розробленої динамічної матричної моделі енергетичної і технологічної ефективності функціонування електродної “свічі”, яка відрізняється можливістю дослідження параметрів зазначених систем у динамічному режимі в порівнянні зі статичними моделями;

вперше отримана “решітчаста” модель вторинного струмопідвода у функції нестаціонарного несиметричного багатофазного навантаження, на базі якої можливе створення системи керування режимами печі на основі моделі-спостерігача;

досліджена поведінка енерготехнологічного і теплотехнічного тракту дугової печі в функції динамічних ККД і показано можливість керування ним в функції якості ніпельного з'єднання при неповній спостережливості координат системи.

вперше формалізована в лінеаризованому вигляді математична модель амплітудної і фазової несиметрії вторинної електромагнітної системи електротехнічного тракту дугової печі, що відрізняється можливістю оцінки електричних втрат у ніпельному з'єднанні у змінних еліптичних функцій Якобі і Вейєрштрасса в динамічному режимі;

розроблена нова системо- і схемотехнічна структури вимірювальної системи об'ємного типу для контролю якості ніпельного з'єднання у функції параметрів анізотропії і текстури електродної маси “свічі”, з використанням відомого електропотенціального методу визначення дефектів у провідних матеріалах, що відрізняється можливістю виконання в переносному варіанті.

Практичне значення отриманих результатів полягає в:

Розробці алгоритмічної структури сенсорно-регулюючої підсистеми вимірювача якості ніпельного з'єднання електродної “свічі” як рекурсивного дискретного фільтра.

Створенні функціональної, структурної і принципової схем вимірювача якості ніпельного з'єднання об'ємного типу, в якому тестуючим сигналом є змінний струм промислової частоти варіанта, що носиться, впровадження якого дозволяє знизити: інтегральні витрати електродів Ш300-400 мм, у середньому, на 83-87 г/1000 Агод роботи електродної “свічі” під струмовим навантаженням; питомі витрати електроенергії на розплавлювання твердої завалки, у середньому, на 2,5-3,5 кВтгод/т “придатного”; ненормоване навуглецьовування розплаву ванни на 2,5%; експлуатаційні поломки електродної “свічі” на 26%.

Розробці методики оцінки місцевого перегріву в ніпельному з'єднанні електродної “свічі” за рахунок впливу ступеня асиметрії анізотропії циліндричних ділянок “свічі”.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень обговорювалися на: Міжнародній науково-технічній конференції “Плазмотехнология-97” (м. Запоріжжя, 1997 р.), 3-й Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці і електроенергетиці” (м. Львів, 1999 р.), 8-й Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” (м. Алушта, Крим, 2000 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України” (м. Харків, 2000 р.), Науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Запорізького державного технічного університету в 1997, 1998, 1999 р.р., наукових семінарах кафедри “Електропривод і автоматизація промислових установок” Запорізького державного технічного університету в 1997, 1998, 1999 р.р.

Публікації. Основні положення і результати дисертації опубліковані в 9 наукових роботах, із них: 5- в наукових журналах, 2 - в збірниках наукових праць, 2 - наукових вісниках; тезах доповіді на науково-технічній конференції і патенті на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури з 111 найменувань, у тому числі 9 на іноземній мові і 5 додатків. Робота викладена на 165 сторінках машинописного тексту, включає 22 таблиці, 75 рисунків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображене загальне становище і значення сталеплавління для гірничо-металургійного комплексу та енергетичної ситуації в умовах розвинутої ринкової економіки України, обґрунтована актуальність роботи, дана коротка характеристика, її новизна і практична цінність для металургійного виробництва, сформульовані мета і задачі досліджень.

У першому розділі проводиться оцінка впливу різноманітних енерготехнологічних параметрів на якість роботи вторинного струмопідвода дугових печей змінного (ДСП) і постійного (ДСППС) струму. Однією з причин недостатньо ефективної роботи електропечей є незадовільна якість функціонування електродної системи в процесі її роботи. Основним перетворювальним елементом теплотехнічного тракту ДСП і ДСППС є електродна “свіча”, яка складається з графітованих електродів. Витрата електродів є значною статтею витрат і складає близько 16% вартості 1т електросталі.

На витратні характеристики електродів впливає безліч факторів, зв'язаних з коливаннями технологічного режиму (час плавки і знеструмлення печі, довжина конуса окислювання, сила струму і т.п.) і обумовлених нестаціонарністю стохастичних параметрів електросталеплавління. Для аналітичного визначення витрат електродів використовуються моделі на основі рівняння бічної витрати Ф. Шибера і торцевої витрати Баумана:

, (1)

де D - діаметр електрода, dке- діаметр кінця електрода, lк- довжина конуса окислювання, Vок- середня питома швидкість окислювання, tп- час плавки, Iф- фазний струм, Дt=tв-tп - час знеструмлення, tв- час від випуску до випуску.

Змінюючи Iф, lк, tп, Дt, Vок можна одержати різні витратні показники з корекцією теплової моделі процесу. Аналіз витратних характеристик електродів показав, що загальна витрата електродів на ДСП складає 5-8 кг/т, а ДСППС - 1,77-2,56 кг/т при цьому вона розподіляється по окремих статтях у співвідношеннях, %: бічна витрата -55-75; розпилення в дузі - 15-25; недогарки і уламки - 10-20, при цьому близько 70 % загальної витрати приходиться на період розплавлювання.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геометрична точність оброблених поверхонь електродів впливає на контактний електричний опір RК. На рис 1. наведена залежність RК у функції зусилля притиснення елементів ніпельного з'єднання F і тиску у у місці з'єднання. Відомо, що зменшення RК на 1 Ом?мм2/м скорочує питомі втрати електродів на 4-12% і втрати електроенергії на 30 кВт?год/т. Дані параметри повинні бути враховані при аналізі витратних характеристик електродів і в моделі (1). Дослідження практичного досвіду показує, що застосування моделі (1) виправдано у випадку експертних оцінок при проектуванні печей. При відомих значеннях Iф, D, dке, lк, tп, Дt, tв, Vок можливо, з точністю до 95% (за критерієм Стьюдента), визначити загальні втрати електродів, якщо дисперсія струму не більше 10%.

Сукупність факторів, що впливають, на витрати електродів, представимо як:

D={tп, Дt, tв, dе, dке, Iф, Nc, Qп}, (2)

де dе- діаметр електрода; Nc={Nt, Ns, Nд} - сумарна витрата електродів; Nд - динамічна витрата, обумовлена тепловою і гідродинамічною нестійкістю процесу горіння дуги; Qп - продуктивність печі.

На першому етапі формується підмножина еталонів Dl Dе, Dе Dнг (Dнг - підмножина “негірших” крапок). Потім з Dнг формується підмножина раціональних варіантів Slj за допомогою методу попарних порівнянь. В результаті проведеного аналізу витратних характеристик розроблена матрична модель енергетичної і технологічної ефективності функціонування електродної системи у функціях параметрів енергообладнання, технології, конструкційних матеріалів електродних секцій і ніпелів, основних і альтернативних енергетичних ресурсів, електротехнологічних режимів електроплавлення металів і сплавів, яка приведена в табл.1.

Таблиця 1

Матриця енергетичної і технологічної ефективності функціонування

електродної системи ДСП

Енергетичний матеріал

Електрод

Електротехнічний параметр

в1/Ki

в1

в2

в3

в4

в5

в6

в7

в8

9

Роки

Вугілля

ЕГОО

Кіп

K0

M92

M93

M94

M95

M96

M97

M98

M99

8

Енергообладнання

Мазут

ЕГО

д,%

K1

M82

M83

M84

M85

M86

M87

M88

M89

7

Технологія

Природний газ

ЕГООА

mp

K2

M72

M73

M74

M75

M76

M77

M78

M79

6

Конструкційні матеріали

Кисень

ЕГОА

cos ц

K3

M62

M63

M64

M65

M66

M67

M68

M69

5

Конструкції

Продукти шлакоутворення

ЕГА

Кгс

K4

M52

M53

M54

M55

M56

M57

M58

M59

4

Робочі параметри

Продукти відновлення

ЕГ

ДU, СКВ

K5

M42

M43

M44

M45

M46

M47

M48

M49

3

Функції виробу

Продукти окислювання

ПЗ

ДU,%

K6

M32

M33

M34

M35

M36

M37

M38

M39

2

Завод, фірма

Шихтові матеріали

Кб

Кнс U

K7

M22

M23

M24

M25

M26

M27

M28

M29

1

Країна-виробник

Електроенергія

Охл

Kнс I

K8

M12

M13

M14

M15

M16

M17

M18

M19

Матриця приведена стосовно до вітчизняних електродів марок ЕГОО, ЕГООА, ЕГО, ЕГОА, ЕГ, ЕГА Ш 300, 400, 500, 555 мм, а також закордонних із захисним покриттям (ПЗ) Ш 508 мм, комбінованих (Кб) Ш 457 мм, водоохолоджувальних (Охл) Ш 600 мм. Коефіцієнти Корг, Кфр, Кіс, Кфв представлені у вигляді множини коефіцієнтів динамічного функціонування “короткої мережі”, куди складовою частиною входить “свіча”. Вони виражені підматрицями з елементів: Корг={Кіп, mp}; Кфр={Кгс}; Кіс={,%; cos}; Кфв={U,%; U, СКВ; КнсU; КнсI}, що мають наступні значення: Кнс U, КнсI - коефіцієнти несинусоїдності напруги і струму; U - відхилення напруги від директивних норм; U, СКВ - середньоквадратичне відхилення напруги від директивних норм; Кгс i - коефіцієнт гармонійних складових i - их гармонік; cos - коефіцієнт потужності; mp - математичне очікування активних втрат у тракті “електродотримач - електрод - “дзеркало” ванни”; , % - дисперсія потужності теплових втрат у тракті “трубошини - електродотримач - електрод - “дзеркало” ванни”; Кіп - коефіцієнт оціночних показників зміни якості динамічного функціонування ДСП за кожним параметром.

За критерієм Вальда приймається стратегія пошуку оптимальних рішень по економії електродів, що забезпечує максимальне значення критерію збереження:

W=maxi min aij, (3)

де aij- максимальне можливе значення економії електродів по i-ій стратегії економії при j-ому стані конструктивно-технологічного рішення комплексу технічних засобів (КТЗ) електросталеплавильного агрегату.

Якщо рішення приймається в умовах невизначеності станів технологічної системи і КТЗ використовуємо критерій Севіджа, за яким вибирається рішення, що забезпечує мінімальне значення максимального ризику з усіх можливих рішень:

Ws=min max rij=min max (max aij aij), (4)

де rij - мінімальне значення i-го максимального ризику при реалізації j-ої ситуації (рішення).

Виходячи з вищевикладеного маємо:

;; Kj {1,0}; i = 1, …, m; j = 1, …, N...(5)

Так як по деяких параметрах задані обмеження, то модель (5) приймає вид:

=1;Ki {1,0};i =1,…,m; j = 1,…,N;K=1,…,г;l =1,…,n. (6)

Рішення (5) проводиться з урахуванням обмежень на параметри (6) у вигляді моделі булевого програмування: opt (Z=вi1Ki) при умовах:

Ki {1,0}; i =1,…, m; j = 1,…, n; K = 1,…, r; {R1,…, Rj,…, Rn-1}= {?, ?}. (7)

Таким чином, оптимізація параметрів системи (табл. 1.) проводиться на основі перетворення багатокритеріальної задачі (5) в однокритеріальну (7) .

В другому розділі отримана узагальнена математична модель вторинного струмопідвода ДСП, яка виражена через повний вектор стану електричного кола, де у вторинну обмотку трансформатора включені: “коротка” гнучка мережа на базі водоохолоджувальних кабелів МКЕ-500, рухливі башмаки “короткої” мережі, трубошини, електродотримачі, електродна “свіча”, кількість секцій якої є змінним і складає від 1 до 5-6. Зв'язок між струмами і напругами кожної фази трансформатора в першому наближенні визначається системою диференціальних рівнянь (без обліку ємнісної складової імпедансу ЕПТ):

(8)

де індекси 1 і 2 відносяться до первинної і вторинної обмоток трансформатора; L, M - коефіцієнти само- і взаємоіндукції; u1(t), u2(t)- напруги на обмотках 1, 2.

Оцінка впливу імпедансів первинної і вторинної обмоток на амплітудно-фазочастотні параметри струмів вторинного струмопідвода проводиться за рівнянням:

z11I1 + z12I2 = u1; z21I1 + z22I2 = u2; (9)

де z11= r1 + jx11; z22 = r2 + jx22; z12 = z21 = jxm; x11 = щL1; x22 = щL2; xm = щM.

В ідеалізованому випадку (при рівності усіх взаємоіндукцій) еквівалентна принципова схема триобмоткового ЕПТ, замкненого через “ванну” печі, приведена на рис. 2. З урахуванням згасання вільних складових у вторинних колах величина струму дорівнює:

, (10)

Розглянемо кілька випадків роботи ЕПТ.

а) Режим роботи всіх трьох вторинних фаз (трьох електродів). При цьому результуюча операторна реактивність являє собою коефіцієнт пропорційності між струмом відповідної обмотки і її потокозчепленням з урахуванням магнітнозвя'заних обмоток:

pшd1= pxdid + pxd2 id1+ pxd2 id2+…;

0 = px1did + (r11 + px11) i1+ px12 i2+…;

0 = px2did +px21 i1+(r22 + px22) i2+ …,

(m, n = 1, 2, 3, 4). (11)

Опір zґmn аналогічний zmn, але при первинній обмотці закороченій на реактивність розсіювання, що рівнозначно приєднанню реактивності розсіювання xl паралельно реактивності взаємоіндукції.

Б) При довільному числі включених електродів (для багатоелектродної печі):

(m, n = 1, 2,…, k);Tmn= xmn/rmn; T'mn= x'mn/rmn. (12)

Через нестаціонарність параметрів ніпельних з'єднань в електродній “свічі”, електро- газо- і гідродинамічних процесів горіння електричної дуги навантаження ЕПТ є стохастичним, при цьому гнучкі кабелі, рухливі “башмаки” гірлянди гнучких кабелів, трубошини, контактні “щоки” електродотримачів, ніпельні з'єднання електродних “свіч” мають нестаціонарні значення електричних опорів, що викликає несиметрію навантаження в широкому діапазоні.

На підставі узагальнених моделей розроблені моделі несиметрії ЕПТ з використанням методу симетричних складових, що дозволило розглядати багатофазну несиметричну систему як симетричну. Вихідна електрична схема представляється за допомогою незалежних схем заміщення прямої, зворотної і нульової послідовностей, а несиметрична багатофазна система описується у вигляді системи рівнянь, складених на підставі законів Ома і Кірхгофа у відповідності зі схемами заміщення, що зводиться до визначення невідомих симетричних складових струмів і напруг.

Розглядаючи, стосовно до однієї фази, електричне коло навантаження ЕПТ з ізольованою нейтраллю за умови, що взаємоіндукція між елементами навантаження фаз відсутня (рис. 3), закон Ома при цьому має вигляд:

Iim = (ui - um - Дum + Eim)Yim, (13)

де Eim - ЕРС джерела живлення; Yim - комплексна провідність, що враховує провідності джерела живлення і вторинних обмоток ЕПТ; Дuim - падіння напруги на ділянці продольної несиметрії.

Для симетричних складових струми кіл між вузлами i, m визначаються:

(14)

Для врахування неповнофазних режимів (“дикої” і “мертвої” фази), взаємних зв'язків у продольних несиметричних навантажень і ін., складається решітчаста схема еквівалентного однофазного трансформатора (рис. 4), яка описується рівняннями зв'язку між струмами і напругами щодо затисків наступного вигляду:

(15)

де i, k, p, q -індекси затисків трансформатора; Y(T)- еквівалентна провідність трансформатора; Yim, Ykm, Ypm, Yqm (m=1,2,…,n) - провідності кіл, що з'єднують затиски трансформатора з вузлами мережі; kТ - коефіцієнт трансформації; W1, W2 - приведені числа витків первинної і вторинної обмоток.

На рис. 5 приведені структури решітчастих три фазних ЕПТ із з'єднанням обмоток “зірка-зірка” (рис. 5,а) і “зірка-трикутник” (рис. 5,б). У дисертації приведені співвідношення параметрів системи. При наявності зв'язків між нейтралями і землею в модель додатково вводяться кола і провідності. Далі решітчаста модель доповнюється після точок p, q провідностями YГК, YРБ, YТШ, YЩЕ, YД, YВ, YЕ (рис. 6), де провідності YГК і YТШ (гнучких кабелів і трубошин) приймаються постійними, а YРБ, YЩЕ, YЕ, YД, YВ (рухливих башмаків, “щік” електродотримача, електрода, електричної дуги, ванни) доповнені елементами відповідних провідностей з індексом “м” (Yмрб, Yмще, Yме, Yмд, Yмв). Значимість зазначеного фактора в частині YЕ визначається тим, що оптимізація YЕ, зокрема зменшення електричного опору “свічі” на 10% знижує питомі втрати електроенергії на 30-100 кВт·год/т і електродів на 4-12% на 1 т “придатного”.

Математичне моделювання напружено-деформованого стану в області ніпельного з'єднання проводиться з використанням методу кінцевих елементів. В результаті математичних перетворень отримана залежність моменту скручування електродів з його геометричними параметрами з'єднання (рис. 7), коефіцієнтом тертя і контактним тиском на торцевих поверхнях і в різьбленні:

М = 2рnfpqpH[d12/4+d1nt tgб/2+n2t2 tgб/3]+рfmqm(D3-d23)/12 , (16)

де n - число витків у зачепленні; fp, fт - сила тертя між витками різьблення і торцями електродів; qр, qт - тиск на одиницю поверхні контакту між витками різьблення і торцями електродів.

Умовою максимальної струмопровідністі ніпельного з'єднання, повинно бути q0: min {qp, qт}q0. Необхідне значення моменту скручування електродів для різного діаметра приведене на (рис. 8), при якому досягається найбільша струмопровідність ніпельного з'єднання. Для поверхні контакту, обробленої різцем q0 = 0,7 МПа, шліфуванням і фрезеруванням - 0,5 і 0,6 МПа відповідно.

У третьому розділі запропонована методика оцінки електроенергетичної стійкості ЕПТ у функції параметрів електротехнічного обладнання теплоенергетичного тракту ДСП для визначення припустимих параметрів: коротких замкнень, “диких” і “ледачих” фаз і ін. ЕПТ працює з несиметричним вторинним струмопідводом. З статичних і динамічних режимів стійкості розглядається асинхронний режим, при цьому ЕПТ працює з деяким еквівалентним кутом црэ. Для статичної електромагнітної машини, црэ -р/2 = Дд, рівняння електромагнітної рівноваги має вигляд:

; , (17)

де - неповний еліптичний інтеграл 1-го роду раціональної функції двох змінних (струму і напруги) у вигляді полінома 4-ого ступеня без кратних нулів у нормальній формі Лежандра.

На рис. 9 представлені умови збереження режиму синхронної передачі навантаження при його миттєвому зміненні від Q1 до Q2. Граничне навантаження відповідає рівню прямої 2. Якщо пряма Q2 (д - д0) перетинає криву інтеграла в точці д0, то це відповідає неузгодженості синхронного руху передачі енергії від первинного контуру до вторинного, тому що в цьому випадку не існує іншого кута д2, при якому величина dд/dt == 0. Межа динамічної стійкості передачі енергії відповідає випадку, коли пряма є дотичною до кривої. У цьому випадку д2=дc, тобто співвідношення між кутами д0, д2, дc вказують на ступінь стійкості розглянутого режиму ЕПТ.

Для подальшого аналітичного дослідження застосовується залежність t = f(д) і

R(д)=c(д - д0)(д - д2)(д - дc), ; . (18)

Інтеграл у (18) - залежність часу t від кута д, виражається в еліптичних функціях Якобі.

Для дослідження параметрів оптимальної роботи ЕПТ у функції якості ніпельного з'єднання електродів необхідно виразити поточне значення кута д у функції кутів д0, д1, д2 у вигляді: д = д0+ + (д2 - д0)sn2ф , д0 - кут тракту до накиду навантаження; д1- кут, що відповідає прикладеному навантаженню при Q1=Q2; д2 - максимальний кут коливання; - модуль еліптичних функцій; . При хитливій роботі ЕПТ (виникнення експлуатаційного к.з., “дикої” фази і т.д.): , . При накиду навантаження, що відповідає межі динамічної стійкості (т=1): д = д0 + (д2- - д0)th2ф; . При коливальному навантаженні з великою амплітудою:д = д'1 - (д'1-д0) Ч Ч(cos2ч+b2cos4ч+b3cos6ч+…),, К - повний еліптичний інтеграл першого роду; ; Kґ- повний еліптичний інтеграл для параметра mґ=1-m; bi - амплітуда i-ої гармоніки. При врахуванні нестандартного значення провідності електричної дуги YДЕ = f(YД, YМД ): R(д)=c(д - д0)(д - д2)(д - дc)(д - дd); дd = f(Yд, Yмд ), д дорівнює:

Граничне значення часу tk протягом якого можливий накид навантаження, що не приводить до порушення динамічної стійкості, буде відповідати куту дk і tk знайдеться:

2ф = 2,191;

. (19)

З цього випливає, що будь-яке навантаження Q2 ? Q20 - Q2i може бути прикладене до ЕПТ більш ніж Q20 на час, що не перебільшує tk .

У четвертому розділі проводиться оцінка якості динамічного функціонування електротехнічного тракту вторинного струмопідводу ЕПТ і енергетичної ефективності теплотехнічних процесів перетворення електроенергії в теплоту плавлення металу. Для аналізу теплоенергетичних процесів, решітчаста модель (рис.4) перетворюється до моделі виду (рис. 10), де zf і zИ - відповідно варіативні параметри ніпельних з'єднань “свічі” і електродної дуги. Діапазони зміни варіативних параметрів ніпельних з'єднань і електричної дуги, що є функціями температурного режиму нагрівання, описуються системою: yiнn t=yiнn f1(Tiн; б1н); yiел t=yiел f2(Tiе; б1е); xiнn t=xi0 f1(Tiн; б2н); xiел t=xi0 f2(Tiе;б2е); yiнn t, yiел t , xiнn t, xiел t - координати поточної точки профілю різьблення в нагрітому стані ніпеля й електрода; yiнn, yiел, xi0 - координати поточної точки профілю різьблення в холодному стані: а) - для навантаженої грані : yiнn=yi0 + x ctgг2; б) - для вільної грані yiел=yi1 + x ctgг1 (i - номер витка різьблення; yiнn, yiел, x - координати поточної крапки профілю різьблення; yi0, yi1 - координати крапки початку відповідної сторони витка різьблення; f1(Ti; б1), f2(Ti; б2) - функції, що враховують температуру (Ti) нагрівання відповідного шару, і термічні коефіцієнти лінійного розширення поперек (б1+) і уздовж (б1¦) осі електрода і ніпеля відповідно.

Ефективність динамічного функціонування вторинного струмопідвода як електротехнічного комплексу теплотехнічного тракту оцінюється через відповідні ККД, де параметри теплоенергетичних потоків виражаються через критеріальні числа термодинаміки. На підставі рівняння Фур'є: і граничних умов виду а) T(l,ф)=Tr; б) в) (а - коефіцієнт температуропроводності; - час; - лінійна координата; - коефіцієнт теплопровідності; q- питомий тепловий потік; щ - кількість тепла, що поглинається, в одиницю часу в одиниці об'єму тіла (насипного шару металошихти чи розплаву ванни); с- питома теплоємність; г- щільність; ф - температура в точці з координатою l для моменту часу ф; - оператор Лапласа), отримано вираження ККД, які виражені через критеріальні числа: Bi = бl/л - число Біо ( - коефіцієнт теплопередачі); Fo = бф/l2 - число Фур'є; Ki = ql/л(Tc-T0) - число Кірпічова; Pd = bl2/a - число Прєдводітєлєва для випадку, коли температура є експонентною функцією часу; Pd = bl2/aT0 - число Прєдводітєлєва для випадку, коли температура є лінійною функцією часу. Координата l є аргументом величин qp і qm у вираженні (16), що визначають характер контактного опору ніпельного з'єднання, теплові втрати і, відповідно, електричний і тепловий ККД вторинного струмопідвода. На рис.11. показано відхилення величини електричного ККД (Дзe) від номінального значення необхідного за ГОСТ 13109-87. Крива 1 побудована по динамічним характеристикам вигляду:

а крива 2 -

де: о = x/l - безрозмірна координата; Ke - безрозмірне число, що характеризує відношення акумуляційної здатності шару металошихти до акумуляційної здатності розплаву металу ванни, рівне . Функція exp(-x2)dx - інтеграл ймовірності.

Динаміка теплових втрат в електродній “свічі” описується рівнянням:

(20)

Характер і величина теплових втрат (зміна теплового ККД) електродної “свічі” є функцією величини зазору з'єднаних секцій “свічі” і описуються моделлю вигляду:

.(21)

Залежності побудовані по (21) при о =0 і різних значеннях Bi приведені на рис. 12.

У п'ятому розділі розроблена структура, технічно реалізована, досліджені параметри і робочі характеристики контрольно-вимірювальної системи об'ємного типу для контролю якості з'єднання графітованих електродів. Для розробки структурно-алгоритмічної схеми системи застосовані частотні методи синтезу теорії автоматичного керування. Складний нестаціонарний характер процесу сканування електромагнітним полем анізотропної структури електродів викликає стохастичний характер динамічних перекручувань (ДП). Для компенсації ДП у фазовимірювальній системі розроблені рекурсивні динамічні фільтри (РДФ), що є регуляторами добротності системи. РДФ реалізують операцію зворотної фільтрації. Схема структурно-алгоритмічна інформаційно-вимірювальної системи контролю якості електродів приведена на рис. 13. Z -передавальна функція ланки Wпоп(z) (ланки попередження) на стадії проектування принципової схеми приймалася Wпоп(z) = 1; параметри ланок W1(z), W2(z), W3(z), W4(z), приймалися стосовно до електродів серії ЕГ по ТУ 48-12-41-91 і ТУ 48-12-52-93 і приведені в табл. 2, при цьому дослідження проводилися за умови W2(z)=W4(z) і варіюванні структури (рис. 13). В результаті чого отримано вісім різновидів структур РДФ. Ланки W1(z), W2(z), W3(z), W4(z) прийняті як пропорційні з коефіцієнтом передачі Ki (Wi(z)= Ki).

Таблиця 2

Чисельні значення параметрів системи (рис 13).

Ki, Sg	Номер структури
	1	2	3	4	5	6	7	8
K1 K2 K3	0,17 0,13 0,22 0,087 -0,136 -0,61	0,092 0 0 -0,068 -0,064 -0,066	0,077 1,33 0,002 -0,002 0,01 0,003	0 0 0,72 0,17 -0,13 0,604	0,088 1,08 0 0 -0,16 0,036	0,088 0 0,72 -0,17 1,33 0,056	0,11 1,36 0,76 0,025 0,133 0,056	0,077 1,42 0,73 -0,025 -0,336 0,057

У таблиці 2 позначено: Si - параметрична чутливість ДП.

Для кожної структури РДФ побудовані логарифмічні амплітудні характеристики (ЛАХ) приведені на рис. 14 (номера ЛАХ відповідають номеру структури РДФ). Аналіз ЛАХ показав, що кращими середньочастотними ділянками володіють структури 3 і 8, при цьому частоти зрізу складають відповідно 54,7 і 46,4 Гц, тому до подальшої розробки принципової схеми вимірювача для електродів Ш 300-350 мм прийнята структура 3, а структура 8 - для електродів Ш 500-710 мм.

На базі структурно-алгоритмічної схеми РДФ, що покладена в основу розробки експериментальної підсистеми контролю якості електродної “свічі” у виді вимірювача якості ніпельного з'єднання електродної “свічі”, схема структурно-алгоритмічна якого приведена на рис. 15, визначені параметри операторної передавальної функції регулюючої частини системи контролю. Вимірювач виконаний у виді портативного варіанта, що носиться, і може застосовуватися як на верстатах ручного так і механічного скручування електродів у “свічу”. Розроблений вимірювач об'ємного типу дозволяє робити експериментальні дослідження якості ніпельного з'єднання на базі електропотенціального методу урахування поширення еквіпотенційних ліній у провідних дефектних і бездефектних матеріалах з анізометричними структурними складовими, якими є графітовані електроди. Експериментальні дослідження вимірювача проводилися на дугових печах ВАТ електрометалургійного заводу “Дніпроспецсталь”, м. Запоріжжя, на “свічах” Ш 300 - 400 мм, які складені з електродів марки ЕГ-1.

Інтегральні витрати електродів Ш 300 мм на печі ДСП-6, контроль якості з'єднання в “свічу” яких проводився за допомогою вимірювача, склав, у середньому 83-87 г/1000 Агод роботи електродної “свічі” під струмовим навантаженням. Подібний показник відповідно до вимог ОСТ 48-274-84 складає 103 - 105 г/1000 Агод.

ВИСНОВКИ

В результаті досліджень у дисертації вирішена задача підвищення енергетичної ефективності вторинного струмопідвода ДСП за рахунок поліпшення якості ніпельного з'єднання графітованих електродів і:

1. Вперше отримана матрична модель енергетичної і технологічної ефективності динамічного функціонування електродної “свічі” у змінних параметрах електрообладнання, технології конструкційних матеріалів електродних секцій і ніпелів, основних і альтернативних енергетичних ресурсів і матеріалів, електротехнологічних режимів плавлення металів у ДСП.

2. Проведена розробка комплексного критерію енерготехнологічної оцінки якості динамічного функціонування вторинного струмопідвода ДСП на основі значущих оцінок і факторів нерегламентованої додаткової витрати графітованих електродів на дугових печах.

3. Вперше розроблена функціональна схема ресурсозбереження в змінних параметрах інтеграції і диференціації структурного, динамічного і регуляційних факторів інтегрального критерію енергозбереження у вторинному струмопідводі.

4. Вперше розроблена “решітчаста” модель вторинного електричного кола для встановлення і кількісної оцінки динамічних нелінійних зв'язків між нейтралями, ванною розплаву і “землею” при різному функціональному способі з'єднання обмоток.

5. Розроблені моделі динамічного функціонування електротехнічного тракту дугової печі у функції мінімуму електричних втрат у ніпельних з'єднаннях електродної “свічі” з урахуванням нестаціонарного значення провідності електричної дуги в перемінних еліптичних функцій Якобі і Вєйєрштрасса.

6. Знайдена структура лінейно-комбінаційних рівнянь регресії, придатних для розробки системо- і схемотехнічної структури вимірювальної системи для контролю якості ніпельного з'єднання в функції анізотропії і текстури електродної маси, яка працює на змінному струмі промислової частоти.

7. Отримані оцінки ефективності динамічного функціонування вторинного струмопідвода як елемента теплотехнічного тракту функціями динамічних ККД, аргументами яких є критеріальні числа Фур'є, Біо, Кірпічова, Прєдводітєлєва.

8. Розроблені функціональна і структурно-алгоритмічна дискретна схеми вимірювача якості ніпельного з'єднання об'ємного типу і фізично реалізований дослідно-експериментальний зразок такого вимірювача, що пройшов лабораторні і виробничі іспити в умовах діючого електросталеплавильного агрегату.

9. Дослідно-експериментальними дослідженнями підтверджена працездатність розробленого вимірювача якості ніпельного з'єднання електродної “свічі” в умовах діючого електросталеплавильного виробництва і адекватність розроблених математичних алгоритмів і моделей реальним умовам динамічного функціонування вторинної електротехнологічної системи дугових печей.

10. Впровадженням розробленого вимірювача вдалося досягти зниження: а) питомої втрати електроенергії на розплавлювання твердої завалки в середньому на 2,5-3,5 кВт·год/т; б) ненормованого навуглерожування ванни на 2,5%; в) експлуатаційних поломок електродної “свічі” на 26%; г) можливості “розкриття” стику.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

струмопідвод піч дугова оптимізація

1. Труфанов И.Д., Галько С.В., Годецкий Е.В., Шаблий М.Ф. Разработка модели качества соединения графитированных электродов дуговых печей // Придніпровський науковий вісник: Технічні науки.- Дніпропетровськ: Наука і освіта, 1998.-№36(103).- С.50-53.

2. Труфанов И.Д., Галько С.В. Динамика низкотемпературной плазмы электрической дуги и разработка модели расхода графитированных электродов ДСП // Плазмотехнология-97: Сб. научных трудов. - Запорожье: ЗГТУ, 1997. - С. 207-210.

3. Труфанов И.Д. Галько С.В., Безкровный М.Г. Статика и динамика электромагнитного взаимодействия проводников “короткой сети” дуговых металлургических печей // Придніпровський науковий вісник: Машинобудування.-Дніпропетровськ: Наука і освіта, 1997.-№32(43). - С. 32-38.

4. Галько С.В. Экспериментальные исследования измерителя объемного типа качества соединения графитированных электродов // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства / Питання електрифікації сільського господарства.-Вип.3.-Харків: ХДТУСГ, 2000.-С. 50-55.

5. Андрияс И.А., Пачколин Ю.Э., Галько С.В. Методика экспертного управления электросталеплавлением на основе интегрального критерия энергосбережения // Вестник Харьковского государственного политехнического университета.- Вып. 113.- Харьков: ХГПУ, 2000.-С. 304-310.

6. Галько С. В., Труфанов И. Д. Разработка математической модели многокритериальной оптимизации параметров экономии графитированных электродов // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - Запоріжжя: ЗДТУ, 1999.- №1- С. 87 - 91.

7. Галько С.В. Анализ повышения точности оценки интегрального качества графитированных электродов // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - Запоріжжя: ЗДТУ, 1999.-№2 - С. 89 - 93.

8. Галько С.В. Синтез системи аналізу і обчислення показників якості графітованих електродів дугових сталеплавильних печей // Праці Таврійської державної агротехнічної академії.- Вип.1.- Т11. - Мелітополь: ТДАТА, 1999.- С.80-83.

9. Труфанов И.Д., Галько С.В., Богданова Л.Ф. Оптимизация параметров регуляризирующих алгоритмов оценки качества электродной системы дуговых металлургических печей // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні.- Запоріжжя: ЗДТУ, 2000.- №2- С. 76-83.

10. Деклараційний патент України №37487 А. Україна, МКИ G 01 R31/02, G 01 N27/02, G01 F13/00, H 05 B7/085. Вимірювач об'ємного типу якості ніпельного з'єднання графітованих електродів/ С.В. Галько, І.Д. Труфанов, Є.В. Годецький.-20с., іл.; вид. 15.05.01.

11. Труфанов И., Галько С., Пирожок А. Математическое моделирование энергосбережения в электросталеплавлении // Тези доповідей 3-ї Міжнародної наук.-техн. конф. “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці”.- Львів: ДУ “Львівська політехніка”.-1999.- С. 269-270.

АНОТАЦІЯ

Галько С.В. Оптимізація параметрів вторинного струмопідвода електротехнічного комплексу дугової печі за параметричним критерієм якості.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи.-Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2002.

Дисертація присвячена питанням оптимізації параметрів вторинного струмопідвода дугової печі, де основним елементом якості роботи є електродна “свіча”. Містить результати теоретичних та експериментальних досліджень зміни параметрів вторинного струмопідводу при експлуатаційних нестаціонарних режимах роботи печі. Встановлено, що ніпельне з'єднання є основним фактором впливу на якість динамічного функціонування вторинного електротехнічного тракту печі. Запропоновано для діагностування якості з'єднання використовувати динамічні амплітудні і фазові характеристики електродів, що дозволяють оцінити анізотропію, якість кристалографії, порушення морфології та ін. показники. Для діагностування цих показників розроблені структури вимірювальних систем і експериментальний зразок вимірювача якості ніпельного з'єднання об'ємного типу.

Ключові слова: дугова піч, вторинний струмопідвід, графітований електрод, електродна “свіча”, якість з'єднання, вимірювач.

АННОТАЦИЯ

Галько С.В. Оптимизация параметров вторичного токоподвода электротехнического комплекса дуговой печи по параметрическому критерию качества.- Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы.-Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2002.

Диссертация посвящена вопросам оптимизации параметров вторичного токоподвода дуговой печи, где основным элементом влияющим на качество его работы является электродная “свеча”. Содержит результаты теоретических исследований изменения параметров вторичного токоподвода дуговой печи при эксплуатационных нестационарных режимах работы плавления металлов с учетом стохастически анормальных и неполнофазных режимов работы печи. Произведена оценка влияния этих параметров на качество динамического функционирования вторичного токоподвода с учётом эксплуатационных воздействий (эксплуатационных к.з., возникновения “дикой” и “мертвой” фазы и др.) и условий номинального режима работы. Установлено, что основным фактором влияющим на качество динамического функционирования вторичного электротехнического тракта, является фактор качественного ниппельного соединения графитированных электродов в “свечу”, в конечном итоге от которого зависит качество выходного продукта (металла). Предложено в качестве диагностических параметров, характеризующих качество графитированных электродов и их соединение, использовать динамические амплитудные и фазовые характеристики, позволяющие оценить анизотропию, качество кристаллографии, нарушение морфологии и др. показатели качества электродов. Обосновано, что качество соединения электродов в “свечу” определяется максимальной топопроводностью в месте их соединения, что обеспечивает минимальные потери энергии в соединении и получено условие максимальной токопроводности с использованием параметрического критерия, в функции момента свинчивания. Получены параметры оценки уровня местного перегрева в ниппельном соединении электродной “свечи” за счет воздействия степени динамической анизотропии цилиндрических участков “свечи”, влияющих на длительность ее работы. Разработана структура линейно-комбинированных уравнений регрессии в переменных нестационарных эксплуатационно-технологических факторов вариации контактного омического сопротивления электродной “cвечи” в функциях деформации профиля контактной поверхности ниппельного соединения и момента свинчивания. Предложена ”решетчатая” модель электрической цепи вторичного токоподвода, позволяющая учесть вариативность параметров всех элементов электрической цепи дуговой печи, на базе которой получены модели нестационарных процессов изменения переходного электрического сопротивления электродной “свечи” и алгоритмы вычисления аргументов эллиптических функций параметров вторичной цепи электропечного агрегата, где аргументами являются текущие значения напряжений ступеней РПН или ПБВ, интегрального контактного сопротивления ниппельного соединения, параметры температурного режима. Доказано, что достаточным информативным показателем, по которому можно судить о качестве ниппельного соединения в производственных условиях, является полное переходное контактное сопротивление, определенное в месте соединения.

Для диагностирования вышеназванных показателей разработаны системо- и схемотехнической структуры измерительной системы качества ниппельного соединения, анизотропии и текстуры электродной массы на переменном токе промышленной частоты, на базе которых разработаны функциональная и структурно-алгоритмическая дискретная схемы измерителя качества ниппельного соединения объемного типа и физически реализован опытно-экспериментальный образец такого измерителя, прошедшего лабораторные и производственные испытания в условиях действующего электростале-плавильного агрегата.

Проведенные исследования по контролю качества ниппельного соединения в процессе эксплуатации позволили установить, что при превышении переходного контактного сопротивления в ниппельном соединении более чем в 10 раз сопротивления цельного электрода, происходит поломка “свечи” при первом же касании ее о шихту, а при превышении более чем в 5 раз - происходит разогрев ниппельного соединения, что в конечном итоге приводит к поломке “свечи” из-за выгорания витков резьбы, которая разрушается за счет местных перегревов.

Выполненные экспериментальные и производственные исследования подтвердили предположения о том, что о качестве соединения необходимо судить по полному электрическому сопротивлению и показали, с одной стороны, хорошую сходимость теоретических выкладок с практическими результатами, а, с другой стороны - повышение эксплуатационной надёжности электродной “свечи” и улучшение культуры труда электротехнического персонала.

Ключевые слова: дуговая печь, вторичный токоподвод, графитированный электрод, электродная “свеча”, качество соединения, измеритель.

ANNOTATION

Galko S.V. Optimisation of arguments of the secondary current lead of an electrotechnical complex of an arc furnace by parametric criterion quality.- Manuscript.

Thesis on deriving of a scientific degree of the candidate of engineering science behind a speciality 05.09.03 - electrotechnical complexes and systems.-Donetsk nationale technical university, Donetsk, 2002.

The thesis is dedicated by a problem of optimisation of arguments of the secondary current lead of an arc furnace, where the key element of quality of its operation is electrode "gas bleeder". Contains results of theoretical and experimental researches of variation of arguments of the secondary current lead at operation non-steady furnace conditions. Is established, that the sleeve connection is by a pacing factor influencing on quality of dynamic operation of a secondary electrotechnical path of the oven. The junction is offered for diagnosing quality to use dynamic amplitude and phase characteristics of electrodes, which one enable to estimate an anisotropy, quality of a crystallography, violation of morphology etc. indexes. For diagnosing these indexes the structures of measuring systems and experimental sample of a meter of quality of a sleeve connection of a volumetric type are designed.

Keywords: an arc furnace, secondary current lead, grafites an electrode, electrode "gas bleeder", quality of junction, meter.

Размещено на Allbest.ru