集約型600kA鋁電解系列母線裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

毛宇，毛繼紅，班允剛，李揚(yáng)

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽(yáng) 110166）

鋁是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可或缺的基礎(chǔ)原來(lái)材料之一。進(jìn)入21世紀(jì)以后，我國(guó)已連續(xù)十多年成為鋁生產(chǎn)和消費(fèi)第一大國(guó)，尤其是自2015年以來(lái)產(chǎn)量已占全球的一半以上。我國(guó)鋁工業(yè)的快速發(fā)展，離不開(kāi)核心裝備技術(shù)大型化的支撐。眾所周知，在工業(yè)生產(chǎn)中，主體裝備大型化有利于節(jié)能減排，更為重要的是可帶來(lái)項(xiàng)目占地面積、建設(shè)投資和運(yùn)行成本的大幅降低。對(duì)于電解鋁行業(yè)而言，其裝備大型化主要體現(xiàn)在鋁電解槽容量的提升上[1]。我國(guó)近十幾年鋁工業(yè)的發(fā)展史就是鋁電解槽大型化技術(shù)的開(kāi)發(fā)史，電解槽容量由最初的200kA提升至600kA。特別是在2014年世界首條超大容量600kA鋁電解系列在山東的投運(yùn)，標(biāo)志著我國(guó)鋁工業(yè)引領(lǐng)世界鋁電解技術(shù)大型化發(fā)展的方向，奠定了我國(guó)鋁工業(yè)大國(guó)地位，提高了我國(guó)電解鋁企業(yè)的生產(chǎn)能力和國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)力。

由于鋁行業(yè)屬于投資密集型行業(yè)，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)拉動(dòng)十分明顯，尤其是近幾年存在盲目發(fā)展引起產(chǎn)能的過(guò)剩。為了保證鋁行業(yè)的健康發(fā)展，國(guó)務(wù)院提出了供給側(cè)改革，要求清理淘汰落后和違規(guī)產(chǎn)能，提出鋁工業(yè)要向節(jié)能減排、綠色環(huán)保和具有綜合優(yōu)勢(shì)的區(qū)域發(fā)展。隨著鋁行業(yè)發(fā)展要素的變化，現(xiàn)在具備綜合優(yōu)勢(shì)的地區(qū)通常在我國(guó)邊遠(yuǎn)山區(qū)或者東部沿海區(qū)域，而這類地區(qū)土地資源都較為緊張。為了適應(yīng)產(chǎn)能轉(zhuǎn)移的市場(chǎng)需求，本文筆者提出在600kA大容量鋁電解槽技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出多電解系列連續(xù)排列的“集約型600kA鋁電解系列技術(shù)”，將系列間距壓縮至60m，以便進(jìn)一步降低土地使用面積，達(dá)到降低投資、提高競(jìng)爭(zhēng)力的目的。

1 方案及計(jì)算結(jié)果

1.1 面臨的技術(shù)難題

電解系列隨著電流的增大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)也隨之增大，因此集約型600kA鋁電解系列設(shè)計(jì)的主要面臨如下兩個(gè)難題：

（1）由于電解系列增加，受強(qiáng)大電流引起的交叉磁場(chǎng)影響，各電解車間外界磁場(chǎng)因位置的不同而存在的差異性難題；

（2）由于電解系列增加，各車間因受不同交叉磁場(chǎng)的影響和在不同工況的生產(chǎn)穩(wěn)定性難題。

1.2 解決方案

針對(duì)上述問(wèn)題，本文以2個(gè)電解系列并排生產(chǎn)的集約型600kA鋁電解系列為例進(jìn)行研究。由于集約型電解系列主要是因布置方式的改變導(dǎo)致磁場(chǎng)的變化，因此問(wèn)題的核心是磁場(chǎng)設(shè)計(jì)，即針對(duì)每個(gè)系列的磁場(chǎng)影響情況，需對(duì)其母線配置進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文作者在成功開(kāi)發(fā)600kA鋁電解槽技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用“數(shù)值模擬+”的鋁電解槽開(kāi)發(fā)方式，應(yīng)用基于Ansys平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)的鋁電解槽物理場(chǎng)計(jì)算專用軟件包[2]，分析多個(gè)電解系列間的相互關(guān)系，計(jì)算出各車間的交叉磁場(chǎng)影響。經(jīng)計(jì)算，各車間交叉磁場(chǎng)影響結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 各車間交叉磁場(chǎng)影響結(jié)果對(duì)比表

由表1可知，集約型600kA鋁電解系列各車間交叉磁場(chǎng)分布以兩個(gè)電解系列的中心呈對(duì)稱分布狀態(tài)，且靠近中心的兩個(gè)車間磁場(chǎng)大小一樣且磁場(chǎng)數(shù)值較小，而遠(yuǎn)離中心的兩個(gè)車間磁場(chǎng)大小相同且數(shù)值較大。較600kA單系列的相鄰車間垂直磁場(chǎng)分布值小。

針對(duì)上述分布狀態(tài)，采用“雙補(bǔ)償非對(duì)稱性母線配置方式”對(duì)各車間電解槽母線進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，并在系列首尾分別設(shè)置小補(bǔ)償整流機(jī)組，通過(guò)調(diào)整外補(bǔ)償電流的開(kāi)關(guān)，解決生產(chǎn)的不同步性問(wèn)題。具體解決方案詳見(jiàn)圖1.

圖1 集約型600kA鋁電解系列配置簡(jiǎn)圖

1.3 計(jì)算結(jié)果

采用“雙補(bǔ)償非對(duì)稱性母線配置方式”對(duì)各車間電解槽母線進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)后，在所有車間均生產(chǎn)時(shí)的磁場(chǎng)分布結(jié)果詳見(jiàn)表2.

表2 各車間電解槽磁場(chǎng)結(jié)果對(duì)比表

由表2可知，差異化設(shè)計(jì)后的電解槽磁場(chǎng)，較單系列在垂直磁場(chǎng)上相近，但Y向磁場(chǎng)有較明顯下降，根據(jù)鋁電解槽內(nèi)主要受磁場(chǎng)與電流場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁力的相互關(guān)系式（1）：

當(dāng)僅有一條系列生產(chǎn)時(shí)，調(diào)整外補(bǔ)償母線電流后，電解槽垂直磁場(chǎng)平均值變?yōu)?.35Gs，較正常生產(chǎn)狀況略有增加，但Y向磁場(chǎng)保持在6Gs左右，在磁流體穩(wěn)定需要的范圍內(nèi)，且磁場(chǎng)分布狀態(tài)并未有較大變化，各象限分布均勻，磁場(chǎng)變化梯度小，電解槽仍在穩(wěn)定范圍內(nèi)，可滿足正常生產(chǎn)需求。其磁場(chǎng)分布狀態(tài)詳見(jiàn)圖2。

圖2 單系列生產(chǎn)時(shí)鋁電解槽鋁液垂直磁場(chǎng)分布圖

2 運(yùn)行效益分析

采用集約型600kA鋁電解系列于2016年在山東投產(chǎn)，運(yùn)行3年以來(lái)生產(chǎn)平穩(wěn)，指標(biāo)優(yōu)異。該技術(shù)與500kA技術(shù)相比，噸鋁投資降低8%，全員勞動(dòng)生產(chǎn)率提高12%，噸鋁成本降低約5%，占地減少近40%。與600kA單系列技術(shù)相比，集約型600kA技術(shù)再次降低占地減少近25%，正常生產(chǎn)時(shí)，外補(bǔ)償電流更低，可使噸鋁電耗降低16kWh,以年產(chǎn)100萬(wàn)噸規(guī)模計(jì)算，年節(jié)電量約16×106kW·h以上（電費(fèi)按照0.3元/kWh計(jì)算），年節(jié)電效益近500萬(wàn)元。

集約型600kA鋁電解系列的成功投運(yùn)，是在600kA級(jí)大容量鋁電解實(shí)現(xiàn)了鋁電解槽技術(shù)與裝備大型化跨越式發(fā)展技術(shù)的基礎(chǔ)上的再一次技術(shù)升級(jí)。進(jìn)一步降低了電解項(xiàng)目的占地，降低了投資成本和提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，為我國(guó)電解鋁產(chǎn)能向具有綜合優(yōu)勢(shì)的地區(qū)轉(zhuǎn)移打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)儲(chǔ)備。