技术领域
[0001] 本
发明涉及一种冶金设备以及一种用于为冶金设备供给
电能的方法。
背景技术
[0002] KRUMM，W.等人在Stahl und Eisen，Düsseldorf(DE)1988，第108卷，第22号，第95-104页的“
冶炼厂中的
能量分配的优化”(Optimierung der Energieverteilung im integrierten Hüttenwerk)，描述了一种用于优化冶炼机中的能量分配的模型，冶炼厂包括利用
焦炭加热的
高炉和用于为冶炼厂的
载荷供给电和
蒸汽的蒸汽发电站。
[0003] 电炼
钢机的特征在于高的电负载转换，其通过大型电气载荷、
电弧炉，简称：
电弧炉(Lichtbogenoefen)或者EAFs(EAF＝Electric Arc Furnace电弧炉)，的循环接通和关断而引起。在运行EAF时，有时从
电网获取典型地高于100MW的功率。在此，这种EAF负载转换的时间尺度明显短于发电站
涡轮机的典型的反应时间。由于这种高度的且快速的负载转换，存在不期待的反作用于电网的危险，这种反作用危害了供电的
稳定性且因此危害了炼钢机的连续运行。
[0004] 在高功率的联合电网中，如存在于工业城市中的联合电网，多个发电站和集电中心彼此相连，从而能够拦截并补偿该电网内部的瞬时功率的供应和需求之间的局部差距，例如通过运行EAFs而在电炼钢机中导致的负荷减少或负荷冲击。
[0005] 相反地，至今在独立电网中，即在与公共的或者其他的电网脱耦的电网中，缺乏此类负载补偿的可行性，这导致了频繁的电网故障且因此导致高的供电故障
风险。但是，电网的稳定性以及连续生产的可行性对于经济地运行电炼钢机而言不是可有可无的。由于所述原因，至今只是避免在单机运行中对电炼钢机的供电或者只有通过在昂贵的补偿设备上的高投入才可行。
[0006] 但同时不能忽略，当较弱的公共电网不能或仅能不可靠地供应载荷所需的电功率时，和/或当遥远的载荷要求具有不可接受的传输损失的长
流线路时，独立电网体现了明显的优点。
发明内容
[0007] 因此，本发明的目的是，提供一种通过独立电网能够供给电能的冶金设备，以及一种相应的方法。
[0008] 该目的通过用于在单机运行中运行的冶金设备来实现，该冶金设备包括了两个或者多个冶金子设备、用于分配电能的独立电网、至少一个用于供给该独立电网中的电能的发电站和控制装置，其中，独立电网与外部供电网络的连接允许传输小于20％的，特别是小于10％的，运行该子设备所必需的电功率；该发电站包括至少一个燃气
涡轮机；借助控制装置能够控制用于负载两个或者多个子设备中至少一个其他子设备的第一子设备的电功率供给；并且两个或者多个子设备包括至少一个具有至少一个电弧炉的炼钢机和至少一个用于布置在该炼钢机上游或下游的冶金过程的子设备。此外，该目的还通过一种用于在单机运行中通过独立电网为包括两个或者多个冶金子设备的冶金设备供给电能的方法，其中，通过发电站供给独立电网中的电能，其中，该方法具有下述步骤：从独立电网中供应至少80％，特别是90％的运行该子设备所必需的电功率，其中，该发电站包括至少一个燃气涡轮机；以及控制对用于负载两个或者多个子设备中至少一个其他子设备的第一子设备的电功率供给，其中，两个或者多个子设备包括至少一个具有至少一个电弧炉的炼钢机和至少一个用于在该炼钢机上游或者下游的冶金过程的子设备。
[0009] 在本发明的意义上，“独立电网”是尽可能与其他的、特别是公共的供电网络脱耦的、具有连接在其上的电载荷的电网，其中，概念“尽可能地”理解为，或者通过独立电网中的一个或者多个发电站满足了独立电网的载荷所吸取的电功率的至少80％，特别是至少90％的份额，或者在发电站和电载荷上级的
母线上于“独立电网”中可用的
短路功率的至少
80％，特别是至少90％，由独立电网中的一个或者多个发电站的发
电机来供给。此时，只要通过该下级连接供应到独立电网中的电功率构成了小于在独立电网中消耗的所有电功率的20％，特别是小于10％的份额，独立电网到其他的、特别是公共的供电网络上的下级连接是无害的。在这种情况下，独立电网的电载荷的运行称为“单机运行”。这种下级连接能够初始地设置，例如在建立该冶金设备期间，首要用于供给独立电网的单个的、相对不重要的电载荷，例如工人的住所或者紧急供电。
[0010] 实际上，根据上面所给的定义，“独立电网”如“纯粹地”独立电网一样，即完全地与其他的、特别是公共的，供电网络脱耦的、具有连接在其上的电载荷的电网。其基于以下认知，即在独立电网中，特别是在电弧断裂的情况下，由EAF产生的负载跃变，即一个或者多个发电机的突发去负载，能够导致电网中的不稳定。在以上代表了正的负载跃变、即负载升高期间，负的负载跃变、即导致发电机轴上转数升高的、负载的跳跃式间断甚至视为更关键的，因为其能受到较弱的影响。当该电弧炉功率越接近所述炉附近的发电站的功率，并且该发电站有越少的单个
发电机组(在最不利的情况下仅一个组/发电机)，并且预期来自公共电网的支持越少，即发电机必须承受“越多的突发负载改变”，由此发电机可能变得不稳定时，这种情况越关键。
[0011] 在此，发电机的类型、发电站调节、电网结构等也起重要的作用，从而概念“独立电网”的上述定义是在80％或90％的简单“界限划分”的意义下给出的。
[0012] 本发明克服了技术上的成见：截至目前在该冶金学领域，仅在单机运行中为电炼钢机供电视为技术上复杂的且不经济的。根据本发明，利用不同措施的组合实现电炼钢机的经济的单机运行：
[0013] -两个或者多个能够彼此独立运行的冶金子设备集成到该冶金设备中。通过在该独立电网中运行比目前更多的子设备(独立电网中
集电器的数量越大，则越好)，特别是当存在时间非关键的
基础负载设备时，该基础负载设备能够有利于EAF地关断，达到了对在独立电网内部的瞬时功率的供给和需求之间的差距的拦截和补偿。
[0014] -通过一个或者多个燃气涡轮机现代化地生产能量。燃气涡轮机有较短的启动时间并且在转换运行状态时具有比蒸汽涡轮机更高的动态性，这给出了更快速地改变负载的可行性。在选择涡轮机时，对利用一个或者多个燃气涡轮机发电的智能控制考虑正的和负的负载储备。
[0015] -通过控制装置智能控制能量分配，控制装置控制对用于负载两个或者多个子设备中至少一个其他的第一子设备的电能供给。在多个具有不同优先级的电载荷的情况下，特别是当存在能够有利于EAF地关断的时间非关键的基础负载设备时，达到了对在独立电网内部的瞬时功率的供给和需求之间的差距的拦截和补偿。
[0016] 两个或多个冶金子设备能够是两个或者多个EAF，特别是N个EAF，其中，N是自然数。但是也可行的是，两个或者多个冶金子设备包括一个或多个EAF和至少一个设备，该设备布置在冶金过程中的一个或者多个EAF上游或者下游。
[0017] 根据本发明，两个或者多个子设备包括至少一个具有至少一个电弧炉的炼钢机和至少一个用于布置在该炼钢机上游或者下游的冶金过程的子设备。
[0018] 本发明优选的设计方案和改进方案在附属
权利要求中给出。
[0019] 根据本发明的一个改进方案，至少一个用于布置在炼钢机上游或者下游的冶金过程的子设备是下述设备中的一个或者多个：采矿设备、选矿设备、
造粒设备、生
铁生产设备、
直接还原设备、浇铸设备、成型设备、精炼设备、输送设备、辅助设备。该子设备能够用于采矿、输送和安全保障。挖掘机、带式和链式
输送机、钻车、采
煤机和载货与运输车辆、或者其他的用于辅助作业的设备、辅助设备(“auxiliary units”)和附属设备，例如基础设施附属设备如工人的住所、停留处或者洗漱间也能够作为子设备。
[0020] 根据本发明的一个改进方案，第一子设备是具有至少一个电弧炉的炼钢机。有利的是，至少一个EAF是恰好一个EAF或者两个EAF或者多于两个的EAF。
[0021] 根据本发明的一个改进方案，如下地构造至少一个电弧炉，即能够快速并且简单地实现装料和/或出料和/或
电极变化。如此，EAF能够具有例如优选地离心地布置的底部出料，由此，明显地简化出料。也可行的是，EAF具有壁和/或盖和/或电极的
水冷系统。通过节能的冶金方法或系统，降低了能量需求和/或负载动态性，这对独立电网来说是非常有利的。
[0022] 优选地，至少一个电弧炉是具有至少一个电极的电弧炉。
[0023] 根据本发明的一个改进方案，控制装置通过用于交换过程数据的数据线路，特别是通过冗余设计的总线线路和/或光学数据线路，与两个或者多个子设备的至少一个相连并且与至少一个发电站相连接。为了能够保证可靠的、快速的数据传输，该线路优选地实施为固定布线。在两个或多个子设备与至少一个发电站之间的数据交换能够借助环形数据线路来实现。
[0024] 根据本发明的一个改进方案，至少一个发电站是GuD发电站(GuD＝燃气和蒸汽涡轮机)。优选地，至少一个发电站具有至少一个燃气和蒸汽涡轮机组。通过GuD发电站或适当的涡轮机选择，能够利用现代化的能量生产的动态性，特别是短的启动时间和快速改变负载的可行性。因此，能够形成正的或负的负荷储备。
[0025] 根据本发明的一个改进方案，该设备具有至少一个用于中间存储电能的存储单元，其中，通过控制装置能够控制电能在存储单元内的临时存储。可行的是，至少一个存储单元是
水电解单元、
蓄电池或者压缩空气存储单元。通过能量
存储器能够形成正的或负的负荷储备。
[0026] 根据本发明的一个改进方案，该方法还具有下述步骤：收集基于过程数据的信息，该信息由独立电网内的电能发生器和由两个或多个子设备发送；以及基于该信息，控制独立电网内部的电能供给。由此，利用负载管理(英文：Load Management)能够实现智能控制。在智能控制中，也能够例如实现“同步的初始化和监控(Initiation and Supervision of Synchronisation)”。
[0027] EP 2015011 A1(西
门子股份公司)12.07.2007描述了一种对基于利用负载管理的智能管理的燃气
液化设备的负载调节
算法。为了控制冶金设备的电能，这种算法能够与本发明类似地传输。
[0028] 根据本发明的一个改进方案，该方法还具有下述步骤：通过至少一个具有两个或者多个涡轮机的发电站供给电能；计算必需的涡轮机数量和负荷，从而在考虑负载储备的情况下供给运行两个或者多个子设备所必需的能量。
[0029] 根据本发明的一个改进方案，子设备中的一个是具有至少一个电弧炉的炼钢机，其中，对功率供给的控制包括：为用于负载两个或者多个子设备中至少一个其他子设备的至少一个电弧炉供给电功率。
[0030] 根据本发明的一个改进方案，该方法具有下述步骤：在运行至少一个电弧炉期间，中断向该其他子设备中的至少一个的电能供给，或者为该其他子设备中的至少一个供给限额的电功率。
[0031] 根据本发明的一个改进方案，如果炼钢机包括两个或者多个电弧炉，该方法还具有下述步骤：在彼此隔开的时间间隔内运行两个或者多个电弧炉。
[0032] 根据本发明的一个改进方案，该方法还具有下述步骤：为至少一个电弧炉装载、优选地连续地装载由冶金设备的直接还原设备供给的热直接还原铁(＝HDRI)。由此，取消了费能的铁的反复加热和若干过程步骤，由此降低了能量需求。通过节能的冶金方法，如使用HDRI和/或EAF的连续的装料或运行，减小能量需求和/或者负载动态性，这对独立电网来说是非常有利的。
附图说明
[0033] 下面，借助附图根据
实施例阐述本发明。其示出：
[0034] 图1是冶金设备的示意图；
[0035] 图2是冶金设备的自动化系统的示意图；
[0036] 图3是冶金设备的能量网络监控与控制系统(＝ENMC)；和
[0037] 图4是对用于关断预选的涡轮机的控制装置的负载计算机算法。
具体实施方式
[0038] 图1示意性示出了冶金设备1。设备1包括作为电载荷2的五个冶金子设备21至25，即采矿设备21、
生铁生产设备22、具有EAF的电炼钢机23、输送设备24和基础设施性附属设备25。采矿设备21包括矿山、选矿设备和辅助设备。生铁生产设备22包括选粒设备、HDRI设备和辅助设备。电炼钢机23包括熔炼设备、浇铸设备、轧钢机和例如用于供给
氧气和水的辅助设备。输送设备24包括三个输送系统。基础设施性附属设备25包括住所、洗衣房、职工食堂和
饮用水供给系统。
[0039] 此外，冶金设备1包括具有用于生产电网4内的电能的燃气涡轮机的发电站3，以及用于分配电能的电网4。电网4连接了发电站3与电载荷2。
[0040] 具有连接在其上的电载荷2的电网4和发电站3形成了独立电网，即电网，其中，冶金子设备21，22，23，从该发电站3吸取100％的其运行所必需的电能。
[0041] 此外，冶金设备1包括控制装置5，其能够通过控制线路51操控发电站3、配电网4和电载荷2。
[0042] 此外，冶金设备1包括用于中间存储电能的存储单元6。通过控制装置5，借助控制线路51能够控制电能在存储单元6内的临时存储。
[0043] 通过能够彼此独立地运行的两个或者多个冶金子设备21，22和23到冶金设备内的集成、通过借助燃气涡轮机的现代化的能量生产以及通过借助控制装置5的对能量分配的智能控制，能够为单机运行中的电炼钢机23供给电能，所述控制装置控制了对用于负载采矿设备21、生铁生产设备22、输送设备24与基础设施性附属设备25的炼钢机23的电功率供给。
[0044] 在接通该EAF时，或者完全地关断下级的电载荷，或者切换到具有较少能耗的运行状态中。在关断该EAF时，下级的电载荷再次在接通EAF之前其所处的运行状态中运行，或者甚至切换到具有高能耗的运行状态。
[0045] 图2示出了具有四个发电站组的冶金设备的典型自动化。
[0046] 该构造为独立自动化的发生器3、分配器4和载荷2的组通过快速的数据连接彼此联网。例如负载计算机形式的控制装置5，从发生器侧3和载荷侧2获取连续地从过程数据算出的信息，以便在发电机的计划外故障时和/或在一个或者多个大型载荷，例如一个或者多个EAF，故障/关断时，能够快速地针对性操控，这样既不超出电网4的稳定性界限，特别是关于
频率和
电压的稳定性界限，电的EAF也不陷入不稳定的负荷状态。为此，在控制装置中存储相应的判断算法。
[0047] 电发生器3具有多个组B1至B4，其分别包括了GuD设备GT&ST(＝Gas Turbine and Steam Turbine燃气涡轮机和蒸汽涡轮机)。联合使用至少一个燃气涡轮机和至少一个蒸汽涡轮机的设备单元称为GuD设备或GuD组，其中，通常是两个的燃气涡轮机的废热在废热回收
锅炉中得到充分利用，以便为蒸汽涡轮机产生蒸汽。各个机组调节与控制系统(发电机与涡轮机调节器与控制系统；英文：“TCS”＝Turbine Control System涡轮机控制系统)通过双向的
信号交换线路彼此相连并且与上级发电站控制系统PPC(＝Power Plant Control电站控制)相连。
[0048] 组B1至B4中的每一个都与发电站控制系统PPC存在双向的信号交换，发电站控制系统本身与配电网4的能量网络监控与控制系统ENMC(＝Energy Network Monitoring and Control System)存在双向的信号交换。
[0049] 在本实例中示出了四个发电站组B1至B4；然而显而易见，电发生器3能够包括任意数量N的发电站组，其中N是自然数。
[0050] 能量网络监控与控制系统ENMC包括高压子站自动化系统SA(＝Substation Automation)、保护单元P(＝Protection)、
人机界面/监控控制与数据获取HMI(＝Human Machine Interface人机界面)/SCADA(＝Supervisory Control and Data Acquisition监控控制与数据获取)、去负载单元LS(＝Load Shedding)以及
无功电流补偿SVC(＝Static VAr Compensation；VAr＝Volt-Ampere reaktiv伏特安培作用)。
[0051] 同样，组B1至B4中的每一个都与具有
开关和
变压器的主负载分配站MSS(＝Main SubStation主配电站)存在双向的信号交换。同时，主负载分配站MSS与能量网络监控与控制系统ENMC存在双向的信号交换。同样，GuD组的涡轮机GT&ST中的每一个都与主负载分配站MSS存在双向的信号交换。
[0052] 电载荷2包括两个电弧炉EAF，这些电弧炉分别附属有各自的EAF控制单元EAF Control。在电弧炉EAF和EAF控制单元EAF Control之间发生双向的信号交换。EAF控制单元EAF Control分别附属有人机界面HMI，其中，在EAF控制单元EAF Control和人机界面HMI之间发生双向的信号交换。EAF控制单元EAF Control和能量网络监控与控制系统ENMC存在双向的信号交换。
[0053] 控制装置5包括电控制系统ECS(＝Electrical Control System)和冶金设备的其他的负载子分配站SS(＝Sub-Station)。从负载子分配站SS出发有通向组B1至B4、能量网络监控与控制系统ENMC和EAF控制单元EAFControl的单向信号线路。电控制系统ECS与组B1至B4和EAF控制单元EAF Control存在双向的信号交换。从能量网络监控与控制系统ENMC出发有通向电控制系统ECS的单向信号线路。
[0054] 图3示出了根据另一实施例的冶金设备的能量网络监控与控制系统(＝ENMC系统)。环形数据线路330，例如以太网环形线路，连接了冶金设备的不同单元。
[0055] 主负载分配站MSS包括分别主控站301和主负载分配站
控制器325，二者分别连接到环形数据线路330处。通过另一数据线路，现场设备(英文：Field Device)连接到主负载分配站控制器325上，现场设备控制主母线322(英文：Main Bus-Bar)。
[0056] 发电站计量室302包括主控站303、上级的发电站控制系统304(＝PPC)、发电站单元控制系统305(＝TCS)，和SCADA/HMI
服务器307与308，这些分别连接到环形数据线路330上。发电站控制系统304和发电站单元控制系统305不包括在ENMC系统的管理范围之中。
[0057] 中央控制室309包括主控站310和工程站311，其分别连接到环形数据线路330处。
[0058] 另一个不包含在ENMC系统的管理范围内的单元312，包括连接到环形数据线路330处的网关/转换器(Gateway/Converter)313。冶金设备的电控制系统ECS和工厂信息系统314与网关/转换器313相连。
[0059] 此外，ENMC系统包括两个连接到环形数据线路330处的去负载控制器(Load Shedding Controller)316和317。去负载控制器316和317包括例如S7-400PLCs。
[0060] 炼钢机包括主控站320和由EAF控制器318和无功电流补偿SVC构成的炼钢机控制单元326，其中，主控站320和炼钢机控制单元326分别连接到环形数据线路330处。
[0061] 去负载控制器316和317通过冗余
串联的总线线路DP和各一个远程I/O总线站306，315，324，327与发电站单元控制系统305、另一单元312、主母线322和炼钢机控制单元
326相连接。例如 ET200M能够用作远程I/O总线站306，315，324，327，例如具有玻璃
纤维线路的PROFIBUS DP能够用作串联的总线线路。
[0062] 图4示出判断算法，该算法用于对大型电载荷如电弧炉的计划外的关断。该算法存储在控制装置5内。如下地设计发电站与机器控制系统，使得其在没有动态的负载计算机的协作时能够调整该数量级的去负载。
[0063] 为了鉴定负载比例，动态的负载计算机连续地获取来自发电站控制系统的、关于所有GuD设备GT&ST的信息101，例如当前的功率、正储备、负储备和涡轮机的可用性。此外，动态的负载计算机连续地获取来自炼钢机的、关于所有电弧炉的信息106，例如当前的负载和该储备。
[0064] 如果通过频率调节能够实现的负的负载储备的总和大于通过关断电弧炉而导致的最大待接收的去负载(英文：load shedding)，则动态的负载计算机不介入。否则，调低或者关闭预选的涡轮机组(＝GuD设备)，并且所导致的正的负载储备补偿了余下的缺口。在此，标号113表示对负的负载储备的计算和对具有最大负载的电弧炉的确定。在步骤114中，对比这两个值。如果负的负载储备大于电弧炉的最大负载，则计算机发出信号“n+1可用”115。在其他情况下计算机发出信号“n+1不可用”116。
[0065] 根据来自发电站控制系统101的数据以及电弧炉106的数据，实现了涡轮机组和电弧炉的对应关系117。当负的负载储备小于最大的电弧炉的能量需求即116，并且124或者一个电弧炉故障即122、或者在123中冶金设备的能量供给网络内的频率改变速度120超过121给定的界限时，借助这种对应关系调低或者关闭预选的涡轮机。
[0066] 在去负载126更大时，例如在过程中的部分紧急关断的情况下，在可能的情况下，必须通过快速关闭，即尽可能快地去除用于关断涡轮机的驱
动能量，从网络中移出多个适合的涡轮机组即128。如果这种紧急关断的变化过程和参量118是已知的，原则上这种过程还能够由负载计算机来控制，例如通过预选119应关断的涡轮机的方式，以便在可能的情况下能够继续运行子过程。在非排他性分离127的意义中，大型去负载126和对频率改变速度120的界限的超出121彼此互相作用。
[0067] 机关通过优选的实施例在细节上详述地阐述了本发明，但本发明并不局限于公开的实例，并且本领域技术人员能够推导出其它变体，而不离开本发明的保护范围。
