"теория предсказаний для решения задач энергосбережения"

   Характерными технологическими особенностями руднотермических процессов проводимых в электропечах являются, как правило, большие значения рабочих токов при относительно небольших напряжениях.
   Большие значения рабочих токов в свою очередь определили диаметры электродов, а значит конструкцию и вес электродных колонн, которые функционально предназначались для управления электрическим режимом технологий за счет импеданса, а значит положения (перемещения) электродов. Это утверждение в первую очередь касается тех руднотермических процессов где доля дуговой электроэнергии преобладает над энергией выделяемой за счет электрического сопротивления шихты (p>>q).
   С увеличением мощности печей, масса, а значит сила инерции электродных колонн стала такова, что реакция такой конструкции на управляющее воздействие (постоянная времени) теоретически составила от секунды и более. Но, как известно, если мы хотим управлять каким либо процессом, то должны иметь регулятор по быстродействию опережающий данный процесс. В данном случае это условие было нарушено, а потому электрогидравлические регуляторы мощности, устанавливающиеся на РТП переменного тока в условиях реального производства были неэффективны, и постепенно выведены из эксплуатации за ненадобностью. Это утверждение зафиксировано документально.
   …в конце 80-х годов в связи с наметившимся техническим отставанием от индустриально развитых стран в СССР была проведена большая НИР по созданию прогрессивных электрогидравлических источников гидропитания (основа регулятора) для крупного ЭТО. Основанием для этой работы послужило решение коллегии Минэлектротехпрома №44 от 15.12.83г. Заказчиком являлся ВПО «Союзэлектротерм», срок работы определялся с 1986 по 1990 г.
   Началу этой работы предшествовали обследование и анализ положения дел на более чем 50-ти предприятиях СССР.
   По состоянию на 1987 год все обследованные руднотермические печи эксплуатировались в ручном режиме (регулятор электрического режима отсутствовал), проектные насосно-аккумуляторные станции не работали, от них использовались насосы зачастую работающие «на упор». Такое положение дел существовавшее десятилетиями сформировало ложные стереотипы к РТП как к примитивному агрегату, не требующему особого управления («ведь это же не ДСП» - расхожая фраза). С аналогичными проблемами столкнулись также и инженеры-разработчики ДСП (дуговых сталеплавильных печей) еще в 70-х годах прошлого столетия. В США являвшейся индустриальным лидером была спроектирована четырехсоттонная дуговая сталеплавильная печь ДСП-400, которая должна была стать наиболее экономичной из расчета энергозатрат на тонну выплавляемой стали
   Но эта печь вопреки ожиданиям оказалась весьма затратной. Дело в том, что электроды с механизмами их перемещения оказались столь массивны и инерционны, что непозволяли в системе автомтического регулировании контрольного параметра использовать контур отрицательной обратной связи которая зачастую становилась положительной. (вместо минимизации рассогласования, оно наоборот увеличивалось). Таким образом, дуговые сталеплавильные печи в своём развитии остановились на емкостях в 150-200 тонн опять же по причине связанной с качеством управления.
   В руднотермических печах с преобладанием дуговой электроэнергии аналогичные проблемы не так ярко выражены, но тем не менее также ставят предел на развитии этого класса оборудования именно из-за качества управления влияющего на затратность технологии.
   Итак, на мощных РТП переменного тока в силу конструктивной инерционности электродных колонн оптимальное управление электрическим режимом невозможно, что ставит предел на дальнейшем совершенствовании РТП переменного тока.
   Появилась потребность в новых концепциях.

Концепция, положенная в основу оптимального управления электрическими режимами на РТП.

   В последние десятилетия с развитием электротехники и электроники появилась технически осуществимая возможность получать постоянные токи больших значений. Помимо всех преимуществ постоянного тока над переменным имеется наиболее существенное преимущество, которое важно для проектирования РТП постоянного тока.Это отсутствие при постоянном токе через электрод в отличие от тока переменного так называемого поверхностного эффекта снижающего удельную плотность тока. Так серийно выпускаемый графитированный электрод диаметром 710мм пропустит порядка 51кА переменного тока и этот же электрод пропустит постоянного тока уже 100 кА!
   Это качество позволяет существенным образом на мощных печах уменьшить размер электрода, а значит минимизировать инерционные силы механизма его перемещения и получить управляемость на уровне современных динамичных дуговых печей, т.е. быстродействие где-то 0,08 с (80мс), что позволит заложить основу эффективного регулирования (минимизировать запаздывание реакции) контрольных параметров электрических режимов рудовосстановительных технологий. В качестве примера можно привести тот факт, что применение хорошо спроектированного регулятора мощности в дуговых электропечах обеспечивает снижение расхода электроэнергии в два и более раза! (В ООО «НПФ «Гидромеханика» разработана и применяется методика расчета времени запаздывания в системе автоматического регулирования мощности электропечи, возникающие как следствие массы перемещающихся частей, сжимаемости рабочей жидкости в гидроприводе и сухого трения в манжетах гидроцилиндров, поэтому приводимые цифры не голословны).
   При плавке постоянным током, как известно значение уставки тока контролируется с большой точностью тиристорным преобразователем, при этом из-за объективно высокой устойчивости режима к напряжению, зависящему от положения электрода (импеданса), как правило, должного внимания не уделяют.
   Но ведь напряжение одна из компонент мощности (U х I), и если меняется напряжение, то будет меняться и мощность. А напряжение будет меняться при изменении сопротивления в шихте, а это неизбежность.
   Мощность же в свою очередь делится на активную (cos φ) и реактивную (sin φ) которые при любом колебательном процессе чередуются в своем доминировании. Таким образом, мы будем терять мощность на паразитную составляющую с частотой колебания напряжения. Изменить ситуацию поможет управление, которое посредством управляемого позиционирования электрода стабилизирует напряжение с высокой точностью.
   Итак:
   • применение постоянного тока позволяет нам использовать электроды меньшего диаметра, что минимизирует вес электродной колонны, а это снизит инерционные запаздывания регулятора мощности и приведет его к приемлемому быстродействию.
   • приемлемое быстродействие регулятора позволит повысить коэффициент мощности (cos φ).
   • применение постоянного тока позволит увеличить долю выделения электроэнергии в шихте до самой подины.
   • управляемость вводимой мощности позволит заняться вопросом автоматической её оптимизации.

Возможные технические решения, основанные на концепции оптимального управления электрическими режимами на РТППТ.

   Анализ возможных решений построения руднотермической печи непрерывного действия постоянного тока (РТППТ) мощностью 25 мВА позволяет выделить три конструктивные идеи:
   1. РТППТ – с одним сводовым и подовым электродами.
   2. РТППТ – с двумя сводовыми, подовым электродами и вращающейся ванной.
   3. РТППТ – с четырьмя сводовыми и подовым электродами.

   3.1. Первый вариант.
   В РТППТ мощностью 25 мВА диаметр угольного электрода составит 1600 мм и ванна будет выше шести метров. Такая печь будет характеризоваться инерционным механизмом перемещения электрода, а потому не позволяет в полной мере использовать регулятор мощности. Все недостатки связанные с этим сохраняются. Но у этой конструкции есть и плюс – минимизация тепловых потерь за счет меньшего из возможных диаметра ванны, которая развита в высоту.

   3.2. Второй вариант.
   РТППТ с двумя сводовыми электродами имеет механизмы перемещения электродов которые достаточно управляемы (динамичны), но тепловое поле в этом случае располагается нерационально, что вынуждает обратиться к идее вращающейся ванны, которая достаточно затратна.

   3.3. Третий вариант.
   В РТППТ с четырьмя сводовыми электродами отсутствуют вышеприведенные недостатки и имеются преимущества, которые позволяют:
   • значительно улучшить качество управления технологическим режимом за счет снижения подвижных масс электродных колонн;
   • получить большие возможности в управлении электрическими (тепловыми) режимами печи за счет независимого изменения токов и напряжений зон нагрева;
   • привести (минимизировать) электродные колонны к более дешевому и технологичному (ремонтопригодному) варианту;
   • непрерывность работы обеспечить за счет навинчивания электродов. При этом расход электродов на технологию не превышает 1-го кг на тонну выплавляемого продукта.
   • в значительной мере привести печь к «модульности» как в механике, так и в электротехнике (источники электропитания; электродные колонны; гидроавтоматика и т.д.)
   • использовать стандартные покупные электроды (угольные или графитированные) пропускающие более высокие значения постоянных удельных токов;
   • значительно упростить обслуживание и ремонт печи за счет наличия сменных модульных узлов.

Заключение.

   Итак, в современной руднотермической печи вопросы управления режимами выходят на первый план. Этому способствуют появившиеся технические возможности выпрямления переменного тока, связанного с этим устранение поверхностного эффекта (скин-эффекта) и приведение частотных характеристик электродных колонн к приемлемым для управления значениям.
   Количество сводовых электродов в связи с этим выбирается из соображений симметрии энергетических нагрузок на сеть и может быть от одного, и далее четное количество. В случае необходимости построения более мощной печи на высокодинамичных (высокоуправляемых) механизмах перемещения электродов их количество может быть шесть, восемь и т.д. при этом ванна, по всей видимости, станет прямоугольной.
   На эскизе, прилагаемом к записке показана одна из возможных конструкций РТППТ четырехэлектродный вариант с токопроводящей подиной.
   В качестве механизмов перемещения электродов использованы стойки, проектируемые от базовой конструкции стоек ДСП-50. Они устанавливаются в шахтах стационарного (или передвижного) портала. Впрочем, при согласовании с заказчиком механизм перемещения электродов может быть спроектирован в виде классических электродных колонн (соответственно минимизированных) с закреплением на междуэтажном перекрытии цеха либо также на специальном портале.
   Высоковольтная часть будет спроектирована специально под печь, и уточнена в процессе проектирования. Учитывая то, что любой из электродов может становиться как анодом, так и катодом в любых сочетаниях, появляются беспрецедентные технологические возможности управления зонами тепловыделения, а также оптимизацией энергозатрат.