Расчёт параметров надёжности основных электрических приёмников сталеплавильного комплекса

Чёрная металлургия – одна из немногих отраслей промышленного производства, которая сохраняет устойчивые темпы развития. Электрические приёмники металлургических предприятий отличаются значительной единичной мощностью. К основным энергоёмким потребителям относятся дуговые сталеплавильные печи, установки доводки стали печь-ковш (УПК), мощные привода прокатных станов и т. д. Например, установленная мощность трансформатора сверхмощной ДСП объёмом 180 т на одном металлургическом предприятии составляет 150 МВА.

Одним из наиболее актуальных и практически значимых является, во-первых, вопрос обеспечения достаточной надёжности электроснабжения подобных агрегатов на стадии проектирования и эксплуатации, а во-вторых, оценка возможных убытков от незапланированных простоев.

Для обеспечения надёжной, безотказной работы и поддержания заданной производительности оборудования необходим системный анализ причин и следствий нарушений режимов работы всех элементов системы электроснабжения мощного потребителя, начиная от точки общего присоединения [1, 2]. При этом, как показывает практика [3, 4], наиболее пристального внимания заслуживают менее защищённые элементы отдельных конструкций, например, муфты кабельных линий, а также устройства, эксплуатируемые сверх установленных сроков службы: линии электропередачи, силовые трансформаторы и др. [4].

Для наиболее полной количественной оценки убытков, вызванных перерывами электроснабжения, помимо основного оборудования, непосредственно занятого в технологическом процессе, следует также учитывать вспомогательные элементы и конструкции, рабочее состояние которых в значительной мере определяет производительность всего агрегата.

Покажем это на примере сталеплавильного комплекса, где основными элементами являются печной трансформатор и все линии связи с энергосистемой на высоком напряжении. Научно доказана [3, 4] и подтверждена экспериментально на практике необходимость компенсации реактивной мощности при работе ДСП [1]. Цикл плавки в современных ДСП весьма короткий, он занимает 30–40 мин. Для того чтобы расплавить 180 т шихты за короткий промежуток, мощность электрических дуг должна быть достаточной и стабильной. Но эта электрическая мощность пропорциональна квадрату подводимого напряжения, и при снижении напряжения, например, на 10 %, мощность уменьшается на 19 %. Снижение напряжения вызвано потреблением реактивной мощности.

Современные сверхмощные ДСП последнего поколения работают совместно со статическими тиристорными компенсаторами (СТК), куда входят конденсаторные батареи в составе фильтров (Ф) высших гармоник и регулируемая индуктивность – тиристорная реакторная группа (ТРГ). Анализ режимов СТК и принципов управления подробно рассмотрены ранее в публикациях [1, 3].

Представляет интерес оценка и анализ количества отказов элементов, от которых зависит бесперебойное электроснабжение основного электрооборудования – печного трансформатора и элементов СТК.

В отечественной и зарубежной литературе сложилось несколько классических подходов расчёта и оценки убытков от перерыва электроснабжения для электроприемников широкого класса [5–7]. При этом обычно выделяют основные элементы электрической схемы и технологической части производства, на которые приходится наибольшее число отказов с продолжительным временем восстановления. Полнота и широкий спектр исследуемых электрических и технологических факторов во многом определяют точность и адекватность прогнозируемых расчетов убытков от перерывов электроснабжения и неполного состава электрооборудования.

В статье на конкретном примере действующего комплекса ДСП-180 показан количественный и качественный состав оборудования, определяющий в конечном счете производительность производства.

Статья посвящена тщательному анализу параметров надёжности элементов ГПП 220/35 сталеплавильного производства, потребителями которого являются печи ДСП. В центре исследования находятся критически важные экономические показатели ущерба. Этот глубокий анализ выявляет ключевые аспекты продления сроков работы оборудования и повышения его эффективности. Выдвинутые критерии, основанные на научных методах и известных методиках, а также практическом опыте, служат надёжным ориентиром для специалистов в области черной металлургии. При этом целью исследования являются определение текущего состояния надёжности элементов действующей схемы и предложение более эффективных стратегий управления ресурсами в сталеплавильном производстве.

Анализ отказов электрического оборудования исследуемой схемы Электрическая схема основного оборудования сталеплавильного комплекса ДСП-СТК приведена на рис. 1.

Для элементов схемы введены условные обозначения: W – воздушная линия электропередачи; Q – высоковольтные выключатели; QS – разъединители; KL – кабельные линии; Т _гпп – силовые трансформаторы ГПП; T _п – печные трансформаторы; LR – реакторы; C – конденсаторы; R – резисторы; D – тиристоры.

На вводе установлены понизительные трансформаторы 220/35 кВ (T1-2) мощностью 160 МВА.

Нагрузка, представленная печами ДСП 1 и ДСП 2, распределена между двумя секциями. Отбор мощности для ДСП 1 происходит с первой секции, к которой параллельно подключены статический тиристорный компенсатор реактивной мощности с фильтрами (Ф2, Ф3) высших гармоник, а также тиристорно-реакторная группа (ТРГ-1). ДСП 2 подключена ко второй секции, где также параллельно действует СТК с фильтрами Ф2, Ф3 и ТРГ-2.

Для оценки параметров надёжности используем статистическую обработку данных об отказах основного электрического оборудования данной подстанции за период с 2009 по 2023 г. (табл. 1). Здесь, согласно приведённой схеме, учтены только фактические отказы по тем элементам, которые присутствуют в схеме, а также их длительность и коэффициент вынужденного простоя.

В результате анализа отказов основного электрооборудования ГПП 220/35 выяснено, что основными причинами являются отказы кабельных линий (КЛ), большая часть которых связана с повреждениями концевых термоусаживаемых муфт.

Рис. 1. Схема распределительного устройства подстанции 220/35 кВ Fig. 1. Diagram of the switchgear for the 220/35 kV substation

Таблица 1

Количество отказов электрического оборудования ГПП 220/35

Table 1

Failure rate of 220/35 kV MSDS electrical equipment

Места возникновения	Общее количество отказов за период 2009–2023 гг., шт.	Время вынужденного простоя, ч	Параметр потока отказов ( W )	Коэффициент вынужденного проcтоя ( K ВП )·10–5
QS 14	1	4	0,066	3,0444
W 1	2	0,53	0,133	0,4033
W 2	1	0,57	0,066	0,4338
KL 1	9	43,27	0,6	32,9408
KL 3	5	27,97	0,334	21,2907
KL 4	14	73,51	0,933	55,975
KL 5	6	22,77	0,4	17,3318
KL 9	10	53,78	0,667	40,9452
KL 10	4	13,38	0,267	10,1837
KL 11	6	29,85	0,4	22,7221
KL 13	8	36,93	0,533	28,1129
Т п1	1	2928	0,066	2279,09
С 1	1	6,75	0,066	5,1372
С 11	1	5,27	0,066	4,163
С 18	1	6,517	0,066	4,96
LR 3	1	2928	0,066	2279,09

Факторами, влияющими на повреждения КЛ, являются перенапряжения [8], а также возникновение параллельного резонанса в контуре кабелей с силовым трансформатором. При резонансе в контуре электрической сети возможно усиление гармонических составляющих тока и напряжения, что ухудшает состояние изоляции.

Для анализа параметров надёжности и оценки убытков основного оборудования главным этапом работы является разработка математической модели, которая включает эквивалентные преобразования показателей потока отказов.

В качестве объекта исследования служит ГПП 220/35, состоящая из n элементов, которые функционируют в конфигурациях последовательного и параллельного соединения. Каждый элемент системы характеризуется показателем потока отказов ω i , где i = 1, 2, 3, …, n .

В последовательной конфигурации отказ одного из элементов может привести к перерыву электроснабжения потребителя. Поэтому эквивалентный показатель параметра потока отказов для последовательных цепей рассчитывается, как сумма её элементов:

«=£».

i = 1

В параллельной конфигурации отказ одного из элементов также приводит к перерыву электроснабжения потребителей. Для эквивалентных преобразований элементов применяется выражение

®12 = ®1 ' KВ2 + ®2 ' KВ1, где KВ1 , KВ2 – коэффициенты вынужденного простоя для элемента.

Коэффициент вынужденного простоя представляет собой отношение времени неработоспособности элемента системы ко времени наблюдения. Коэффициент вынужденного простоя при последовательном соединении:

K ВП = K В1 + K В2 ,

Коэффициент вынужденного простоя при па- раллельном соединении определяется:

K ВП = K В1 ^ K В2 .

Ещё один показатель, который характеризует надёжность элементов системы электроснабжения, – это время на их восстановление при отказах ( T В i ), где i = 1, 2, 3…

Эту величину определяют по формуле

^ B12 =

8760 - K _ВП ® 12

В табл. 1 приведены значения коэффициентов вынужденного простоя, которые необходимы для определения времени восстановления.

В реальных условиях работы ДСП один из главных контролируемых показателей – объем производства, может быть снижение по двум причинам: во-первых, из-за отключения печного трансформатора и полной остановки технологического процесса; во-вторых, может произойти снижение производительности печи в результате полного или частичного отключения СТК, о чем будет сказано ниже.

Оценка параметров надёжности

Для оценки параметров надёжности электрической схемы (см. рис. 1) одним из основных подходов при расчётах является объединение зависимых элементов в группы, а также эквивалентные преобразования параметра потока отказов и определения времени вынужденного простоя (см. табл. 1). При этом параметр потока отказов для ВЛ W1:

m 2

ю =---=---- = 0,1331 1/год,          (2)

ВЛ nT„   1 - 15

н где m – количество отказов в наблюдаемой группе; n – число элементов; Tн – период времени наблюдения.

При проведении планирования и анализа восстановления электрических систем учитывается среднее время восстановления различных элементов. Это время зависит не только от самих устройств, но и от организационных моментов, таких как квалификация обслуживающего персонала и наличие необходимого оборудования. Установленные временные рамки позволяют точно планировать ресурсы и минимизировать время простоя в работе системы.

Для воздушных линий (ВЛ), как указано, среднее время восстановления составляет 5 ч. Это время вполне достаточное для быстрой локализации проблемы и выполнения необходимых работ. В то же время для кабельных линий (КЛ) 35 кВ восстановление занимает большее время – примерно от 6 до 8 ч.

Разъединители и конденсаторы также имеют свои ограничения по времени восстановления, что необходимо учитывать в общих расчётах. Среднее время восстановления этих элементов колеблется от 2 до 5 ч в зависимости от характера неисправности. Анализ данных временных интервалов помогает составить более точные графики работ и повысить общую надёжность электросети.

В практических расчётах необходимо принимать среднее время восстановления элементов системы, которое определяется временем организации мероприятий по отысканию и ликвидации последствий отказов (табл. 2).

Важным этапом в расчётах параметров надёжности является создание структурной схемы, основанной на резервировании потребителей. Для дуговых печей необходимое условие – использование СТК, которые обеспечивают стабильное напряжение на шинах 35 кВ в процессе выплавки стали. Без этих устройств работа печей становится нестабильной и экономически нецелесообразной, хотя такие режимы остаются возможными.

Кроме того, структурная схема должна учитывать возможность резервирования не только на уровне электроснабжения, но и на уровне технологического оборудования. Это обеспечивает дополнительную защиту от возможных внештатных ситуаций, таких как сбои в работе компрессоров, насосов или другого вспомогательного оборудования. Внедрение системы модульного резервирования позволяет быстро переключаться на резервные компоненты без значительных затрат времени, что критически важно для поддержания непрерывности производственного процесса.

Необходимо отметить, что для обеспечения надёжности работы дуговых печей необходимо регулярно проводить техническое обслуживание СТК, а также выполнять плановые проверки всех элементов схемы. Это поможет выявить потенциальные слабые места и устранить угрозы до того, как они смогут повлиять на работу оборудования. Система должна быть гибкой и адаптируемой к изменениям условий эксплуатации.

В качестве дополнительной меры для повышения надёжности следует использовать современные технологии мониторинга и диагностики состояния оборудования. Такие системы, основанные на анализе данных в реальном времени, позволяют оперативно реагировать на изменения и предотвращать аварийные ситуации, тем самым увеличивая общую эффективность и экономическую целесообразность производства.

Модель надёжности для ДСП 1 построена на основе схемы на рис. 1, в дальнейшем учтены следующие возможные варианты рабочего состояния схемы:

– Вариант 1 представлен последовательным соединением элементов схемы W 1 – KL 1 – KL 5 (ДСП 1 в работе при питании от ввода W 1 );

– Вариант 2 – W 2 – KL 3 – KL 11 (ДСП 2 в работе при питании от ввода W 2 ), рассмотрим вариант при выполнении ремонта на одной из линий ввода;

– Вариант 3 – линия W ₁ выведена в ремонт и питание осуществляется через W ₂, при этом KL ₅ и KL ₁₁ работают параллельно, межсекционный выключатель Q ₂₀ включен;

– Вариант 4 – ДСП 1 и ДСП 2 запитаны от линии W ₁, а линия W ₂ выведена в ремонт ( Q ₂₀ включен).

Структурная схема разбита на цепи: ВЛ 1 , Т гпп1 , Т гпп2 , Ф2, Ф3, Т п1 , ТРГ-1. Последовательное

Таблица 2

Результаты расчета надежности

Table 2

Reliability calculation results

Варианты	W экв, год	K ВПэкв ·10–5	восст , ч
Вариант 1	1,133	5,067	3,92
Вариант 2	0,8	4,444	4,86
Вариант 3	0,7331	73,398	8,77
Вариант 4	0,4	617,784	13,52

a)

Рис. 2. Структурная схема для расчёта параметров надёжности ДСП 1: а – вариант 1; b – вариант 3

Fig. 2. Reliability block diagram for DSP 1 parameters calculation: a – option 1; b – option 3

соединение этих цепей и их элементов создаёт неразрывную связь. Параллельное соединение цепи Ф2, Ф3 демонстрирует, что работа ДСП 1 допускается даже при отказе фильтра, однако сопровождается потерей производительности. Параллельная связь элементов цепей указывает на резервирование потребителей.

При расчете параметров надежности используем эквивалентные преобразования. Они позволяют упростить цепи, сохраняя при этом основные характеристики. На рис. 2 показаны примеры таких преобразований, включая замену параллельных и последовательных соединений.

Расчёты параметров надёжности выполнены для всех вариантов 1, 2, 3, 4. Детально рассмотрим два из них.

Вариант 1 . Исходя из рис. 2а, последовательное соединение в цепи ВЛ элементов: W ₁, QS ₁, Q ₁, QS 2 , QS 3 , Q 2 , QS 4 , T гпп1 , KL 1 , Q 11 , Q 12 , KL 5 , QS 14 , Q 33 , QS ₁₅, LR ₃, Т _п1 на элемент ω W ₁– KL ₁– KL ₅– Т _п1 с эквивалентными параметрами:

® В1 = ^И » 1 +^и KL 1 + ® KL 5 = 1,133 1/год. (3)

Далее определим коэффициент вынужденного простоя и время восстановления для цепи варианта 1:

K В1 = K w 1 + K KL 1 + K kl 5 = 0,046 1/год, (4)

тогда

^Т В1 =

8760 - K _В1 ® В1

= 3,918 ч.

Рассмотрим цепь, содержащую и последовательное, и параллельное соединение элементов.

Вариант 3. Последовательно соединённые элементы (рис. 2b): W 1 , QS 1 , Q 1 , QS 2 , QS 3 , Q 2 , QS 4 , T _гпп1, KL ₁, Q ₁₁ и параллельно соединённые элементы

KL 5 , QS 14 , Q 33 , QS 15 , LR 3 , Т п1 и KL 11 , QS 24 , Q 37 , QS 25 , L R 7 , Т п3 на элемент ω W 1 – KL 1 –( KL 5 – Т п1 // KL 11 – Т п3 ):

® В3 = ® W ^+И KL 3 ^+a QS 4 ^+И KL 5 - KL 11 =

= 0,733 1/год;                              (6)

^K В KL 5 - KL 11 = ^K В KL 11 ^{- K} В KL 5 = ⁴⁰ , ^{05 - 10} 5 ^1/год;

^K ВВ3 = ^K В W 1 ^{+ K} В KL 3 ^{+ K} В KL 5 - KL_n =

= 73,39 - 10 ^{- 5} 1/год;

Т в3 = 8 ^{760 -} K вв3 = 8,77ч.

® ВВ31

По аналогии были выполнены расчёты для вариантов 2 и 4; их результаты сведены в табл. 2. Кроме обобщенной формы следует учесть полноту СТК и её влияние на производительность печи.

В результате преобразований разработанной модели надёжности ДСП 1 определён эквивалентный показатель потока отказов и среднее время восстановления для печи ДСП-1. Эквивалентные показатели потока отказов, среднее время восстановления для ДСП 2, СТК проводятся аналогично и сведены в табл. 3; они позволяют провести комплексный анализ работы производственных агрегатов и выявить их эффективность в условиях имеющихся ограничений [8]. Понимание эквивалентного показателя потока отказов и времени восстановления является ключевым для оптимизации производственных процессов и снижения вероятности сбоев. Эта информация помогает в принятии обоснованных решений по улучшению надёжности оборудования и увеличению его доступности для выпуска продукции.

Среднее эквивалентное время восстановления определяем, исходя из времени восстановления

Таблица 3

Исходные данные для расчётов

Table 3

Input data for calculations

Производство	T В.ср , ч	П, т/ч, условно
1. ДСП 1 (П = 80 %)	9,018	182,4
2. ДСП 1 + Ф2 (П = 90 %)	10,178	205,2
3. ДСП 1 + Ф2 + Ф3 (П = 100 %)	11,178	228

Расчётные данные экономического убытка сталеплавильного комплекса

Таблица 4

Table 4

Calculated economic losses of the steelmaking complex

Производство	Д У п , т	У, тыс. т. в год
ДСП 1 (вариант 1)	410,32	2552,03
ДСП 1 + Ф3 (вариант 2)	232,06	1443,32
ДСП 1 + Ф3 + Ф2 (вариант 3)	0	0

элементов, входящих в цепь – воздушная линия, кабельные линии, разъединители и т. д. (данные табл. 2), – по формуле

^ В.ср.ДСПХ = Е ^ В1 i =

5 + 2 ■ 7 + 2,5 + 4

= 5,1ч. (7)

Если рассматривать вариант совместной работы ДСП 1 и Ф3, тогда

T В.ср.ДСП1+Ф3

= 1 Гв„ =

5 + 2 ■ 7 + 7 + 2,5 + 4

= 5,416 ч.

Если рассматривать вариант совместной работы ДСП 1 и Ф2 и Ф3, тогда

^ В.ср.ДСШ + Ф2 + Ф3

= Е ^В1 i =

5 + 2 ■ 7 + 7 + 7 + 2,5 + 4

= 5,64 ч.

Исходные данные для расчётов приведены в табл. 3.

Убытки в результате работы ДСП без СТК или не в полном составе, а также убытки от перерывов электроснабжения следует учитывать по

двум статьям:

• 1)    убытки от простоя агрегата;

• 2)    убытки при отсутствии или неполной комплектации СТК.

Таким образом, убытки производства при работе ДСП 1:

д у_ДС П 1 = 9,018 ■ (228 - 182,4) = 410,32т.

Время работы печи составляет 71 % от общего рабочего времени, остальное приходится на плановые простои. При этом следует отметить, что производительность ДСП при полной комплекта-

ции СТК составляет 100 %, при отсутствии СТК производительность ДСП снижается на 20 %, а в случае неполной комплектации СТК – на 10 %. Показатели экономических убытков для остальных вариантов производств внесены в табл. 4.

Как видно из полученных результатов, работа ДСП в неполном составе СТК приводит к снижению производительности и более значимым убыткам – относительно варианта 3 на 79,8 % при работе только ДСП и на 1,7 % – при работе ДСП и Ф3.

Заключение

В настоящей работе предлагается нетривиальный подход к оценке ущерба, вызванного перерывами в электроснабжении потребителей сталеплавильного цеха чёрной металлургии, основанный на разработанной модели надёжности. В центре этой модели лежит концепция зависимости одного электрического приёмника от другого, где взаимосвязь в структурной схеме представлена последовательной для (ФКУ1 – ДСП 1) и параллельной для ФКУ2. Эта модель выявляет ограничения в использовании ключевых потребителей, таких как печи ДСП, от зависимых ФКУ. Алгоритм расчётов, заложенный в основу модели надёжности, способен определить эквивалентные параметры последовательно и параллельно соединённых элементов сети. Эти параметры, в свою очередь, станут основой для последующих расчётов экономического ущерба сталеплавильного комплекса. Данная модель открывает новые возможности для оценки надёжности аналогичных потребителей в предприятиях чёрной металлургии, позволяя углубить понимание влияния электроснабжения на производственные процессы и формирование экономических последствий для отрасли.