Применение энергосберегающих устройств силовой электроники в металлургии
ВНИМАНИЕ! СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА!
ВНИМАНИЕ! СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА!
Применение энергосберегающих
устройств силовой электроники в металлургии
Исследования, проведенные в
рамках программы ТАСIS на крупных заводах черной
металлургии Украины и направленные на выявление
возможностей для снижения энергоемкости
выпускаемой ими продукции, показали, что около 40%
потенциальной экономии энергии на этих
предприятиях может быть достигнуто за счет
мероприятий, которые не требуют больших
капиталовложений и не сопровождаются
значительными изменениями основного
технологического процесса. К ним относятся:
– планирование
производства;
– регулирование процесса
сгорания топлива;
– рекуперация
отработанного тепла;
– широкое использование
устройств силовой электроники.
Среди перечисленных
мероприятий, способных в короткие сроки дать
значительный экономический эффект, проблема
использования устройств силовой электроники (СЭ)
в отечественной промышленности пока не находит
должного внимания. Между тем, использование
электроэнергии в преобразованном с помощью СЭ
виде является одним из основных факторов
эффективности экономики многих стран мира. Этот
показатель в индустриально развитых
государствах составляет 40-50% с тенденцией
дальнейшего роста. В Украине же он менее 30%. Это
обстоятельство, без сомнения, является одной из
причин того, что энергоемкость национального
продукта в нашей стране в 2-3 раза превышает
аналогичный показатель промышленно развитых
стран.
Устройства СЭ (прежнее название
– преобразовательная техника) в настоящее время
широко применяются во всех отраслях мирового
хозяйства. Значительные масштабы применения
силовой электроники обусловлены тем, что в
большинстве случаев непосредственное
использование электроэнергии в том виде, в
котором она производится (трехфазный ток
частотой 50 Гц), либо невозможно с точки зрения
технологии, например, при электролизе, либо
крайне расточительно с точки зрения энерго- и
ресурсопотребления. Речь в таких случаях идет о
необходимости выпрямления, регулирования
среднего или действующего значения напряжения
(тока), изменения частоты тока и т.п. Устройства
силовой электроники сегодня обладают
практически неограниченными возможностями
преобразования параметров электроэнергии в
наиболее рациональные для конкретного
потребителя вид и форму. При этом СЭ является
межотраслевым средством энерго- и
ресурсосбережения. Например, использование
регулируемого по частоте и амплитуде
трехфазного напряжения для суточного
регулирования производительности насосов
горячего и холодного водоснабжения кроме
непосредственной экономии электроэнергии до 30-50%
позволяет получить снижение расхода до 10%
горячей и 20% холодной воды, увеличить вдвое
ресурс работы насосов, значительно снизить
эксплуатационные и ремонтные издержки на
содержание трубопроводов, исключить
компенсирующие конденсаторы, уменьшить
технологические мощности. В итоге
дополнительный эффект от применения СЭ, как
правило, в несколько раз превышает основной
эффект, полученный от непосредственной экономии
электроэнергии.
В металлургии, как и в других
отраслях промышленности, СЭ находит применение
как во вспомогательных производствах, так и для
обеспечения основного технологического
процесса. В сфере вспомогательного производства
наиболее емкой областью применения СЭ является
привод переменного тока, на который приходится
около 50-55% всей потребляемой промышленностью
электроэнергии. Доля двигателей переменного
тока в общем количестве двигателей на
металлургических предприятиях тоже достаточно
велика. Она достигает в ряде случаев 60-70%.
Значительные резервы
энергосбережения в приводе переменного тока
связаны с тем, что доля регулируемого привода
переменного тока составляет в промышленности
Украины не более 5-10%.
Рост удельных мощностей
преобразовательных устройств, достигнутый в
последние годы, позволил широко их использовать
для обеспечения проведения основных
технологических процессов во многих циклах
металлургического производства. Наиболее
характерные области применения силовой
электроники в металлургии:
во вспомогательном
производстве
– привод турбомеханизма;
– привод конвейерного
транспорта;
– электрофильтры;
– схемы компенсации
реактивной мощности и симметрирующие
устройства;
– привод
подъемно-транспортных машин;
при проведении основных
технологических процессов
– схемы электропитания
дуговых печей;
– схемы питания
электролизеров;
– схемы питания
электронно-лучевых, плазменных, индукционных
печей;
– электроприводы
прокатных станов, моталок, перемоточных
устройств.
На положительном эффекте,
достигаемом при внедрении средств СЭ в некоторых
из вышеперечисленных областей, остановимся
более подробно.
Регулируемый привод
турбомеханизмов
Наиболее массовым двигателем
переменного тока, применяемым в отечественной
промышленности, является асинхронный
короткозамкнутый. Большая часть
короткозамкнутых асинхронных двигателей (около
2/3) используется на металлургических
предприятиях для нерегулируемого привода
насосов, компрессоров, вентиляторов, дымососов и
других подобных турбомеханизмов. В зависимости
от глубины регулирования и времени
использования турбомеханизмов внедрение
частотно-регулируемого привода позволяет
экономить от 20 до 60% электроэнергии.
На протяжении многих лет
главным фактором, сдерживавшим широкое
внедрение регулируемых приводов переменного
тока, являлась цена преобразователей. При
среднем времени использования двигателя 2000
часов в год, среднем значении достигаемой
экономии электроэнергии 25%, сроке окупаемости
затрат 3,5 года и при отсутствии других
составляющих экономии, экономическая граница
целесообразности внедрения регулируемых
приводов в начале 90-х годов была равна мощности
1000 кВт. В настоящее время в связи со значительным
снижением цен на преобразователи и ростом
тарифов на электроэнергию эта граница достигла
порядка 50 кВт.
Регулируемый привод
конвейерного транспорта
Известно, что привод конвейеров
на металлургических предприятиях должен
обладать повышенным пусковым моментом, зачастую
превосходящим номинальный момент. Для
обеспечения равномерного распределения
нагрузки между двигателями конвейера приходится
использовать либо асинхронные короткозамкнутые
двигатели с повышенным скольжением, либо
двигатели с фазовым ротором с подключением в
цепь добавочных сопротивлений. Это приводит к
значительным потерям электроэнергии. Решение
проблемы возможно за счет
частотно-регулируемого индивидуального привода
валков конвейера. Кроме экономии электроэнергии,
дополнительными положительными эффектами от
внедрения этого технического решения будут
обеспечение плавного пуска конвейера, а также
исключение из схемы процесса компенсирующих
конденсаторов. При этом будет также до минимума
сокращено использование ненадежных и громоздких
релейно-контактных аппаратов.
Использование СЭ в основных
технологических процессах металлургического
производства
Характерным примером
эффективного использования СЭ в основных
технологических процессах является применение
тиристорных выпрямителей для питания дуговых
печей. В последнее десятилетие для выплавки
стали и цветных сплавов все большее
распространение получают дуговые печи
постоянного тока, которые по сравнению с печами
переменного тока имеют ряд существенных
преимуществ. К ним относятся:
– снижение расхода
графитовых электродов в 3-7 раз в зависимости от
качества подготовки шихты;
– снижение удельного
расхода электроэнергии на тонну выплавленной
стали на 10-80%;
– снижение угара металла, в
том числе легирующих элементов, на 30-80%;
– увеличение срока службы
футеровки;
– снижение выбросов пыли и
газов в 7-10 раз, а уровня шумов – с 120 до 85 дБ;
– повышение ресурса
сетевых трансформаторов и высоковольтных
выключателей за счет стабилизации тока
тиристорным выпрямителем;
– повышение коэффициента
мощности на 30-40%.
В настоящее время рядом
западных и японских фирм выпускается
комплексное оборудование для дуговых печей
постоянного тока вместимостью от 0,5 до 140 т. В
частности, концерном "АВВ" внедрены 38
крупных печей единичной вместимостью до 85 т.
Следует также отметить, что комплексные
тиристорные преобразователи на ток до 50 кА,
напряжение до 800 В разработаны в украинском НИИ
"Преобразователь" и серийно поставляются
ОАО "Преобразователь", г. Запорожье.
По неполным данным, на
предприятиях Украины эксплуатируется более 300
электропечей переменного тока вместимостью от 0,5
до 25 т. Перевод их на постоянный ток позволит в
значительной мере снизить энергопотребление и
себестоимость продукции этих заводов. По данным
зарубежных источников и опыту эксплуатации
дуговых печей постоянного тока на российских
предприятиях, реконструкция печей переменного
тока с переводом их на постоянный ток окупается в
течение одного года.
Подсчитано, что каждая гривня,
вложенная в энергосберегающие мероприятия, дает
примерно в 3-4 раза более высокую отдачу, чем при
вложении в наращивание масштабов
энергопроизводства. Между тем, эффективность
межотраслевых средств и методов
энергосбережения, к которым относится СЭ еще в 2-3
раза выше капиталоемких отраслевых методов
энергосбережения, как правило, связанных с
совершенствованием технологических процессов.
Это дает основание рассматривать процесс
преобразования параметров электроэнергии и
управления ими при помощи средств СЭ как
ключевую технологию, являющуюся важным
неотъемлемым звеном структурно более сложных
энергосберегающих технологий во многих отраслях
промышленности.