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      大功率晶閘管整流裝置在電解鋁行業(yè)的應(yīng)用

      2019-12-26 09:23:56
      世界有色金屬 2019年20期
      關(guān)鍵詞:穩(wěn)流電解鋁晶閘管

      周 鑫

      (沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

      國內(nèi)早期鋁電解整流裝置采用調(diào)壓整流變壓器加二極管整流裝置,無自動穩(wěn)流功能,完全靠手動調(diào)壓進行恒流操作,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,但操作復(fù)雜,電解效率低。80年代后期引進有載調(diào)壓變壓器配飽和電抗器,此系統(tǒng)自動穩(wěn)流靠模擬調(diào)節(jié),雖有自動穩(wěn)流效果,但效果并不理想[1]。20世紀(jì)90年代,隨著可控硅元件電壓、電流等級的提高,國內(nèi)電解鋁行業(yè)開始用晶閘管整流裝置彌補二極管整流裝置的缺陷。本文重點介紹晶閘管整流裝置在電解鋁行業(yè)的優(yōu)勢,詳細說明晶閘管整流裝置在電解鋁行業(yè)中的應(yīng)用情況[2]。

      1 晶閘管整流裝置的優(yōu)勢

      1.1 成本優(yōu)勢

      二極管整流裝置多采用多級有載開關(guān)(95級以上)粗調(diào)配飽和電抗器細調(diào)達到電流調(diào)節(jié)及穩(wěn)流效果。而晶閘管整流裝置常采用少級有載開關(guān)(54級或79級)調(diào)壓配合晶閘管移相角調(diào)節(jié)以達到穩(wěn)流效果[3]。

      在同樣等級條件下,晶閘管整流裝置成本要比二極管整流裝置成本高,但從整套系統(tǒng)看,恰恰相反[4]。二極管整流的整流變壓器需另配飽和電抗器且有載調(diào)壓開關(guān)級數(shù)較多;而晶閘管整流的整流變壓器則可省去飽和電抗器,同時有載調(diào)壓級數(shù)相對減少,對應(yīng)整流變壓器的硬件投資成本降低,從整套系統(tǒng)硬件成本分析晶閘管整流裝置還是略有優(yōu)勢。

      1.2 節(jié)能降耗優(yōu)勢

      在三相橋式整流器中,晶閘管整流器輸出的直流電壓與整流器閥側(cè)電壓成正比,與控制角成反比。計算公式如下:

      式中:U1-閥側(cè)交流電壓;U2-電解直流電壓;α-控制角

      結(jié)論:當(dāng)閥側(cè)電壓一定時,控制角α越小,晶閘管整流器輸出的直流電壓越大。生產(chǎn)中,在保證晶閘管整流器輸出直流電壓恒定的情況下,可通過降低控制角來彌補閥側(cè)電壓的降低,而閥側(cè)電壓的降低由調(diào)壓變壓器有載開關(guān)擋位來實現(xiàn)。有載開關(guān)擋位越低,損耗越小,整流效率越好,從而實現(xiàn)大容量變壓器長時間在較小損耗工況運行。

      另外,在大容量變壓器長期運行中,通過拉格朗日乘數(shù)法來分配每個機組的負載電流,結(jié)合工況改變調(diào)壓變壓器檔位和控制角,也可有效提高整流系統(tǒng)的整流效率。

      1.3 安全性能優(yōu)勢

      當(dāng)前電解鋁行業(yè)大多采用二極管整流裝置,當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備運行故障時,只能依靠高壓斷路器跳閘進行保護。一旦高壓開關(guān)保護失控,故障就無法終止。

      例如國內(nèi)某鋁廠的整流變壓器重瓦斯故障,碰巧當(dāng)時高壓斷路器操作機構(gòu)失靈,導(dǎo)致斷路器無法斷開,即使裝置發(fā)出跳閘信號高壓開關(guān)也無法動作,整流機組繼續(xù)運行,最終導(dǎo)致整流變壓器爆炸起火。假如采用晶閘管整流裝置就會避免事故惡化,晶閘管整流裝置可以瞬間關(guān)斷元件脈沖讓整流器輸出電流為零,遏制事故擴散。

      晶閘管整流裝置還具備高壓斷路器保護功能。當(dāng)整流裝置出現(xiàn)母排過熱報警時,二極管整流裝置只能發(fā)出跳閘信號,此刻整流變壓器處于高負荷運行狀態(tài),突然甩負荷對高壓斷路器沖擊較大,影響高壓斷路器壽命。而晶閘管可先執(zhí)行降電流命令,然后封鎖脈沖,使輸出電流完全為零,最后進行高壓斷路器跳閘。既保護整流系統(tǒng)安全,又減少高壓斷路器損傷,能有效延長斷路器壽命。

      2 電解鋁晶閘管整流裝置的設(shè)計

      電解鋁整流裝置維護極其重要,二極管穩(wěn)流控制系統(tǒng)多是單套設(shè)計,一旦損壞,只能放棄穩(wěn)流功能。而在晶閘管整流裝置中,穩(wěn)流系統(tǒng)常按兩套冗余設(shè)計,可實現(xiàn)帶負荷無擾動切換。目前晶閘管控制系統(tǒng)日益成熟,完全實現(xiàn)了數(shù)字化、模塊化,且維護方便,解決了晶閘管維護時影響生產(chǎn)等問題。

      2.1 整流裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計理念與維護

      晶閘管整流控制系統(tǒng)是整流裝置的核心,以晶閘管數(shù)字穩(wěn)流控制器為核心單元的系統(tǒng)特點如下:

      2.1.1 穩(wěn)流控制系統(tǒng)

      采用獨立的全數(shù)字雙通道系統(tǒng),構(gòu)成冗余熱備用設(shè)計。僅需其中一個數(shù)控器在線工作正常,即可確保晶閘管整流機組直流供電,保證了直流供電的可靠性。

      由數(shù)控器構(gòu)成的穩(wěn)流控制系統(tǒng),可實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)外故障自診斷智能化保護處理及維修故障信息提示。

      完成最大機組過流限制與保護,觸發(fā)電壓及脈沖功放故障監(jiān)控及保護,雙穩(wěn)流通道全自動熱備用監(jiān)控切換等智能化保護處理功能。采用智能邏輯判斷,自動選擇最佳直流電流調(diào)整模式及最佳有載開關(guān)操作動作配合使機組達到最佳運行效果。

      2.1.2 在線器件更換維護方便

      多層次冗余系統(tǒng)備份設(shè)計,可滿足在晶閘管整流機組供電不中斷的情況下,在線維修更換系統(tǒng)中的全部任一模塊及器件。并由系統(tǒng)自動識別判斷,實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)主備自動復(fù)制。

      2.2 整流裝置的設(shè)計理念與維護

      晶閘管整流裝置需設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)先進,為電解鋁行業(yè)提供穩(wěn)定、可靠的直流供電。

      2.2.1 良好均流系數(shù)

      晶閘管元件的選擇不僅要求在ITAV和VDRM/VRRM進行匹配,還要對晶閘管的觸發(fā)電流IGT的大小和通態(tài)壓降VT的分散性、元件結(jié)溫等方面進行匹配,來保證機組良好的均流系數(shù)。并在每個元件加上均流電抗器,強迫均流,保證均流效果持久性。

      2.2.2 整流柜絕緣隔離

      在相間、臂間及層間裝有絕緣隔板,避免元件故障引起相間臂間拉弧。

      2.2.3 脈沖模塊安全等級高

      每個單元脈沖模塊嚴(yán)格執(zhí)行耐高壓檢測,保證脈沖模塊安全可靠運行。觸發(fā)脈沖從穩(wěn)流控制器至整流柜內(nèi)脈沖模塊具有三道隔離防護措施,可有效防止整流柜內(nèi)高壓反串至穩(wěn)流控制器,確保穩(wěn)流控制器安全。

      3 在鋁廠中的應(yīng)用實例

      某鋁廠整流所為400KA整流裝置,系列直流電壓為1000V。系統(tǒng)采用6套晶閘管整流裝置,每套整流裝置直流輸出電流90KA,其設(shè)計參數(shù)如下:

      (式中ΣP—整流柜總損耗)。

      每套整流裝置采用數(shù)字化智能控制器,既能獨立完成自身的控制、調(diào)節(jié)、管理功能,又能相互之間進行通訊,實現(xiàn)了集中、協(xié)調(diào)的統(tǒng)一管理。晶閘管整流裝置智能控制系統(tǒng),采用獨立的電流小閉環(huán)控制,具有優(yōu)越的穩(wěn)流性能,即使發(fā)生多個陽極效應(yīng),其動態(tài)穩(wěn)流精度仍可達到0.1%。經(jīng)現(xiàn)場實踐,晶閘管整流裝置運行安全穩(wěn)定,維護方便、顯著提高了電解鋁生產(chǎn)效率,為鋁廠帶來了可觀的經(jīng)濟效益。

      4 結(jié)語

      晶閘管整流裝置通過改變導(dǎo)通角來改變輸出電流,其響應(yīng)速度快,具有較高的動態(tài)穩(wěn)流精度。由于采用全數(shù)字化智能控制系統(tǒng),提高了整流裝置的可靠性,使整流裝置的結(jié)構(gòu)簡化、維修方便、均流系數(shù)提高、節(jié)能效果顯著。

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