Система управления электрическим режимом дуговой сталеплавильной печи

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к электросталеплавильным цехам, и предназначена для поддержания заданного электрического режима работы дуговых сталеплавильных печей (ДСП), обеспечивающего требуемые технологические условия в процессе выплавки стали.
Известен задатчик мощности регулятора электрического режима дуговой печи, содержащий датчик тока фазы печи, блок задания тока дуги, датчик напряжения дуги, блок задания напряжения дуги и блок сравнения. Кроме того, он дополнительно снабжен первым, вторым и третьим блоками умножения, усилителем, блоком деления и многофункциональным преобразователем, первый выход которого подключен ко второму входу первого блока умножения, причем первый вход последнего через усилитель связан с выходом блока сравнения, а выход первого блока умножения соединен с первым входом блока деления, выход которого является выходом устройства, а второй вход блока деления связан со вторым выходом многофункционального преобразователя, первый вход которого соединен с выходом переключателя ступеней напряжения печного трансформатора, а второй его вход связан с выходом блока задания тока фазы и вторым входом второго блока умножения, первый вход которого соединен с выходом датчика тока, выход первого блока умножения соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого связан с выходом третьего блока умножения, первый вход которого подключен к выходу датчика напряжения, а второй вход - к выходу блока задания напряжения (см. заявку на изобретение №2008131734, Н05В 7/148).
Недостатком данного устройства является низкое качество управления электрическим режимом печи вследствие невозможности осуществления своевременного перехода с одного сочетания ступени печного трансформатора, реактора и рабочей кривой на другую ступень в соответствии с реальными технологическими процессами, протекающими в ванне печи.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является устройство для управления электрическим режимом работы дуговой сталеплавильной электропечи, содержащее блок управления первого уровня (соответствует по функционалу адаптивному блоку изменения коэффициента усиления), блок расчета параметра регулирования (соответствует блоку измерения управляющего напряжения дуги), датчик фазного напряжения, датчик тока электрической дуги (соответствует датчику тока первой фазы), блок управления второго уровня (соответствует программному блоку управления электрическим режимом), блок матрицы уставок параметра регулирования (соответствует блоку автоматического задания режима), при этом выход датчика фазного напряжения и выход датчика тока электрической дуги соединены со входами блока расчета параметра регулирования, выход которого соединен с первым входом блока управления первого уровня с нелинейным регулятором, второй вход последнего подключен к выходу блока матрицы уставок параметра регулирования, а выход блока управления первого уровня с нелинейным регулятором подключен к сервоклапану, при этом вход блока матрицы уставок параметра регулирования соединен с первым выходом блока управления второго уровня, второй и третий выходы которого подключены к устройству РПН реактора и устройству РПН трансформатора соответственно.
Кроме того, устройство содержит для каждой фазы блок измерения управляющего напряжения дуги, входы которого соединены с датчиком тока, датчиком фазного напряжения и датчиками первой производной тока дуги по времени двух других фаз, а выход соединен с первым входом блока сравнения (см. заявку на изобретение №95112317, Н05В 7/148).
Недостатком данного устройства является низкая эффективность управления электрическим режимом печи. Это связано с тем, что в устройстве в качестве параметра регулирования используется напряжение электрической дуги, для которого нет реализуемых на практике методов прямых измерений, а косвенный расчет в начале и середине плавки дает существенную погрешность.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, заключается в повышении эффективности управления электрическим режимом дуговой сталеплавильной печи, а также повышении общей энергетической эффективности сталеплавильного комплекса.
Техническим результатом полезной модели является снижение удельного расхода электроэнергии установки, удельного расхода электродов, а также сокращение времени работы под током.
Поставленная проблема решается тем, что в системе управления электрическим режимом дуговой сталеплавильной печи, содержащей блок управления первого уровня, блок расчета параметра регулирования, датчик фазного напряжения, датчик тока электрической дуги, блок управления второго уровня, блок матрицы уставок параметра регулирования, при этом выход датчика фазного напряжения и выход датчика тока электрической дуги соединены со входами блока расчета параметра регулирования, выход которого соединен с первым входом блока управления первого уровня, второй вход последнего подключен к выходу блока матрицы уставок параметра регулирования, а выход блока управления первого уровня с нелинейным регулятором подключен к сервоклапану, причем вход блока матрицы уставок параметра регулирования соединен с первым выходом блока управления второго уровня, второй и третий выходы которого подключены к устройству РПН реактора и устройству РПН трансформатора соответственно, согласно изменению, она дополнительно содержит блок расчета удельного расхода электроэнергии, блок вычисления, блок усреднения и блок выбора режима, при этом вход блока вычисления соединен с выходом датчика тока электрической дуги, первый и второй выходы блока вычисления соединены с соответствующими входами блока усреднения, выходы которых подключены ко входам блока выбора режима, причем первый и второй выходы блока выбора режима соединены с соответствующими входами блока управления второго уровня, третий вход последнего соединен с выходом блока расчета удельного расхода электроэнергии.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлена функциональная схема системы управления электрическим режимом дуговой сталеплавильной печи;
- на фиг. 2 представлены таблицы профиля плавки, в соответствии с которыми осуществляется переход с одного сочетания ступени печного трансформатора, реактора и рабочей кривой на другое на протяжении всей плавки.
- на фиг. 3 представлена функциональная схема блока вычисления относительных действующих значений суммарных токов четных и нечетных гармоник электрической дуги;
- на фиг. 4 представлена блок-схема алгоритма функционирования блока выбора режима;
Система управления содержит (фиг. 1) блок управления первого уровня 1; блок расчета параметра регулирования 2; датчик фазного напряжения 3; датчик тока электрической дуги 4; блок расчета удельного расхода электроэнергии 5; блок управления второго уровня 6; блок матрицы уставок параметра регулирования 7; блок вычисления 8; блок усреднения 9; блок выбора режима 10. При этом первый вход блока управления первого уровня 1 подключен к выходу блока расчета параметра регулирования 2, а второй вход - подключен к выходу блока матрицы уставок параметра регулирования 7, а выход блока управления первого уровня 1 подключен к сервоклапану. Три входа блока матрицы уставок параметра регулирования 7 соединены с соответствующими тремя выходами блока управления второго уровня 6, выходы которого соединены с устройством РПН реактора и устройством РПН трансформатора. Входы блока расчета параметра регулирования 2 подключены к датчику фазного напряжения 3 и датчику тока электрической дуги 4. Кроме того, входы блока расчета удельного расхода электроэнергии 5 также соединены с датчиками 3 и 4. Выход блока 5 соединен с первым входом блока управления второго уровня 6. Вход блока вычисления 8 относительных действующих значений суммарных токов четных и нечетных гармоник электрической дуги подключен к датчику тока электрической дуги 4, а выходы - соединены с двумя входами блока усреднения 9 действующих значений суммарных токов четных и нечетных гармоник электрической дуги, выходы которого соединены с двумя входами блока выбора режима 10. Два выхода блока 10 соединены со вторым и третьим входами блока управления второго уровня 6.
Электротехнологическая установка, как объект управления, состоит из графитового электрода 11, который зафиксирован с помощью электрододержателя 12, с возможностью перемещения в вертикальной плоскости с помощью поршневого или плунжерного гидравлического цилиндра одностороннего действия 13, тем самым позволяя изменять расстояние между концевым участком электрода и расплавом (на ранних стадиях - твердой шихтой) в ванне печи 14. Регулирование скорости перемещения электрода 11 осуществляется сервоклапаном 15, который обеспечивает регулирование расхода рабочей жидкости, поступающей в поршневую полость гидроцилиндра, в зависимости от величины сигнала управления. Вход сервоклапана 15 подключен к выходу блока управления первого уровня с нелинейным регулятором 1.
Кроме того, для регулирования объема электрической мощности, вводимого в печь, а также с целью поддержания технологического режима плавки, используют устройства РПН реактора и печного трансформатора 16 и 17 соответственно, входы которых подключены к выходам блока управления второго уровня 6. Выходы блоков РПН 16 и 17 подключены непосредственно к реактору 18 и печному трансформатору 19 соответственно.
Система управления электрическим режимом электродуговой печи работает следующим образом. Предварительно в блок 6 закладывают информацию о профиле плавки, т.е. переключении ступеней печного трансформатора, реактора и рабочей кривой на определенных стадиях плавки в зависимости от величины параметра регулирования (управления). Затем с помощью датчиков 3 и 4 производят измерение мгновенных значений фазного напряжения и тока электрической дуги. Полученные значения в виде сигналов одновременно поступают на блок расчета удельного расхода электроэнергии 5 и блок расчета параметра регулирования 2.
В качестве параметра регулирования в блоке 2 могут быть использованы:
2ф
1. Полный импеданс фазы Z:
2ф
Д
2ф
где U - действующее значение фазного напряжения, измеренного на вторичной стороне печного трансформатора, В; I - действующее значение тока электрической дуги, A; Z - полный импеданс фазы, мОм.
2ф
2. Дифференциальный показатель ошибки Error, обеспечивающий косвенное регулирование полного адмитанса фазы Y:
I
Iph
1
U
где K - коэффициент, учитывающий изменение коэффициента трансформации печного трансформатора, K - коэффициент балансировки фаз, I - ток, измеренный на стороне высокого напряжения печного трансформатора, пропорциональный току дуги (при условии соединения обмоток по схеме Δ/Δ-0), А; K - коэффициент, определяемый текущей ступенью трансформатора, уставкой по адмитансу, номером рабочей кривой, а также системой динамической компенсации колебаний напряжения питающей сети.
U
I
Iph
2ф
th
th
Коэффициенты K, K и K выбираются таким образом, чтобы при нулевом значении ошибки, вычисляемой по формуле (2), достигалась требуемая величина полного адмитанса фазы Y. Способ определения оптимальных значений коэффициентов балансировки ДСП представлен в статье (А.А. Nikolaev, P.G. Tulupov "Method of setting optimum asymmetric mode of operation of electric arc furnace", 2016 11 France-Japan & 9 Europe-Asia Congress on Mechatronics /17th International Conference on Research and Education in Mechatronics (REM), Pages: 033 - 037, DOI: 10.1109/MECATRONICS.2016.7547111, 2016).
3. Напряжение электрической дуги:
Д
д
где R - сопротивление электрической дуги, вычисляемое на основании замеров фазного напряжения и тока электрической дуги на вторичной стороне, Ом; I - ток электрической дуги, А.
4. Сопротивление электрической дуги:
Д
д
где U - напряжение электрической дуги, вычисляемое на основании замеров фазного напряжения и тока электрической дуги на вторичной стороне, В; I - ток электрической дуги, А.
Вышеперечисленные параметры регулирования характерны для наиболее распространенных современных систем управления электрическим режимом дуговой сталеплавильной печи и выбираются в зависимости от конкретного объекта управления.
ФАКТ
Далее рассчитанный в блоке 2 сигнал фактического значения параметра регулирования Х поступает на вход блока управления первого уровня 1.
Одновременно с этим, сигнал мгновенного значения тока электрической дуги с блока 4 поступает на вход блока вычисления 8, в котором производится вычисление относительных действующих значений суммарных токов четных и нечетных гармоник электрической дуги в соответствии с формулами:
Д(2)
Д(4)
Д(6)
Д(8)
Д(10)
H
где I, I, I, I, I - действующие значения значимых четных гармоник ДСП, А; I - номинальный ток печного трансформатора ДСП, А.
Д(3)
Д(5)
Д(7)
Д(9)
Д(11)
где I, I, I, I, I - действующие значения значимых нечетных гармоник ДСП, А.
Функциональная схема данного блока представлена на фиг. 3, на которой позицией 20 обозначен блок расчета действующего значения для 0, 2, 4, 6, 8 и 10 (четных) гармоник; 21 - блок расчета действующего значения для 3, 5, 7, 9 и 11 (нечетных) гармоник; 22 - блок возведения в квадрат; 23 - блок суммирования для четных гармоник; 24 - блок суммирования для нечетных гармоник; 25 - блок извлечения квадратного корня; 26 - блок формирования текущего значения номинального тока электрической дуги; 27 - блок непосредственного расчета относительного действующего значения суммарного тока для четных гармоник; 28 - блок непосредственного расчета относительного действующего значения суммарного тока для нечетных гармоник.
Принцип работы указанного блока 8 состоит в том, что на его вход с датчика тока 4 поступает сигнал мгновенного значения тока электрической дуги. Данный сигнал поступает на вход блока расчета действующего значения 0, 2, 4, 6, 8 и 10 (четных) гармоник 20 и вход блок расчета действующего значения 3, 5, 7, 9 и 11 (нечетных) гармоник 21 с помощью преобразования Фурье. Все шесть выходов блока 20 и пять выходов блока 21 соединены с входами блока возведения в квадрат 22. Все шесть выходов (1-6) блока 22 подключены к соответствующим входам блока суммирования для четных гармоник 23, а остальные выходы (с 7 по 11) подключены к блоку суммирования для нечетных гармоник 24. Выходы блоков 23 и 24 соединены с входами блока извлечения квадратного корня 25. Причем первый выход блока формирования текущего значения номинального тока электрической дуги 26 подключен ко второму входу блока непосредственного расчета относительного действующего значения суммарного тока четных гармоник 27, а второй выход блока 26 подключен к первому входу блока непосредственного расчета относительного действующего значения суммарного тока нечетных гармоник 28. В свою очередь, первый выход блока 25 подключен к первому входу блока 27, а второй выход блока 25 подключен ко второму входу блока 28. На выходе блоков 27 и 28 формируются сигналы относительного действующего значения суммарного тока четных и нечетных гармоник соответственно.
Результирующие сигналы на выходе блока вычисления 8 относительных действующих значений суммарных токов четных и нечетных гармоник электрической дуги усредняются методом скользящего среднего с варьируемой постоянной времени в блоке усреднения относительных действующих значений суммарных токов четных и нечетных гармоник электрической дуги 9 в соответствии с формулой:
где n - общий объем выборки,  - значение i-го элемента массива выборки относительного действующего значения суммарного тока нечетных гармоник, А;
ВГ.НЕЧЕТ.СР
ВГ.ЧЕТ.СР
ВГ.ЧЕТ.Σ
ВГ.НЕЧЕТ.СР
ВГ.ЧЕТ.Σ
и поступают на вход блока выбора режима 10, в котором производится анализ сигнала I′. В случае, если данный сигнал не изменяется более чем на 10% относительно среднего значения в течение одной минуты, на вход блока управления второго уровня 6 поступает сигнал выбора таблицы 2 (фиг. 2, б), соответствующей стадии доводки металла, а также сигнал I' Это обусловлено хорошей корреляцией параметра I' с технологическими стадиями плавки. В противном случае, в блоке выбора режима 10 формируется сигнал выбора таблицы 1 (фиг. 2, а), соответствующей основной стадии расплавления шихты, а также сигнал I'. Параметр I' является более предпочтительным для определения окончания периода расплавления шихты поскольку он имеет наилучшую корреляцию с условиями горения электрических дуг. Блок - схема алгоритма функционирования блока выбора режима 10 представлена на фиг. 4.
В основе функционирования блока 5 положена следующая формула:
УД
Σ
где W - величина удельного расхода электроэнергии, кВтч/т; W - величина суммарного расхода электроэнергии, кВтч; G - масса шихты, т.
УД
Несмотря на то, что сигнал удельного расхода электроэнергии W поступает на вход блока 6, он предназначен исключительно для оценки энергетических показателей установки, и не участвует в процессе управления.
TP
P
PK
TP
P
TP
P
PK
ЗАД
На выходе блока 6, в соответствии с заранее заложенным в него профилем плавки, представленным на фиг. 2, формируется сигналы задания ступени трансформатора N, ступени реактора N и номера рабочей кривой N. Сигналы задания N, и N поступают на исполнительные механизмы РПН 16 и 17, тем самым реализуя регулирование мощности путем переключения ступеней. Кроме того, сигналы N, и N, и N поступают на вход блока матрицы уставок параметра регулирования 7, на выходе которого определяется величина уставки Х и подается на блок управления первого уровня 1.
Блок управления первого уровня 1 является стандартным блоком и включает в себя нелинейный пропорционально-интегральный регулятор, блок вычитания, блок ограничения, задатчик интенсивности, блок переключения на ручное управление, дополнительные блоки устранения режимов технологических коротких замыканий, компенсации мертвой зоны сервоклапана и резонансных явлений, приводящих к колебаниям концевого участка электрода и нестабильным режимам горения дуги. Аналогичный блок управления первого уровня подробно рассмотрен в статье (Николаев А.А. «Разработка усовершенствованной системы автоматического управления положением электродов дуговых сталеплавильных печей и агрегатов ковш-печь» / Николаев А.А., Корнилов Г.П., Тулупов П.Г., Якимов И.А., Повелица Е.В., Ануфриев А.В. / Электротехника: сетевой электронный научный журнал, т. 1, №1, с. 48-58, 2014).
ЗАД
ФАКТ
Блок управления первого уровня 1 определяет ошибку регулирования ΔХ, как разницу между сигналом Х, который формируется на выходе блока матрицы уставок 7 и сигналом Х, поступающего с блока расчета параметра регулирования 2. На выходе блока 1 формируется сигнал задания на сервоклапан 15, который обеспечивает регулирование расхода рабочей жидкости, поступающей в поршневую полость гидроцилиндра в зависимости от величины сигнала управления, вследствие чего при подъеме электрода 11 производится нагнетание рабочей жидкости в поршневую полость гидроцилиндра 13, а при опускании электрода 11 - вытеснение рабочей жидкости из поршневой полости гидроцилиндра под действием веса самого электрода, а также электрододержателя 12. Таким образом, величина ошибки регулирования ΔХ поддерживается на нулевом уровне, обеспечивая тем самым соблюдение технологического режима плавки.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет эффективно управлять электрическим режимом дуговой сталеплавильной печи за счет использования параметров регулирования, величина которых наиболее адекватно отражает реальные технологические процессы, протекающие в ванне печи.