Энергосберегающие режимы работы электротехнического комплекса линия разливки металла – дуговая сталеплавильная печь

На правах рукописи

ШАСТИН Павел Анатольевич

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА «ЛИНИя РАЗЛИВКИ

МЕТАЛЛА – ДУГОВАЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ»

Специальность 05.09.03 – "Электротехнические комплексы и системы"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара – 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Салтыков Валентин Михайлович

ГОУ ВПО «Самарский государственный

технический университет», г. Самара

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Кузнецов Анатолий Викторович

ГОУ ВПО «Ульяновский государственный

технический университет», г. Ульяновск

кандидат технических наук, доцент

Соснина Елена Николаевна

ГОУ ВПО «Нижегородский государственный

технический университет», г. Нижний Новгород

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный

технический университет»

Защита состоится "7" сентября 2010 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет" (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, ауд. 4.

С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке СамГТУ, а с авторефератом диссертации на официальном сайте: http://postgrad.samgtu.ru

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, СамГТУ, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00; E-mail: [email protected].

Автореферат разослан "___"______2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета, к.т.н., доцент Е.А. Кротков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энергосбережение является составной частью политики государства по повышению эффективности экономики страны в целом.

Энергосберегающие мероприятия можно условно разделить на две группы: технические мероприятия, позволяющие снижать энергопотребление за счет изменения устройства или комплектности технологических установок; организационные мероприятия, позволяющие снижать энергопотребление за счет изменения режимов работы технологического оборудования. Максимальный энергосберегающий эффект достигается при внедрении как технических так и организационных мероприятий.

Внедрение организационных мероприятий, как правило, не требует капитальных затрат, что позволяет получать экономическую выгоду непосредственно после их внедрения, а не по истечению срока окупаемости капитальных затрат на технические мероприятия. Следовательно, внедрение энергосберегающих мероприятий целесообразно начинать с организационных с последующим внедрением технических, финансируемых за счет экономии средств, полученных после внедрения организационных мероприятий. Это обосновывает актуальность выбранного направления исследования по разработке энергосберегающих режимов, как организационных энергосберегающих мероприятий.

В качестве объекта исследования для разработки энергосберегающих режимов при выпуске заданного объема продукции, отличного от номинального, был выбран электротехнический комплекс «Линия разливки металла – дуговая сталеплавильная печь» (ЭТК ЛРМ-ДСП).

Краткое описание объекта исследования. ЭТК ЛРМ-ДСП состоит из основного элемента – линии разливки металла (ЛРМ), выпускающего отливки различного назначения, и вспомогательного элемента – дуговой сталеплавильной печи (ДСП), обеспечивающего ЛРМ жидким металлом. В исследовании рассматривается ЛРМ с опочным формованием, а также ДСП малой и средней емкости и производительности.

Целью исследования является повышение энергоэффективности электротехнического комплекса «линия разливки металла – дуговая сталеплавильная печь» за счет регулирования режимных параметров.

В соответствии с заявленной целью поставлены и решены следующие задачи исследования.

Задачи исследования

1. Разработать математическую модель электропотребления линии разливки металла (ЛРМ) на основе анализа расходов электроэнергии ее технологическими элементами (ТЭ) при регулировании ее режимных параметров и объема выпускаемой продукции;
2. Выполнить анализ влияния основных производственных факторов ЛРМ, отражающие номенклатуру выпускаемой продукции с целью оценки их влияние на параметры электропотребления ТЭ ЛРМ;
3. Выполнить исследование вероятностных характеристик случайного графика электрической нагрузки ЛРМ;
4. Разработать математическую модель расходов электроэнергии плавок металла в ДСП на основе выбора рациональных режимов электропотребления и продолжительности простоев;
5. Разработать энергосберегающие режимы работы электротехнического комплекса «ЛРМ-ДСП» на основе анализа влияния режимных параметров ЛРМ и ДСП на электропотребление комплекса с учетом заданного объема продукции.

Основные методы научных исследований. При выполнении работы использовались основные положения математической статистики и теории случайных процессов, методы корреляционно-регрессионного анализа, методы расчета электрических и рабочих характеристик ДСП, методы оптимизации, алгоритмы математического моделирования с использованием ЭВМ на основе экспериментальных данных, полученных на действующих ЛРМ и ДСП промышленных предприятий. и др.

Научная новизна

1. Разработана модель электропотребления ЛРМ на основе проведенного анализа графиков активной мощности технологических элементов (ТЭ) действующей ЛРМ при регулировании ее режимных параметров и объема выпускаемой продукции;
2. Выполнен регрессионный анализ влияния основных производственных факторов ЛРМ, отражающих номенклатуру выпускаемой продукции, на параметры электропотребления ТЭ ЛРМ;
3. Получены вероятностные характеристики суммарного ГЭН действующей ЛРМ в виде закона распределения активной мощности, ее коэффициента вариации, нормированной автокорреляционной функции;
4. Разработана модель электропотребления ДСП за плавку металла при регулировании ее продолжительности на основе выбора рациональных режимов электропотребления и продолжительности простоев;
5. Разработаны энергосберегающие режимы работы ЭТК ЛРМ-ДСП на основе анализа влияния режимных параметров ЛРМ и ДСП на электропотребление комплекса с учетом заданного объема продукции.

Практическая полезность

1. Разработанные математические модели ЛРМ и ДСП, уравнения регрессии производственных факторов целесообразно использовать для планирования электропотребления литейного производства;

2. Предложенные рациональные режимы работы ЭТК ЛРМ-ДСП целесообразно использовать для определения обоснованной энергетической себестоимости выпускаемой продукции;

3. Вероятностные характеристики ГЭН технологических элементов ЛРМ, а также коэффициенты использования их установленной мощности целесообразно использовать для проектирования системы электроснабжения литейных цехов.

Результаты диссертационной работы рекомендованы к внедрению в практику нормирования электропотребления металлургического производства ОАО «АвтоВАЗ», в практику проектирования систем электроснабжения проектного управления ОАО «АвтоВАЗ». Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» СамГТУ при чтении спецкурса «Электроснабжение» - «Энергосберегающие технологии в проектировании систем электроснабжения».

Результаты работы были внедрены на действующем ЭТК ЛРМ-ДСП чугунно-литейного корпуса ОАО «АвтоВАЗ», получена существенная экономия электроэнергии 6,5%, что подтверждается соответствующим актом.

Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, модельных исследований, и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчета и экспериментальных данных.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на металлургическом производстве ОАО "АвтоВАЗ", г. Тольятти, в учебном процессе кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет».

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Модель электропотребления ЛРМ, основанная на суммировании расходов электроэнергии ее технологически связанных элементов при регулировании объема выпуска продукции и основного режимного параметра – продолжительности цикла работы ЛРМ;
2. Уравнения регрессии основных производственных факторов, отражающие влияние номенклатуры выпускаемой продукции на активную мощность охладителя залитых форм, гидростанции и на время работы в цикле смесителя;
3. Вероятностные характеристики суммарного ГЭН действующей ЛРМ в виде нормального закона распределения активной мощности, низкого коэффициент вариации, экспоненциально-косинусный вида НКФ;
4. Модель расхода электроэнергии ДСП за плавку на основе выбора рационального режима расплавления металла в пределах граничных режимов максимальной производительности и минимального удельного расхода электроэнергии и рациональной продолжительности простоя при регулировании основного режимного параметра - продолжительности плавки;
5. Энергосберегающие режимы работы ЭТК ЛРМ-ДСП: максимальной производительности, равномерный, комбинированный, отражающие разнонаправленное изменение электропотребления ЛРМ и ДСП при регулировании режимных параметров ЛРМ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и были одобрены на IX международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими» (г. Новочеркасск, 2009), на VIII международной молодежной научно - технической конференции «Будущее технической науки» (г. Нижний Новгород, 2009); на III научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии" (г. Тольятти, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 5 - в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ [1-5].

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка, используемой литературы, приложения и содержит 136 страниц основного текста, включая 29 рисунков. Список литературы включает 106 наименований. Общий объем работы 145 страниц машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность исследования, сформулированы цель и задачи исследования. Показана научная новизна и практическая ценность, приводятся основные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе было обосновано исследование линии разливки металла (ЛРМ) и дуговой сталеплавильной печи (ДСП) как электротехнический комплекс (ЭТК); обоснована целесообразность использования методов исследования электропотребления.

Современное массовое литейное производство выпускает широкую номенклатуру продукции. Изготовление форм для заливки металла, а также заливка металла в формы осуществляются в ЛРМ. Объем сменного задания по выпуску литых заготовок определяет потребность в металле, которая должна быть покрыта со стороны ДСП. Кроме того, производительность ЛРМ и продолжительность ее работы в течение смены при выпуске заданного объема продукции может различаться. При этом, как будет показано ниже, изменяется электропотребление как в самой ЛРМ, так и в ДСП. Следовательно, изменение электропотребления ЛРМ при изменении ее режима работы ведет к изменению электропотребления ДСП. Это обосновывает исследование ЛРМ и ДСП как электротехнический комплекс. Приведенные особенности ЭТК ЛРМ-ДСП отражены в следующей математической модели.

Рис. 1 Модель электропотребления электротехнического комплекса

«линия разливки металла – дуговая сталеплавильная печь»

В представленной модели обозначения означают следующее: ПО – печь ожидания; РЦ – активная мощность ЛРМ в течение цикла, ТЦ - продолжительность цикла, ТР, ТП – продолжительность работы и простоя ЛРМ в течение смены, mД – масса одной отливки, МЗАВ – масса завалки металла в ДСП, NПЛ – количество плавок ДСП за смену, ТПЛ – продолжительность плавки, РДСП, GДСП, WУД.ДСП – активная мощность, производительность, удельный расход электроэнергии ДСП, WЛРМ, WДСП – расход электроэнергии в ЛРМ и ДСП, SКЗ – мощность короткого замыкания на шинах питания ДСП; UИСХ – напряжение на шинах питания ДСП до подключения ДСП.

Таким образом, регулированием режимных параметров: производительности ЛРМ и продолжительности ее работы можно определить режим работы ЭТК, в котором достигается допустимый минимум расхода электроэнергии при выпуске заданного объема продукции.

(1)

На основе анализа работ отечественных ученых Божко В.М., Вагина Г.Я., Жежеленко И.В., Каялова Г.М., Кудрина Б.И., Куренного Э.Г., Степанова В.П., и др. была определена целесообразность использования методов исследования электропотребления, в частности вероятностно-статистического, корреляционно-регрессионного.

Анализ литературных источников показал, что при описании электропотребления технологической установки получило распространение статистическое моделирование, основанное на методах корреляционно-регрессионного анализа воздействующих и результирующего факторов. Адекватность такой модели определяется в основном репрезентативностью собранной статистической информации и ее однородностью. На действующем производстве получить репрезентативную однородную выборку для каждой технологической установки в достаточно широких пределах изменения воздействующих факторов довольно сложно. Поэтому в работе была обоснована необходимость разработки модели электропотребления ЛРМ, основанную на структурно-функциональном анализе, с использованием вероятностно-статистического метода при определении электропотребления отдельных элементов ЛРМ. Применение метода корреляционно-регрессионного анализа было признано целесообразным при определении связи воздействующих факторов, не связанных с объемом выпускаемой продукции и режимными параметрами работы ЛРМ, на следующие электрические параметры: потребляемую ЛРМ мощность и продолжительность выполнения технологических операций отдельных элементов ЛРМ.

Анализ работ отечественных ученых Данилушкина А.И., Зимина Л.С., Маркова Н.А., Минеева Р.В., Михеева А.П., Рыжнева Ю.Л., Салтыкова В.М., Свенчанского А.Д., Смоляренко В.Д. и др., посвященных исследованию электропотребления ДСП, показал, что определение электрических и технологических характеристик ДСП целесообразно проводить с учетом влияния на них системы электроснабжения (СЭС). Основное внимание в данных работах уделяется совершенствованию определения электрических характеристик ДСП, а также анализу простоев ДСП в процессе плавки. В данных работах главными причинами возникновения простоев называют плохую организацию технологического процесса и отказ соответствующего оборудования. В работе будет показано, что применительно к литейному производству определяющей причиной возникновения простоев ДСП в течение плавки является режим работы ЛРМ.

Во второй главе была разработана модель электропотребления линии разливки металла (ЛРМ).

Основными воздействующими факторами на электропотребление ЛРМ являются активная мощность входящих в нее электроприемников, время их работы и заданный объем выпускаемой продукции. Поэтому при разработке модели электропотребления ЛРМ основное внимание было уделено именно этим факторам.

Структурно ЛРМ можно рассматривать как совокупность технологически связанных элементов (ТЭ): охладителя залитых форм (ОЗФ), смесителя (СМ), гидростанции (ГС), формовочно-заливочной (ФЗМ), выбивной машин (ВМ), группы ленточных конвейеров (ЛК).

Каждый технологический элемент характеризуется своим энергопотреблением (рис. 2). Несмотря на то, что ФЗМ и ВМ работают на гидроприводах (рФЗМ, рВМ), единственным видом энергии, поступающей к ЛРМ из вне, является электроэнергия (WОЗФ, WСМ, WГС, WЛК).

Рис. 2. Модель электропотребления линии разливки металла

Для исследования электропотребления ЛРМ были записаны одиночные графики электрической нагрузки (ГЭН) электроприемников ЛРМ-125 и групповые ГЭН технологических элементов ЛРМ-125. Запись реализаций ГЭН проводилась цифровыми токовыми клещами типа TES-3063 c паспортной погрешностью 1% с минимальным возможным интервалом осреднения – 1 сек. Длительность реализаций ГЭН составила более 20 циклов работы технологического оборудования.

Анализ полученных графиков выявил следующие особенности электропотребления ТЭ ЛРМ.

Электропотребление электроприемников (ЭП) ЛРМ имеет явный цикличный характер. Для удобства его описания были введены следующие обозначения: Тi.ТО, Тi.ХХ – соответственно, продолжительность выполнения технологических операций (ТО) в цикле и продолжительность холостого хода (ХХ); Рi.ТО, Рi.ХХ – соответственно, активная мощность i-го ЭП во время Тi.ТО и Тi.ХХ.

На основе анализа вероятностных характеристик: среднего значения, среднего квадратичного отклонения, коэффициента вариации (таблица №1) было определено, что параметр Рi.ТО всех ЭП, кроме гидростанции, и параметр Рi.ХХ всех ЭП допустимо считать постоянными, ввиду малого коэффициента вариации.

Таблица №1

Вероятностные характеристики активной мощности

электроприемников линии разливки металла

№	Технологический элемент	РТО.СР кВт	ТО.СР кВт	VТО, %	РХХ.СР кВт	ХХ.СР кВт	VХХ, %	КИ.ТО	КИ.ХХ
1	Охладитель	862	6,5	0,75	-	-	-	0,91	-
2	Смеситель	221,8	1,2	0,52	98,8	0,32	0,34	0,71	0,31
3	Гидростанция	107,8	5	4,6	30,2	0,2	0,68	0,43	0,14
4	ЛК	20,8	0,4	1,92	12,3	0,2	1,53	0,6	0,3

Параметр Тi.ТО для всех ЭП можно считать величиной постоянной, т.к. границы его изменения, как показал анализ ГЭН, составляют 1-3% от паспортного значения. Исключением может служить лишь смеситель, где параметр Тi.ТО зависит от состава выпускаемой смеси.

Параметр Тi.ХХ зависит от продолжительности цикла работы ТЭ Тi.Ц. В свою очередь, продолжительность цикла работы отдельного ТЭ зависит от заданной производительности ЛРМ GЛРМ.

Количество циклов отдельного ТЭ Ni.Ц определяется параметром Ni.УД.Ц, отражающим количество циклов i-го ЭП, необходимых для выпуска единицы продукции ЛРМ, а также заданным объемом производства продукции ЛРМ NД.

Выражение для расчета расхода электроэнергии в ЛРМ в компактной форме можно записать в следующем виде.

, (2)

ГЭН гидростанции (рис. 3), имеет довольно сложный профиль. При максимальной производительности он был разбит на 112 интервалов длительностью 30 сек, что соответствует длительности цикла ФЗМ – основного потребителя гидростанции. Для каждого интервала была определена средняя мощность, которую можно принять за параметр РГС.ТО.

Рис. 3 График нагрузки гидростанции при макс. производительности ЛРМ-125

Коэффициент вариации параметра РГС.ТО довольно высок – 4,6%, что соответствует границам его изменения 96…120 кВт. Но вклад гидростанции в суммарное электропотребление ЛРМ при ее максимальной производительности составляет около 9% (рис. 4), поэтому принятие параметра РГС.ТО за постоянную величину не внесет существенной погрешности в расчетное значение электропотребления ЛРМ.

Рис. 4 Структура электропотребления линии разливки металла: 1. – охладитель залитых форм; 2. – смеситель; 3. – гидростанция; 4.- группа ленточных конвейеров

Для исследования влияния номенклатуры изделий на электропотребление ЛРМ в литейном производстве ОАО «АвтоВАЗ» были выделены соответствующие фиксируемые технологические параметры для ОЗФ, смесителя и гидростанции, зафиксирована средняя активная мощность в течение смены для ОЗФ и гидростанции, количество циклов в течение смены для смесителя при разной номенклатуре выпуска продукции и максимальной производительности ЛРМ. Построены соответствующие многофакторные уравнения регрессии.

(3)

где tМЕ - температура заливаемого в формы металла; tОВ и ВОВ - температура и влажность окружающего воздуха; МЗАВ - масса завалки компонентов смеси; a - соотношение связующих компонентов смеси и наполнителя; ММЕ – количество металла, заливаемого в формы в единицу времени; GЛРМ – производительность ЛРМ.

Для выделенных факторов была построена матрица коэффициентов корреляции; проверена их значимость по t-критерию Стьюдента; коэффициенты корреляции между независимыми факторами ниже среднего 0,11-0,64; между зависимым и независимыми – высокий 0,82-0,94. Значимость коэффициентов уравнения регрессии, а также коэффициентов корреляции были проверены по t-критерию Стьюдента. Качество уравнений регрессии оценивалось по коэффициентам детерминации: 0,93; 0,78; 0,90 и среднеквадратичной погрешности 0,6; 2,7; 2,1%.

С целью дополнения известной справочно-информационной базы, обеспечивающей практическую реализацию вероятностного метода моделирования пиков и впадин ГЭН при выборе элементов СЭС, предложенного профессором Степановым В.П., был исследован суммарный ГЭН ЛРМ (рис. 5).

Рис. 5. Суммарный ГЭН ЛРМ и его гистограмма

Для полученного суммарного ГЭН были определены его вероятностные характеристики: нормальный закон распределения (рис.5), среднее значение РСР.ЛРМ=1283 кВт, среднее квадратичное отклонение Р.ЛРМ=17,3 кВт, коэффициенты вариации VР.ЛРМ=1,4%, асимметрии А=-0,11, эксцесса Е=0,51, формы КФ=1,015, использования КИ.ЛРМ=0,74. Достоверность закона распределения определялась по критерию согласия Пирсона 2 = 0,33.

Нормированная автокорреляционная функция (НКФ) суммарного ГЭН ЛРМ (рис.6) имеет экспоненциально-косинусный вид со следующими параметрами.

(4)

В работе определены коэффициенты использования номинальной мощности технологических элементов ЛРМ (таблица №1) для использования при проектировании СЭС.

Рис. 6. НКФ суммарного ГЭН ЛРМ

Третья глава посвящена физическому моделированию электропотребления ДСП за плавку на основе электрических характеристик ДСП, энергетических связей этапов плавки и технологических связей ДСП с ЛРМ.

Исследование технологии выплавки металла на действующих ДСП массовых литейных производств показало, что металл производится порциями – плавками. Объем загрузки шихты в печь, как правило, постоянен. Плавка состоит из нескольких характерных этапов: расплавления, окисления, восстановления, подогрева, простоя.

На рис. 7 изображена модель электропотребления плавки ДСП для литейного производства, в которой этапы плавки характеризуются параметрами, влияющими на электропотребление ДСП.

Рис. 7. Модель электропотребления плавки ДСП в литейном производстве

В представленной модели отражена главная особенность организации выплавки металла в ДСП литейного производства: регулирование продолжительности плавки осуществляется на этапах расплавления шихты и простоя. Регулирование продолжительности плавки на этапах окисления, восстановления, слива, загрузки может повлиять на качество выплавляемого металла, поэтому в разработанной модели данные параметры были приняты постоянными.

Анализ литературных источников показал, что рациональное значение активной мощности соответствует рациональному току дуги в пределах I2=(0,44…0,63)·IЭКЗ от тока эксплуатационного короткого замыкания, что соответствует режимам минимального удельного расхода электроэнергии и максимальной производительности (рис. 8). Ограниченная током дуги активная мощность, в свою очередь, ограничивает производительность ДСП на этапе расплавлении металла и производительность ДСП за плавку в целом.

а) б)

Рис. 8 Упрощенные графики активной мощности ДСП-12 на этапах плавки в граничных режимах: а) максимальной производительности; б) минимального удельного расхода электроэнергии

Анализ литературных источников показал, что расчет электрических параметров ДСП, в частности активной мощности, осуществляется с учетом воздействия параметров системы электроснабжения (СЭС), которые оказываю существенное влияние на электропотребления ДСП (рис. 9,б).

Таким образом, математическую модель электропотребления ДСП при регулировании ее производительности в широких пределах можно представить в виде следующей группы выражений.

; при

; при

; (5)

; ;

где РДСП.Р, РО, РВ – соответственно активная мощность ДСП на этапах расплавления, окисления, восстановления; РТП – мощность тепловых потерь; ТЗ, ТР, ТО, ТВ, ТП, ТН, ТС – соответственно, продолжительность этапов завалки, расплавления, окисления, восстановления, простоя, подогрева, слива; ТПЛ – продолжительность плавки; ТР.МАКС – максимально допустимая продолжительность расплавления металла; GР.УД.МИН – производительность ДСП при нижней границе допустимого тока дуги; GДСП.Р – производительность ДСП на этапе расплавления; УД.Т – теоретическое значение удельного расхода электроэнергии в печи; I2 – ток дуги; Z –полное сопротивление печного контура; КПТ – коэффициент трансформации ПТ; b - коэффициент потерь мощности в питающей ДСП СЭС.

Стоит отметить, что в группе выражений (5) основным задающим параметром является продолжительность плавки ТПЛ. Для ЭТК ЛРМ-ДСП продолжительность плавки зависит от заданной производительности ЛРМ GЛРМ и массы металла, заливаемой в форму ЛРМ mФ:

(6)

На основе разработанной модели в работе были получены характеристики (рис. 9, а) зависимости удельного расхода электроэнергии от заданной производительности для трех типов печей ДСП-6, ДСП-12, ДСП-40, наиболее распространенных в литейных производствах, с ПТ типа ЭТМПК-4200/10, ЭТМПК-7500/10, TST-700/10 соответственно. Электрические параметры элементов печного контура были взяты из справочной литературы. Значения постоянных параметров плавки были получены в металлургическом производстве ОАО «АвтоВАЗ». Принятые параметры СЭС следующие: UИСХ=10,0 кВ, SКЗ=300 МВА, b=1,2 для трансформатора ГПП с расщепленной обмоткой.

а) б)

Рис. 9. Характеристики зависимости удельного расхода электроэнергии: а) ДСП-6, ДСП-12, ДСП-40 от заданной производительности; б) ДСП-12 от величины напряжения СЭС в точке подключения ДСП и от тока дуги

Анализ группы выражений (5) показал, что минимальный удельный расход электроэнергии в печи достигается при заданной производительности ДСП, соответствующей продолжительности плавки, характеризуемой минимальным удельным расходом электроэнергии на этапе расплавления металла и отсутствием этапа простоя печи. Этот вывод также подтвердился при анализе кривых (рис. 9, а).

В четвертой главе были разработаны энергосберегающие режимы работы ЭТК ЛРМ-ДСП, позволяющие рационализировать электропотребление комплекса, обосновать удельный расход электроэнергии при выпуске заданного объема продукции.

Разработанные энергосберегающие режимы: максимальной производительности, равномерный и комбинированный (рис. 9) отличаются производительностью ЛРМ, продолжительностью работы ЛРМ, периодичностью работы ЛРМ. Варьирование данными параметрами позволяет регулировать основной режимный показатель ДСП – продолжительность плавки.

Рис. 10. Особенности электропотребления ЛРМ в рассматриваемых режимах:

а) максимальной производительности; б) равномерном; в) комбинированном

Выбор приведенных временных параметров в качестве режимных характеристик ЛРМ был обусловлен следующими особенностями электропотребления ЛРМ и ДСП.

Высокая доля постоянной составляющей в ГЭН ЛРМ ведет к значительному увеличению удельного расхода электроэнергии при снижении производительности ЛРМ. Основная причина этой особенности кроется в распространенном типе привода ЛРМ – асинхронном двигателе (АД) с короткозамкнутым ротором. Отключение таких приводов после каждого цикла работы технологических установок недопустимо в виду повышенного их износа при пуске АД. Тем не менее, в ряде случаев, когда технологическое оборудование быстро морально устаревает и требует замены, его дополнительный физический износ, выраженный допустимой частотой коммутации АД fАД, может оказаться оправданным в плане экономии электроэнергии, что отражено в комбинированном режиме.

В работе была выделена существенная технологическая особенность ОЗФ, влияющая на электропотребление ЛРМ. При остановке ЛРМ ее ОЗФ должен проработать дополнительно время ТОЗФ для правильного охлаждения залитой формы, что ведет к дополнительному расходу электроэнергии.

При снижении производительности ЛРМ увеличивается допустимая продолжительность плавки ДСП, что позволяет в общем случае снизить потери электроэнергии в печном контуре на этапе расплавления металла за счет снижения требуемой производительности печи.

Выбор энергосберегающего режима для выпуска заданного объема продукции осуществляется методом сравнения расхода электроэнергии в рассматриваемых режимах.

Исследование существующих ЭТК ЛРМ-ДСП показало, что часть из них является групповыми комплексами. К групповому ЭТК ЛРМ-ДСП в работе принято относить группу ЛРМ технологически связанную с группой ДСП, выпускающую одинаковую продукцию.

Для группового ЭТК рассматривались те же режимы, что и для одиночного.

Выпуск заданного объема продукции в энергосберегающем режиме должен быть осуществлен с минимальным возможным расходом электроэнергии в рассматриваемом режиме. В общем случае задача определения минимума электропотребления является оптимизационной. Факторами, влияющим на критерий оптимизации – расход электроэнергии, служат характеристики удельного расхода электроэнергии ЛРМ и ДСП в рассматриваемом режиме и заданный объем выпускаемой продукции.

(7)

; ; ;

где NД.i, Mj – соответственно, объем выпускаемой продукции i-ой ЛРМ и j-ой ДСП комплекса в рассматриваемом режиме; NД.МАКС.i, ММАКС.j – максимально возможный объем выпуска i-ой ЛРМ и j-ой ДСП; ЛРМ.РЕЖ.i(NД.i), ДСП.РЕЖ.j(Mj) – характеристика удельного расхода электроэнергии i-ой ЛРМ и j-ой ДСП комплекса в рассматриваемом режиме.

Целевые функции (6) являются сепарабельными, следовательно, используя метод кусочно-линейной аппроксимации, задача сводится к задаче линейного программирования, решаемой составлением оптимального плана симплексным методом.

Практика решения задачи оптимизации (7) показало, что оптимальной с позиции энергозатрат будет максимальная загрузка ЛРМ или ДСП большей производительности и остаточная загрузка ЛРМ или ДСП меньшей производительности.

В работе в качестве примеров были рассмотрены одиночный ЭТК, состоящий из ЛРМ-125 и ДСП-12, и групповой ЭТК, состоящий из трех ЛРМ-125 и трех печей типа ДСП-6, ДСП-12, ДСП-40. Параметры электропотребления ЛРМ-125 были получены при ее исследовании в металлургическом производстве ОАО «АвтоВАЗ». Минимальная длительность охлаждения одной залитой формы была принята ТОХЛ =1 час, допустимая частота коммутации АД fАД=1 раз в час. Масса металла в одной форме mД=60 кг.

Характеристики удельного расхода электроэнергии для одиночного и группового комплексов в предложенных режимах приведены на рис 11.

а) б)

Рис. 11. Характеристики удельного расхода электроэнергии а) одиночного и б) группового ЭТК ЛРМ-ДСП в рассматриваемых режимах: М- максимальной производительности, К- комбинированном, Р- равномерном.

Анализ графиков (рис. 11) показал, что для одиночного и группового ЭТК ЛРМ-ДСП в области высокого объема сменного задания энергосберегающим можно считать комбинированный режим благодаря значительной экономией электроэнергии в ДСП: для одиночного комплекса данный режим рационален в границах 72-100% от максимального сменного задания при экономии электроэнергии до 3,2% (до 1000 кВт.ч/смена); для группового в границах 44,5-100% при экономии электроэнергии до 3,8% (до 3000 кВт.ч/смена); в области среднего и низкого объема сменного задания энергосберегающим можно считать режим максимальной производительности: для одиночного в границах 0-72% при экономии электроэнергии до 37% (до 7000 кВт.ч/смена), для группового в границах 0-44,5% при экономии электроэнергии до 26% (до 11500 кВт.ч/смена).

Заключение

1. Построена математическая модель, позволяющая анализировать структуру электропотребления ЛРМ на основе электрических и временных параметров ее технологических элементов в разных режимах работы;
2. Проведен вероятностно-статистический анализ ГЭН технологических элементов ЛРМ-125, расположенной в металлургическом производстве ОАО «АвтоВАЗ», на основании которого установлено, что активная мощность за периоды цикла варьируется в незначительных пределах с коэффициентом вариации: до 2,8%;
3. Построены уравнения регрессии воздействующих факторов на активную мощность и продолжительность работы в цикле основных технологических установок, отражающих влияние номенклатуры выпускаемой продукции на электропотребление ЛРМ;
4. Определены вероятностные характеристики суммарного ГЭН ЛРМ, при этом получено, что при ее максимальной производительности характерным является нормальный закон распределения активной мощности с коэффициентом вариации не превышающим 1,4%, а также нормированная корреляционная функция экспоненциально-косинусного вида,
5. Построена модель электропотребления плавки ДСП, позволяющая проанализировать воздействие заданной продолжительности плавки и параметров СЭС как внешних факторов на электропотребление ДСП на этапах плавки при постоянной массе завалки шихты;
6. Установлена зависимость режимных параметров ДСП от режимных параметров ЛРМ, позволяющая анализировать электропотребление комплекса при регулировании объема выпуска продукции и режима работы ЛРМ;
7. Разработаны рациональные режимы ЭТК ЛРМ-ДСП с помощью регулирования режимных параметров ЛРМ – производительности, продолжительности работы и простоя в течение смены, учитывающие разнонаправленное изменение удельного расхода электроэнергии ЛРМ и ДСП при снижении их производительности ниже максимальной;
8. Моделирование электропотребления одиночного и группового ЭТК ЛРМ-ДСП в широком диапазоне регулирования объема выпускаемой продукции выявило, что при высокой и средней загрузке 44,5-100% в качестве энергосберегающего является целесообразным комбинированный технологический режим ЛРМ, а при малой до 44,5% загрузке ЛРМ - режим максимальной производительности.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях по списку ВАК:

1. Шастин П.А. Прогнозирование электропотребления линии разливки чугуна на основе однофакторных моделей [Текст]/ В.М. Салтыков, П.А. Шастин // Известия ВУЗов. Электромеханика. Специальный выпуск. – 2007.- С.72.
2. Шастин П.А. Структурный анализ электропотребления линии разливки чугуна и энергосберегающие режимы ее работы [Текст]/ В.М. Салтыков, П.А. Шастин// Вестник самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки»- 2008. - №2. - С. 177-185.
3. Шастин П.А. Выбор рационального режима работы комплекса «Линия разливки металла – дуговая сталеплавильная печь» [Текст]/ В.М. Салтыков, П.А. Шастин// Вестник самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки»- 2009. - №1. - С. 168-176.
4. Шастин П.А. Разработка модели электропотребления линии разливки металла [Текст]/ В.М. Салтыков, П.А. Шастин// Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. – 2009. - №5. - С. 108-116.
5. Шастин П.А. Методика оптимизации работы комплекса линий разливки металла с позиции минимума расхода электроэнергии [Текст]/ В.М. Салтыков, П.А. Шастин// Известия ВУЗов. Электромеханика.-№2 – 2010.- С. 60-66.

В прочих изданиях:

6. Шастин П.А. Использование параметрических моделей для анализа эффективности работы дуговых сталеплавильных печей [Текст]/ П.А. Шастин // Сборник научных трудов II научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии" – Тольятти: ТолГУ, 2007. - С. 350-353.
7. Шастин П.А. Рациональные режимы работы комплекса дуговых сталеплавильных печей литейного производства с позиции минимума энергозатрат [Текст]/ П.А. Шастин// Сборник научных трудов IX международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими» – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. – С. 41-44.
8. Шастин П.А. Анализ влияния работы линии разливки металла на удельный расход электроэнергии дуговой сталеплавильной печи [Текст]/ П.А. Шастин// Сборник научных трудов VIII международной молодежной научно - технической конференции «Будущее технической науки» – Н. Новгород: НГТУ, 2009. - С. 150.

Личный вклад автора: Все основные положения диссертации разработаны автором лично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат разработка математических моделей [2,4], расчетная часть [1] и обработка результатов исследования [3,5].

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04

Протокол № 4 от 22.06.2010

___________________________________________________________________________________________________________________

Заказ №____. Формат 60х84 1/16. Бумага тип. №1.

Печать офсетная. Уч.-изд. Л. 1,0. Тираж 100 экз.

___________________________________________________________________________________________________________________

Самарский государственный технический университет.

Типография СамГТУ.

443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус