Основные зависимости между параметрами и технико-экономическими показателями электропечных установок

Общие сведения

Сочетание в составе ЭПУ электротехнического оборудования (преобразователя) и металлургического агрегата (электроплавильной печи) не позволяет характеризовать такую комплексную установку каким-то одним параметром. Поэтому техническая характеристика любой ЭПУ (см. рис. 1) содержит, как минимум, два основных параметра: номинальное значение мощности преобразователя (полная S_ном или активная Р_ном) и вместимость печи в виде количества металла, выплавляемого за одну плавку, m_о (масса нагреваемого объекта). В некоторых случаях вторым параметром может служить объем рабочего пространства печи V_п или линейный (так называемый определяющий) размер l_опр (например, внутренний диаметр корпуса ДСП, диаметр кристаллизатора ДВП или диаметр самообжигающегося электрода РВП).

Если мощность S_ном (или Р_ном) определяет, в конечном счете, энергетику теплогенерации в рабочем пространстве печи, то вместимость m_o, определяя геометрические размеры печи, может характеризовать теплообменные процессы в рабочем пространстве, тепловые потери с теплоотдающей поверхности, капитальные затраты на печь и здание главного корпуса электросталеплавильного (ЭСПЦ) или ферросплавного цеха (ФСПЦ).

Например, при геометрическом подобии печей вместимостью m_о′ и m_о″ справедливы соотношения (при прочих одинаковых условиях)

(8)

где– мощность тепловых потерь с теплоотдающей поверхности площадью s_то при плотности теплового потока q_т.п, зависящей, например, при теплопроводности от температурного градиента в футеровке печи данной конструкции.

Основные параметры S_ном (или Р_ном) и m_o в совокупности определяют все технические, производственные и экономические показатели работы ЭПУ (так называемые технико-экономические показатели – ТЭП). Технический уровень ЭПУ оценивают в первую очередь значениями таких ТЭП, как производительность М_г и удельный (на единицу массы продукции) расход электрической энергии W_y. Если часовая производительность (за 1 ч работы ЭПУ) характеризует массовую скорость Q_m технологического процесса, то годовая производительность (за календарный год) М_г является важнейшим экономическим показателем работы ЭПУ, определяющим уровень условно-постоянных расходов в себестоимости продукции и удельных капитальных затрат в ЭСПЦ (или ФСПЦ). В некоторых случаях для сравнения ЭПУ различной мощности применяют понятие производительности на 1 МВ·А установленной мощности, т.е. М_г/S_ном.

При расчете экономически оптимальных значений основных параметров ЭПУ в качестве целевой функции рассматривают удельные приведенные затраты ПЗ_у, определяемые себестоимостью металла С_у и удельными капитальными затратами К_у на его производство.

, (9)

где Е_норм– отраслевой нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений, равный для черной металлургии 0,12 руб/(руб × год).

Таким образом, основные зависимости между параметрами и ТЭП ЭПУ могут быть представлены в виде системы уравнений

(10)

Уравнения (10) можно рассматривать как технико-экономическую математическую модель ЭПУ, которая, будучи реализована на ЭВМ, позволяет для каждых представляющих практический интерес значений основных параметров ЭПУ и внешних условий (сортамент выплавляемого металла, особенности технологического процесса плавки, нормы, цены и тарифы, различные константы и т.д.) рассчитать количественную величину критерия экономической эффективности (уровня удельных приведенных затрат), наиболее полно отражающего затраты на производство, например, электростали.

Производительность ЭПУ

В черной металлургии в основном применяют ЭПУ периодического действия (кроме РВП), работающие отдельными циклами (плавками) длительностью τ_пл. В общем случае каждый цикл работы состоит из трех периодов:

1. Подготовительный период (период № 1) τ_пдг, когда ЭПУ отключена от питающей сети, в печи заканчивается предыдущая плавка, из печи сливают металл, а далее готовят печь к очередной плавке (очистка и заправка подины, загрузка металлошихты). Время τ_пдг определяется организацией и уровнем механизации вспомогательных операций по обслуживанию печи.

2. Энергетический период (период № 2) τ_эн, когда происходит нагрев исходных материалов и плавление металла с заданной массовой скоростью Q_m. Время τ_эн обратно пропорционально полезной мощности печи, т.е. для сокращения этого периода целесообразно вводить в ЭПУ максимально возможную электрическую мощность за счет допустимой перегрузки электрооборудования. В некоторых случаях (например, в ДСП) возможен ввод дополнительной тепловой энергии W_доп для интенсификации нагрева металлической шихты.

3. Технологический период (период № 3) τ_тхн, необходимый для проведения операций технологического процесса (например, окислительный и восстановительный периоды плавки в ДСП, выведение усадочной раковины и выдержка слитка при переплаве в ДВП и т.п.). Время τ_тхнпредусматривается технологической инструкцией. Мощность, потребляемая ЭПУ в этот период, зависит от энергетики технологического процесса и обычно значительно ниже мощности, потребляемой в энергетический период.

Производительность ЭПУ периодического действия равна вместимости печи m_o, умноженной на число N циклов (плавок) в течение фактического времени работы Т_факт

(11)

Поскольку производительность, согласно уравнению (11), обратно пропорциональна сумме длительности трех периодов, повышение производительности ЭПУ в равной мере может быть достигнуто сокращением любого из них, т.е. за счет организационных мероприятий по обслуживанию печи, увеличения мощности ЭПУ или совершенствования технологического процесса плавки.

Знаменатель правой части выражения (11) представляет собой сумму трех слагаемых:

1) удельного времени подготовительного периода τ_пдг/m_o;

2) удельного времени энергетического периода τ_эн/m_o;

3) удельного времени технологического периода τ_тхн/m_o.

Зависимость τ_эн и τ_эн/m_о от мощности ЭПУ можно получить из частного баланса энергии за энергетический период аналогично формуле (2):

P_2ср τ_эн =W_2у.т m_o + P_2т.п τ_эн + P_2э.п τ_эн, (12)

где P_2ср – средняя активная мощность ЭПУ за период τ_эн, P_2ср =
= k_исп P_ном = k_исп S_номl;
– коэффициент использования номинальной мощности
преобразователя, ;
W_2с – активная электроэнергия, забираемая из сети за период τ_эн,
;
Р(τ) – активная мощность ЭПУ, потребляемая в течение времени
τ согласно энергетическому режиму рассматриваемого пе-
риода плавки;
W_2у.т, Р_2т.п и Р_2э.п – соответственно удельный теоретический (по-
лезный) расход энергии, мощность тепловых и электриче-
ских потерь за период τ_эн;
λ – коэффициент мощности.

При известном значении электрического КПД η_2э за период τ_эн выражение (12) можно упростить:

P_2н.срτ_эн = W_2у.тm_о + P_2т.пτ_эн, (13)

где P_2н.ср – средняя активная мощность, вводимая в печь, т.е. мощность теплогенерации в энергетический период (так называемая мощность нагрева), .

Отсюда

τ_эн = W_2у.тm_о/(P_2н.ср – P_2т.п) = W_2у.тm_о/(k_испS_номλη_2эн – P_2т.п) =
= W_2у.тm_о/P_2пол; (14 а)

τ_эн/m_о = W_2у.т/(P_2н.ср – P_2т.п) = W_2у.т/(P_2н.срη_2т) = W_2у.т/P_2пол, (15)

где η_2т – тепловой КПД печи за период τ_эн.

Из выражения (15) следует, что удельная продолжительность энергетического периода:

а) не зависит в явном виде от вместимости печи, поскольку в уравнение не входит масса расплавляемого (или переплавляемого) металла;

б) обратно пропорциональна полезной мощности печи в этот период P_2пол, равной разности P_2пол = P_2н.ср – P_2т.п;

в) обратно пропорциональна тепловому КПД η_2т, т.е. графическая зависимость (рис. 2) представляет собой гиперболу, для которой

W_2у.т/P_2н.ср. (16)

Правильно спроектированная печь должна работать в энергетический период в теплотехнических условиях, соответствующих пологой ветви гиперболы, что требует выполнения условия

η_2т ≥ 0,75…0,80, (17)

когда средняя мощность нагрева превышает мощность тепловых потерь в 4–5 раз;

г) зависит от так называемой удельной поверхностной (на 1 м² площади теплоотдающей поверхности печи) мощности ЭПУ, которая с учетом выражения для теплового КПД η_2т аналогично формуле (5), геометрического подобия печей согласно (8) и при допущении неизменности электротехнических показателей работы ЭПУ (k_исп, λ и η_2э) определяется соотношением S_ном/m_o^0,67, в чем проявляется неявная зависимость удельной продолжительности энергетического периода τ_эн/m_oот вместимости печи;

д) зависит с учетом выражения (14а) не только от мощности преобразователя S_ном, но и от качества энергетического режима, характеризуемого согласно уравнению (12) коэффициентом использования мощности k_исп, λ и η_2э.

Для ЭПУ периодического действия, электроплавильная печь которой имеет массивную огнеупорную (и теплоизоляционную) футеровку рабочего пространства, частично остывающую за подготовительный период (например, ДСП), уравнение частного баланса энергии и выражения для τ_эн и τ_эн/m_o усложняются из-за необходимости учета:

1) энергозатрат на компенсацию тепловых потерь W_1т.п рабочего пространства печи за подготовительный (первый) период, произошедших при уменьшении энтальпии футеровки – DW_ак;

2) знакопеременных энергозатрат рабочего пространства ±DW_ак = W_фут (особенно при изменении энтальпии остатка жидкого металла и шлака предыдущей плавки при работе современных ДСП с донным эксцентрическим выпуском по одношлаковой технологии с внепечной обработкой полупродукта);

3) дополнительной тепловой энергии W_доп (при использовании топливно-кислородных горелок, при дожигании монооксида углерода в рабочем пространстве, в результате окисления графитированных электродов, при окислении вдуваемого угольного порошка и т.п.), т.е.

τ_эн = ( ) / = / , (14б)

где W_2нбх – необходимые энергозатраты на проведение энергетического периода.

С учетом выражения (14а) искомая зависимость производительности от основного параметра ЭПУ принимает вид

М_г = f(S_ном, m_о) = Т(1 – 0,01Пр)/[(τ_пдг + τ_тхн)/m_о +
+ W_2у.т/(k_испS_номλη_2общ)], (18)

где Т_факт – фактическое время работы ЭПУ, Т_факт = Т(1 – 0,01Пр);
Т – номинальный (календарный) фонд времени (например, го-
довой фонд Т = 8760 ч/год);
Пр – количество простоев (холодные для капитального ремонта
оборудования и горячие по техническим и организацион-
ным причинам), %;
η_2общ – общий к. п. д. ЭПУ за энергетический период, η_2общ = η_2эη_2т.

Из формулы (18) видно, что производительность ЭПУ определяют следующие факторы:

1) основные параметры ЭПУ – мощность S_ном и вместимость m_o;

2) продолжительность подготовительного и технологического периодов плавки;

3) электротехнические (k_исп, λ, η_2э) и теплотехнические (η_2т) показатели работы ЭПУ в энергетический период;

4) удельный теоретический расход энергии на нагрев и плавление исходных материалов;

5) количество простоев, зависящее от качества конструкции и эксплуатации оборудования ЭПУ.