| 电解系列不停电停开槽可行性技术方案 |
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| 2007-07-05 17:05 文章来源：阳谷县外经贸局 |
| 文章类型：原创 内容分类：供求 |
一、目前电解铝行业存在的技术性问题
电解铝是高耗能产业，随着国际能源形势日趋紧张，能耗问题成为制约电解铝工业发展的重大问题，并受到高度关注。为了降低生产成本和保证可靠供电，铝厂办电厂或电厂办铝厂逐渐成为电解铝工业发展的突出特点，出现了一大批“铝电直供”或“铝电合一”的电解铝企业，使其形成了大系列、小电网的运行模式，很多企业甚至是独立电网运行。然而，无法改变的事实是，当一台电解槽需要维修时，需要系列停电才能完成。长期以来，国际铝工业巨头美铝、法铝及大电流开关制造商都致力于开发不停电停、开电解槽的方法和装置。
电解铝生产电解槽系列用电负荷有的超过几十万kW，其用电负荷出现大幅度的波动(最大的波动是电解槽系列停电造成的)将会给电网或自备电厂造成巨大的影响，直接威胁供电安全。即使是大电网供电，其影响也是不容忽视的。受现有工艺技术规范的制约，目前，当铝电解系列中某一台电解槽需要大修时，一般需停电20～30分钟，先接通短路母线，断开检修槽进行检修；检修完毕后又需停电至少20分钟，将电流从并联短路母线切换到该台电解槽。每完成一次操作大约需要40～60分钟，这期间整个系列处于停产保温状态，不仅使电解铝生产技术条件遭到严重破坏，生产效率降低，电解槽效应增加，能耗增加，而且这种影响会持续一至二天，并很大程度上制约着铝电解槽寿命的提高。更为严重的是，这种大负荷的波动极易对电网安全运行造成危害。对于铝电合一的电解铝企业，不仅发电量降低、能耗大幅度增加，而且极易损害发电设备，经实地考察有的企业因新建系列开槽频繁负荷波动过大而致使电厂发电机停转的个例。因此，开发应用大型铝电解槽专用不停电短路装置，实现电解槽的不停电短路操作成为世界电解铝工业急于解决的一项重大技术难题。
二、针对此技术难题的项目设计与开发
针对以上问题我们经过对电解车间的实地考察和多次测量，并根据实际运行状态和常规运行参数以及电解槽维修时的实际操作流程，经过客观分析、对比性论证、精确计算和模拟测试作出以下可行性技术改革方案
整个车间的电解槽为串联供电方式，总电流为10-32万安培、每槽的压降约为4.2伏，当其中有电解槽需要维修时由于电流巨大很难带电操作，按常规的操作方式为：首先由电厂进行降压然后再断开整个车间（所有电解槽）的电源，在断电的状态下把需维修的电解槽从整个串联电路中撤出，再接通其下放的旁路母线，这样把需维修的电解槽从整个串联电路中脱离出来后，再重新给整个车间供电进入工作状态，在这期间大约需要40～60分钟左右的时间，在此时间内由于整个车间所有的电解槽都停止了工作，将势必对整个车间的生产效益产生很大影响、使企业造成一定的经济损失，如果能达到不间断操作，也就是说在不停电（不影响其它电解槽正常工作）的情况下，把有问题的电解槽能安全的从整个串联电路中撤出或者移入，这样不但提高了生产效率同时也为企业的增效节支做出了不小的贡献。针对此问题我们做出了以下不间断操作技改方案
1、要想做到不间断（即带电状态下）操作首先必须做到以下三点
1.1、要能在不停电的情况下强行地把需维修的电解槽进行旁路。
就是说设方做一种装置，这种装置能在带电的情况下把连接电解槽的旁路母线进行短接（见示意图1）由于旁路母线的内阻要远远低于电解槽本身的内阻，因此短接后电解槽两端的压降会变得非常低，电流大部分会转移到旁路母线上去，而流经电解槽上的电流将微乎其微，相对于此电解槽来说就近似于停电状态，这样便可在不停电的情况下人为把连接电解槽的短路口装置短路，然后再断开旁路母线装置（即从系统撤除旁路母线装置，这是此装置由可用于其它需维修的电解槽）次时流经旁路母线上的电流便会转移到短路口上流通，由于短路口装置的内阻同样非常低，因此流经电解槽上的电流以及产生的压降都同样是微乎其微（近似于断电状态）此时带电操作将不会出现任何危险，从而避免了因维修时需停电致使所有的电解槽都无法正常工作而给企业带来的经济损失。开槽时（即电解槽修完后把此电解槽接入系统时）同上类似，即先用此短路装置把旁路母线进行短接，再人为地断开断路口，然后再控制此短路装置把短路的旁路母线断开，此时被旁路母线分流的电压、电流便会随着旁路母线的断开而转移到已修好的电解槽上进入正常的工作状态，带电维修工作便告结束。
1.2、旁路母线的整体内阻要严格低于电解槽本身内阻（根据它的压降计算它的内阻值），只有这样短路旁路母线时才能把电解槽上的电压和电流降到可带电操作的范围之内
1.3、由于流经电解槽的电流巨大（19-32万安培）母线短路装置设计必须合理，闭合与断开应能够安全的进行，否则操作时将会非常危险。
2、 针对以上要点对母线短路装置的设计共可采取三种形式，下面分别对这三种形式逐一进行详细的分析和对比。
2.1第一种形式为大面积一次性接触式
所谓的大面积一次性接触式就是在进出母线之间串接一种大型的直流接触开关，由于它所控制的电流巨大所以要求它在闭合时接触电阻应非常小（应小于母线的内阻值），这就要求整个触点的面积应足够大并且能够确保整个触点的同时闭合率达到90%以上、断开时灭弧系统应做得相当完善，否则很容易造成触点瞬间烧坏甚至会引起打炮的危险，这么大的触点面积做到如此精密是非常难得，即使做到对日后的维护也是一种考验，特别是灭弧系统做起来非常复杂，这种方式常规下很难做到而且稍有偏差会留下安全隐患，因此这种方式的安全性、可靠性、操控性都非常差，由于电流巨大环境恶劣触点的寿命也将会受到影响因此经济性也很难提高，故不主张推行此方案。
2.2半导体硅控开关式
就是采用大功率半导体开关器件IGBT模块进行多级并联后，组成一只可控制的并且符合电流要求的直流开关装置，它的控制部分采用先进的计算机模糊跟踪控制技术，根据操作指令及在路的各种数据分别控制相应的IGBT模块导通或者截至以达到开关的目的，这种装置由于IGBT模块有一定的内阻因此它有一定的功率消耗，工作时要求有良好的散热环境否则将会引起过热而埙坏，因此对环境要求较高并且投资巨大，故它的经济性和适应性都不高而且对操作流程要求较高，如有疏忽容易引起IGBT模块的连锁埙坏，因此此方案也不太适合在环境恶劣的电解车间推广。
2.3采用多级控制阶梯式开关装置（见图2）
这种方式就是采用大容量的直流开关装置进行多级控制，而且分别有其独立的灭弧系统，整体操作时采用分级控制，换个角度来说整个控制过程就好似大功率电机所采取的变频软启动一样，控制起来非常柔和，没有大的浪涌冲击，因此这种方案的安全系数非常高、而且整体投资相对较少、对环境场地没有特殊要求，因此相比之下比较适合在电解车间运用。
3、设计的直流切换装置所采取的开关形式可分为四种
⑴、电动式 ⑵、气动式 ⑶、液压式 ⑷、人工手动式
4、设计的直流切换装置所采取的中心控制方式可分为两种
⑴、工业计算机控制方式 ⑵、单片机控制方式
5、设计的直流切换装置所采取的安装形式可分为两种
5.1 固定式：所谓固定式就是在每个电解槽之间都固定安装直流切换装置，当有电解槽需要维修时就直接控制其对应的切换装置作相应的闭合与断开动作，这种方式的优点在于使用时不用重复安装，维修电解槽时方便快捷、省时省力但是这种方式的弊端也非常突出，投资巨大而且利用低，成本的返回周期较长，这样势必给企业造成了较大的经济负担，因此这种方式并非最佳方式。
固定安装模式的短路装置示意图
5.2 活动式：所谓的活动式就是整个电解车间只做一台或几台直流切换装置，它和旁路母线的联接方式为夹接式，并且均以软导体引出、整体可根据需要随意移动，当有电解槽需维修时可把切换装置移动到此槽的旁路母线上方，人工（也可做成自动装置，成本需增加）把输入输出软导体通过夹接板分别和电解槽的旁路母线相接通，然后在控制切换装置进行相应的开关动作，以完成整个切换过程，这种方式的缺点就是操作时费时费力、速度慢，但它的优点却非常突出，投资小、利用率高，可为企业节省大量资金，减轻了企业的经济负担，这种方式做为节约降耗来说不失为一种最佳方式，因此也是我们主要推荐的一种方式。
三、 项目的成功实施
根据以上我们提出的技术方案经过长时间的研制开发和反复试验，我们已成功研制出了大型铝电解槽维修用不停电停、开槽装置“电解多级并联逐级通断式短路装置”。经过多次实地运行性能稳定、效果良好并且安全系数非常高，经过实测各种数据均和理论数据相符。它的成功告破可彻底解决大型铝电解系列因电解槽大修而被迫系列停电的重大技术难题，可有效地解决铝电解槽因停电检修而给整个系列带来的不利因素，可成功地实现铝电解系列正常条件下的不停电生产。
四、项目推广所产生的效益
据专家测算，这个项目的产业化将产生显著的社会经济效益。对有20万吨生产能力的铝电合一企业而言，每年可节电800多万度、增产铝锭2500多吨、减少自备电厂燃料重油2000多吨，综合经济效益每年可达2000多万元，并可大幅度提高发电、生产设备寿命，减少污染。该技术全国推广后每年可节电8.5亿度，增加经济效益10亿元以上，因此具有广泛的推广应用前景。
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