电弧炉炼钢合理供电新技术

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1、电 弧 炉 炼 钢 合 理 供 电 技 术北 京 科 技 大 学2006.3 1 超 高 功 率 供 电 电 弧 炉 的 电 气 运 行 理 论 和 操 作 技 术 的不 断 进 步 ： 近 期 采 用 “ 高 电 压 、 长 电 弧 、高 功 率 系 数 ” 的 操 作 制 度 ； 炉 衬 的 热 负 荷 大 幅 度 增 加 ， 相 应 的 技术 发 展 有 ： 提 高 耐 材 质 量 、 水 冷 炉 壁 、泡 沫 渣 等 ； 二 次 回 路 的 电 流 强 度 大 大 增 加 ， 降低 回 路 阻 抗 和 进 一 步 改 善 三 相 平 衡 成 了重 要 问 题 ； 熔 炼 工 艺 的 变

2、 化 ： 为 了 充 分 利 用 变压 器 的 能 力 ， 传 统 的 电 弧 炉 三 期 操 作 消亡 ， 电 弧 炉 变 成 了 一 台 高 效 的 熔 化 炉 ； 电 弧 炉 机 械 结 构 、 自 动 化 系 统 不 断进 步 ， 促 进 了 高 效 、 优 质 、 低 成 本 三 方面 综 合 发 展 ， 如 底 出 钢 技 术 ， 过 程 计 算机 控 制 ； 熔 炼 周 期 缩 短 ， 物 料 输 送 和 试 样 化验 等 负 担 大 大 增 加 。 AC炉 的 变 压 器 功 率 DC炉 的 有 效 功 率 2 合 理 供 电 技 术 60年 代 400kVA/t RP-EAF

3、MC 30MVA/特 殊 钢 ,合 金 钢 冶 炼 周 期 :180min 吨 钢 电 耗 :630kwh/t 电 极 消 耗 :6.5kg/t 低 电 压 大 电 流 短 弧 80年 代 700kVA/t 90年 代 800kVA/t 70年 代 500kVA/t UHP1-EAFLFCC(S)BR 50MVA/30万 吨 /棒 线 材 UHP2-EAFLFCCR 70MVA/50万 吨 /扁 平 材 ,管 材 UHP3-EAFLFCCCR 100MVA/100万 吨 /纯 净 钢 ,热 带 冶 炼 周 期 :40min 吨 钢 电 耗 :230kwh/t 电 极 消 耗 :1.1kg/t

4、低 电 压 大 电 流 更 短 弧 高 电 压 小 电 流 长 弧 更 高 电 压 小 电 流 更 长 弧 烧 嘴 二 次 冶 金 水 冷 炉 壁 DRI LF/EBT 泡 沫 渣 竖 炉 /用 氧 双 炉 壳 连 续 加 料 年 代 功 率 级 别 -400kVA/t 流 程 变 迁 变 压 器 容 量 /产 品 技 术 指 标 进 步 相 关 /配套 技 术 电 气 运 行 2.1技 术 背 景 近 年 电 炉 钢 比 约 15%， 约 3200万 吨 /年 大 于 50t/35MVA电 炉 已 有 50余 座 投 产 引 进 大 型 电 炉 ， 约 计 45亿 美 元 电 炉 电 耗 约

5、 占 总 能 耗 的 60 70% 2.2技 术 路 线基 于 大 型 交 流 电 弧 炉 现 有 装 备 电 气 运 行 合 理 化 充 分 发 挥 主 变 压 器 的 能 力 达 到 高 效 、 节 能 的 目 的 2.3技 术 原 理 电炉变压器 电弧炉 B A PCC 220kV 降压变压器 电抗器2.52欧 炉 前 三总降 高 阻 抗 电 弧 炉 主 电 路 合 理 供 电 技 术 的 电 工 学 基 础 电 弧 炉 炼 钢 供 电 制 度 应 用 的 基 本 公 式 （ 1） 电 弧 炉 炼 钢 供 电 制 度 应 用 的 基 本 公 式 （ 2）表 观 功 率 MVA 电 弧 功

6、 率 MW 电 弧 电 阻 m 电 弧 电 压 V电 弧 弧 长 mm 耐 火 材 料 损 耗 指 数 V.MW/mm2 22 QPS 23rIPParc rRR OParc arcarc RIU 40 arcarc UL 2/)( LPUR arcarcE 电 弧 炉 电 气 特 性 曲 线 970V,X=4.16 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 电 流 ， kA 功 率 ， MV A 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.3

7、0 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 功 率 因 数 cos S Q P Parc 超 高 功 率 电 弧 炉 与 小 电 炉 电 气 运 行 的 比 较 高 阻 抗 与 普 通 阻 抗 电 弧 炉 比 较 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 电 流 ， kA 功 率 ， MV A 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

8、1.1 功 率 因 数 普 通 阻 抗 高 阻 抗 S Q P cos Parc I2=35.7kA I2=50.9kA cos =0.84 2.4关 键 技 术 确 定 电 气 运 行 的 基 本 参 数 操 作 电 抗 的 非 线 性 (测 定 、 建 模 ) 可 操 作 (S, PF)的 工 作 点 总 表 优 化 供 电 曲 线 确 定 电 气 运 行 的 基 本 参 数 电炉变压器 电抗器 电弧炉 b 计算机 CM-2250 CM-2350 RS-485/232 转换口 a 互感器 (CT PT) 互感器 (CT PT) c 互感器 ( PT) CM-2250 Schneider线

9、路 监 控 仪(211专 款 购 置 ) 型 号 ： CM-2250 2台 CM-2350 1台精 度 ： 0.2级软 件 ： SMS-1500记 录 ： 笔 记 本 电 脑功 能 ： 硬 件 、 软 件 (下 页 ) 功 能 表n 硬 件 功 能 Power Logic2000电 力 参 数 线 路 监 控 仪 是 一 种 多功 能 数 字 仪 表 ， 集 数 据 采 集 、 控 制 设 备 于 一 体 ，能 替 代 多 种 仪 表 、 继 电 器 、 传 感 器 及 其 它 元 件 。 n 软 件 功 能 SMS-1500软 件 支 持 各 种 实 时 数 据 显 示 ， 包 括 表 格

10、、直 方 图 和 模 拟 表 盘 等 。 SMS-1500软 件 面 向 客 户 ，包 括 创 建 用 户 表 格 ， 增 添 电 气 参 数 等 。 建 立 电 抗 模 型 的 基 点(1)基 波 50赫 兹 的 含 有 各 次 谐 波 的 正 弦 波 (2) 运 行 中 三 相 不 平 衡 系 数 为 1.66%(3)要 求 模 型 满 足 电 弧 炉 电 极 电 流 从 开 路 到短 路 的 过 程 中 ， 操 作 电 抗 随 电 极 电 流 的变 化 服 从 一 种 变 化 规 律(4)模 型 与 谐 波 分 析 有 较 好 的 吻 合 电 气 圆 图 0 20 40 60 80 10

11、0 120 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 无 功 功 率 Q （ MVar） 有 功 功 率 P （ MW ） cos =0.866 cos =0.1 Se Imax 可 操 作 的 工 作 点 总 表工 作 电 流 Curve 1 Curve 2 Curve 3 Curve 4 Curve 5 Curve 6级 别 U2 S PF S PF S PF S PF S PF S PF22 1050 43 0.919 45 0.908 48 0.897 51 0.886 53 0.874 55 0.86221 1004 45 0

12、.911 48 0.9 48 0.888 50 0.876 53 0.863 55 0.849 20 962 43 0.903 45 0.891 48 0.878 50 0.864 53 0.850 55 0.83519 924 43 0.894 45 0.881 48 0.866 50 0.852 52 0.836 55 0.8218 888 43 0.885 45 0.870 47 0.855 50 0.838 52 0.821 55 0.80417 855 42 0.874 45 0.858 47 0.841 50 0.824 52 0.805 54 0.78616 825 42 0.8

13、62 45 0.845 47 0.826 50 0.807 52 0.786 54 0.76515 800 42 0.851 45 0.833 47 0.813 50 0.792 52 0.769 54 0.746 制 定 电 弧 炉 炼 钢 供 电 制 度 的 基 本 原 则 以 安 全 、 稳 定 、 高 效 运 行 为 依 据 ， 选 择 供 电 曲线 的 电 气 运 行 工 作 点 。 即 要 求 ： 表 观 功 率 S SF 功 率 因 数 0.840.85 0.75 电 弧 功 率 近 可 能 大 Max Parc 设 定 电 能 需 求 量 和 各 阶 段 时 间 长 度 。 要

14、 求 总 通电 时 间 符 合 生 产 节 奏 要 求 。 尽 量 简 化 供 电 曲 线 ， 减 少 有 载 切 换 电 压 级 别 次数 。 优 化 的 供 电 曲 线 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5004 812 1620 2428 8m in4m in3m in 5m in 2m in5m in2m in5m in2m in 19/6 18/621/615/518/621/615/518/615/5 ( 精 炼 ) ( 二 次 料 )( 加 铁 水 ) ( 一 次 料 ) 供 电 时 间 m in 电 压级别/电流 级别 V/A 3大 型 电 弧 炉 炼 钢

15、 供 电 制 度 的 研 究(1)天 津 钢 管 公 司 150t/90MVA超 高 功 率 电 弧 炉(2)抚 顺 特 殊 钢 公 司 50t/35MVA超高 功 率 电 弧 炉(3)南 京 钢 铁 集 团 公 司 70t/60MVA高 阻 抗 电 弧 炉 炼 钢 过 程 中 电 气 运 行 状 态 的 评 价 测 量 精 度 的 评 价 三 相 电 压 、 电 流 、 有 功 、 无 功 、 视在 功 率 、 功 率 因 数 及 对 应 均 值 的 相 对 误差 最 大 值 为 0.97% 南 钢 100t/60MVA三 相 不 平 衡 评 价 电 流 A 电 压 kV平 均 值 1160

16、.50 30.69标 准 差 S 19.26 0.11变 异 系 数CV= 1.66% 0.36%X XS/ 电 抗 器 上 端 电 压 波 形 (A相 为 代 表 ) Phase A-N VoltageNormal Resolution Voltage Milliseconds-20000-100000100002000030000 0 50 100 150 200 250Phase A-N VoltageNormal Resolution Voltage Milliseconds-30000-20000-1000001000020000 0 50 100 150 200 250Phase

17、A-N VoltageNormal Resolution Voltage Milliseconds-20000-1000001000020000 0 50 100 150 200 250 起 弧 期氧 化 精炼 期熔 化 期 电 抗 器 上 端 电 流 波 形 (A相 为 代 表 ) 起 弧 期氧 化 精炼 期熔 化 期 Phase A CurrentNormal Resolution Current Milliseconds-1000-500050010001500 0 50 100 150 200 250Phase A CurrentNormal Resolution Current Mi

18、lliseconds-2000-1000010002000 0 50 100 150 200 250Phase A CurrentNormal Resolution Current Milliseconds-1500-1000-5000500100015002000 0 50 100 150 200 250 电 抗 器 上 、 下 端 各 次 谐 波 电 压 分 量 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 谐 波 次 数 谐 波 电 压 占 基 波 电 压 百 分

19、 比 % 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 谐 波 次 数 谐 波 电 压 占 基 波 电 压 百 分 比 % 电 抗 器 上 、 下 端 谐 波 电 流 分 量 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 谐 波 次 数 谐 波 电 流 占 基 波 电 流 百 分 比 % 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.0

20、0 12.00 14.00 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 谐 波 次 数 谐 波 电 流 占 基 波 电 流 百 分 比 % 傅 立 叶 分 析 式 10 )sincos()( n nn nwtbnwtaawtu 2 00 )()(21 wtdwtua 20 )(cos)(1 wtnwtdwtuan 20 )(sin)(1 wtnwtdwtubn式 中 ： 电 抗 率 K=Xop/Xsc Xsc 短 路 电 抗 (接 近 于 基 波 下 的 电 抗 值 ) Xop 操 作 电 抗 (含 各 次 谐 波 的 电 抗 值 )其 中 ， n为

21、谐 波 次 数 (n=131) An为 第 n次 谐 波 的 分 量 (An=an/a1,与 前 面 付 立 叶公 式 相 同 ) scn nnn XnA LfnALnAX 2 311311 )(n scnn nop XAnXX 31 1n nAnK 操 作 电 抗 的 非 线 性 抚 钢 50tUHP EAF工 作 电 抗 模 型 y = 39.5x-0.44 r=0.75 4 6 8 10 12 20 25 30 35 40 45 50 55 60 电 极 电 流 ， kA 工 作 电 抗 ， m 南 钢 100t高 阻 抗 电 弧 炉 的 工 作 电 抗 模 型 天 管 150t电 弧

22、炉 的 工 作 电 抗 模 型 y = 5.15e-0.0031x R2 = 0.9254 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 电 流 （ KA） 操 作 电 抗 Xo p( m ) 电 压 U2（ V） 892 865 839 811 786 762 739 717 697操 作 电 抗 XOP（ m） 3.37 3.37 3.37 3.38 3.38 3.39 3.39 3.40 3.40电 压 U2（ V） 678 651 627 602 579 558 538 520 操 作 电 抗 X OP

23、（ m） 3.41 3.42 3.43 3.44 3.45 3.46 3.47 3.48 各 级 电 压 下 所 使 用 的 操 作 电 抗 值 Curve1 Curve2 Curve3 Curve4 Curve5 Curve6tap Tapvolt KA MW KA MW KA MW KA MW KA MW KA MW35 892 63 80 60 78 58 76 56 73 54 72 51 6934 865 64 78 62 77 60 74 58 73 54 70 52 6833 839 64 76 63 75 61 74 58 70 55 68 53 6632 811 65 72

24、63 71 61 69 58 67 56 65 53 6331 786 63 68 62 67 59 66 57 64 54 62 52 60 30 762 61 63 60 62 57 61 55 60 53 59 51 5729 739 62 62 60 61 58 59 56 58 54 57 52 5528 717 62 59 61 58 59 57 56 56 54 54 52 5327 697 61 56 59 55 57 54 55 53 53 52 51 5026 678 59 53 57 52 55 51 54 50 51 49 49 47 德 方 提 供 的 150t超 高

25、 功 率 电 弧 炉 供 电 工 作 点 总 表 天 管 150t电 弧 炉 电 气 圆 图 天 管 150t/90MVA电 弧 炉高 电 压 级 别 工 作 点 的 评 估级 电 压 V Curve 1 Curve 2 Curve 3 Curve 4 Curve 5 Curve 635 892 34 865 33 836 32 811 31 19 均 可 安 全 稳 定 运 行 变 压 器 过 载 严 重 ， 不 宜 长 期 使 用 ； 变 压 器 略 有 过 载 ； cos值 太 高 ， 不 能 稳 定 运 行 ； cos值 过 高 ， 不 宜 使 用 。 可 以 安 全 、 稳 定 运

26、行 。 STEP 1.BASKETKWH V P 2.BASKETKWH V P 3.BASKETKWH V P REFININGKWH V P1.START 1000 27 1 1000 27 1 1000 27 1 100 30 12.MAIN 35 3 35 3 33 3 20 21 11.DEPAR 2100 34 2 2100 34 2 2000 33 1 5 19 12.DEPAR 2000 33 1 2000 32 1 3000 31 1 3.DEPAR 1500 32 1 1700 31 1 2000 30 1 4.DEPAR 2000 31 1 2100 30 1 OPERA

27、TING DIAGRAM ELECTRIC 03 供 电 曲 线 的 分 析 （ 能 量 积 分 ） Start 1000 27， 1 Main E 35， 3 Depar 2100 34， 2 Depar 2000 33， 1 Depar 1500 32， 1 Depar 2000 31， 1 STEP 1.BASKETKWH V P 2.BASKETKWH V P 3.BASKETKWH V P REFININGKWH V P1.START 1500 29 1 1500 29 1 1500 29 1 100 32 12.MAIN 34 3 34 3 34 3 20 32 11.DEPAR

28、2100 34 3 2100 34 3 2000 34 2 5 32 12.DEPAR 2000 34 2 2000 34 2 3000 34 1 3.DEPAR 1000 34 1 1000 34 1 2000 34 1 4.DEPAR 2000 34 1 1000 34 1 OPERATING DIAGRAM ELECTRIC 新 03 加 入 铁 水 的 供 电 曲 线 （ 南 钢 ） 全 废 钢 的 供 电 曲 线 （ 抚 钢 ） 4智 能 电 弧 炉 神 经 元 神 经 网 络 智 能 电 弧 炉 控 制 特 征 智 能 电 弧 炉 的 效 果 美 国 依 阿 华 （ Iowa） 州 的 北 星 （ North Star） 钢 厂 与 米 尔 切 克 （ MilltechHOH） 公 司合 作 研 究 用 神 经 网 络 技 术 改 善 电 弧 炉 的 电 极 控制 ， 1991年 9月 在 一 台 80吨 交 流 电 弧 炉 炼 钢 生产 中 投 入 运 行 ， 所 取 得 的 成 绩 是 ： 生 产 率 提 高 10% 20% 电 极 消 耗 量 降 低 0.40.6kg/t 电 能 消 耗 减 少 18 20kwh/t 年 效 益 216万 美 元