Влияние ЭМП на электротермические установки

Режим работы каждой электротермической установки характеризуется определенным набором параметров режима (ток, температура, угол управления и т.д.), значения которых зависят не только от вида, назначения, конструкции установки и особенностей технологического процесса, но и от параметров поступающей в электротермическую установку электрической энергии. Эффективность работы всех электротермических установок во многом определяют наличием в питающей сети ЭМП, при этом ЭМП могут оказывать влияние и непосредственно на физику протекающих процессов, и на отдельные элементы электрооборудования электротермических установок. В целом это приводит к изменению технико-экономических показателей этих установок. Наибольшее влияние на эффективность работы электротермических установок оказывают ОН. Отклонения напряжения как вверх, так и вниз от номинального значения приводят к изменению производительности, расходов и потерь электроэнергии.

На некоторые виды электротермических установок (индукционные печи, МДУ, установки с преобразователями частоты) оказывают влияние отклонения частоты. Если в состав электротермических установок входят конденсаторные установки, то существенное влияние на них оказывают искажения формы кривой напряжения (несинусоидальность напряжения).

Колебания и провалы напряжения не оказывают влияния на электро-термические установки в силу их значительной тепловой инерции. Несимметрия напряжения ощутимого действия на экономические характеристики электротермических установок не оказывает, однако для однофазных установок ее надо учитывать, так как несимметрия напряжения влияет на ОН.

Все виды ЭМП оказывают существенное воздействие на системы управления электротермических установок. Брака продукции или изменения ее качества, срыва технологических процессов при ОН в пределах ±10 % от U_ном для большинства электротермических установок не наблюдается.

Рассмотрим влияние ОН на основные электротермические установки.

Печи сопротивления периодического действия (печи отжига). Работа этих печей с напряжением, отличным от номинального, сопровождается соответствующим изменением мощности, потребляемой нагревателями печи:

,               (3.25)

что, в свою очередь, влечет за собой изменение времени нагрева печи и садкиt_н, а также электроэнергииW_н.

Расход электроэнергии может быть определен по энергетическому балансу печей сопротивления периодического действия:

.                                 (3.26)

Составляющие баланса (3.26) определяются следующим образом.

Энергия, выделяемая в печи за время t_н:

.                                    (3.27)

Полезная энергия W_c, идущая непосредственно на технологический процесс (нагрев садки):

,                             (3.28)

где m - число циклов термообработки; ,  - удельная теплоемкость и масса отжигаемого металла;  - температура в конце и начале нагрева.

Энергия W_ак, аккумулируемая печью:

,                              (3.29)

где n - число слоев кладки печи; c_i, G_i - удельная теплоемкость и масса материала i-го слоя;  - конечная и начальная температура i-го слоя.

В тепловые потери входят потери через кладку печи  (стенки свод  под ) и тепловые потери короткого замыкания ( ):

.                   (3.30)

Решая совместно (3.26), (3.27), (3.28), получим

.             (3.31)

По выражению (3.31) можно определить изменение времени нагрева при ОН. В относительных единицах формула (3.31) имеет вид

,                               (3.32)

где  - доля тепловых потерь в энергетическом балансе;  - средняя мощность тепловых потерь за время t.

Длительность цикла t_ц отжига печи с учетом времени выдержки t_в равна

.                            (3.33)

С учетом t_ц выражение для расчета относительной производительности имеет вид

,                           (3.34)

а относительный удельный расход электроэнергии (УРЭ):

,             (3.35)

где ; W_выд - рacxoд энергии на стадии выдержки.

Зависимости  и  для печи ПЭО-700 (отжиг отливок с толщиной стенки 20…25 мм) показаны на рис. 3.15. В табл. 3.4 приведены их регрессионные уравнения.

Рис. 3.15. Зависимость изменения производительности

и удельного расхода электроэнергии печи ПЭО-700

от величины отклонения напряжения

Печи сопротивления методического действия. Для этих печей характерно постоянство производительности при действии ОН. Она зависит лишь от технологического режима термической обработки изделий. Влияние ОН проявляется в изменении УРЭ. Печи обычно имеют несколько зон нагрева и выдержки, а нагреватели работают в повторно-кратковременном режиме.

Дуговые сталеплавильные печи. Степень влияния ОН на ДСП зависит от типа регуляторов мощности. В настоящее время на дуговых печах применяют следующие типы регуляторов:

1) поддерживающие постоянным полное сопротивление фазы печи;

2) поддерживающие постоянным ток дуги.

Регуляторы первого типа, называемые дифференциальными, получили наибольшее распространение. Они обладают следующими преимуществами перед токовыми регуляторами:

1) при исчезновении напряжения на печи (отключение высоковольтного выключателя) электрод остается неподвижным;

2) данные регуляторы позволяют осуществлять автоматическое зажигание дуг. Недостатком дифференциальных регуляторов является зависимость изменения мощности печи от квадрата изменения напряжения.

Токовые регуляторы получили некоторое распространение на руд-нотермических печах. При таком регуляторе мощность печи изменяется пропорционально первой степени изменения напряжения.

Для дуговых печей с дифференциальными регуляторами, работающими в дуплекс-процессе, справедливы следующие выражения для тока I_д и мощности дуги P_д в функции :

,                              (3.36)

,                      (3.37)

где U_ф, Х_ф, R_ф - соответственно фазное напряжение, индуктивное и активное сопротивления печи;  а₀, a₁, a₂- регрессионные коэффициенты аппроксимации.

Подставив в уравнение (3.36) значение  из формулы (3.37), получим зависимость для определения мощности дуги в функции ОН

.

В среднем для печей небольшой емкости можно принять, что изменение мощности дуги составляет 0,7…0,8 % на один процент ОН.

Рассмотрим влияние мощности дуги на продолжительность плавки t_пл. Энергетический баланс ДСП:

, (3.38)

где W_пл - энергия, затраченная на плавку; W_с.э, W_хим - тепло, выделяемое в печи от сгорания электродов и экзотермических реакций; W_м, W_ш - тепло, расходуемое на нагрев и перегрев металла и шлака, а также легирующих элементов и добавок;  - электрические потери;  - тепловые потери за время работы t_p печи под током и простоя t_пр (t_пл = t_p + t_пр).

Тепло, расходуемое на нагрев и перегрев металла и шлака:

, (3.39)

где G_тл - масса шихты; с_м.т, c_м.ж - удельные теплоемкости металлов в твердой и жидкой фазах;  - температуры плавления, начальная и перегрева металла; q_пл - удельная теплота плавления.

Тепловые потери состоят из потерь теплопередачей через футеровку  излучением через рабочее окно в период расплавления  с газами  и охлаждающей водой . Они определяются по выражениям из [1].

Зависимость времени плавки t_пл = t_p + t_пр от  (и, следовательно, K_U) можно получить из (3.38), если составляющие баланса выразить через соответствующие мощность и время:

          (3.40)

Из (3.40) имеем (приняв ),

.              (3.41)

Относительное время плавки  получим, если (3.31) отнести к t_пл при K_U = 1:

,                           (3.42)

где .

Изменение производительности  и УРЭ  рассчитываются по выражениям

.            (3.43)

Рис. 3.16. Зависимость изменения производительности

и удельного расхода электроэнергии ДСП от величины отклонения напряжения

На рис. 3.16 приведены усредненные зависимости  для ДСП, а в табл. 3.4 - регрессионные уравнения для определения  при отклонениях напряжения.

Индукционные тигельные печи. Энергетический баланс ИТП:

,            (3.44)

где W_з - тепловая энергия металла, остающегося в ванне (зумпфа) ;  - потери в индукторе.

Составляющие тепловых потерь для ИТП определяются по формулам, аналогичным для ДСП.

В электрические потери входят потери в трансформаторе (если он есть) , магнитопроводе , конденсаторах .

Производительность ИТП зависит от времени плавки и времени выдержки металла в печи. Для многих печей t_в = 0 и производительность можно определять как П = G_м/t_пл.ф.

Таблица 3.4

Относительная производительность и УРЭ для ИТП рассчитываются по формулам

,         (3.45)

,                                     (3.46)

где .

На рис. 3.17 приведены зависимости  для ИТП, а в табл. 3.4 - регрессионные уравнения для определения  в функции отклонений напряжения.

Рис. 3.17. Зависимости изменения производительности и удельного расхода

электроэнергии ИТП от величины отклонения напряжения