铝电解用电技术进展与应用.docx

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1、电解铝供电技术开展与应用摘要：随着现代科学技术的开展，大型现代化企业不断涌现。我国铝工业以每年约100万吨规 摸飞速开展，近几年已经建设或规划了几个百万吨级的电解铝生产基地。因此，立足于国产设 备的单系列电解铝年产能已经到达25万吨。通过不断消化吸收世界上的先进技术，电解工艺、 供电整流及其自动化控制的设计理念发生了巨大的变化，如：1) 电解槽技术进步促进了电解铝生产的节能降耗；2) HOkV. 220kV高压配电装置已完全无油化，并大量应用高度集成的GIS组合电器；3) 整流所综合自动化装置经过几年的应用得到了进一步的完善、提高；4) 整流机组向高电压、超大功率、低能耗、低噪音、高可靠方向开

2、展；5) 多种形式的22()kV调压整流变压器被研制、开发和应用；高电压(Udn=1300V)、大电流(单机lOOkA)整流装置随着大功率元件的采用而被 开发和应用；6) 对电解车间隔离电源配电系统及绝缘监测进行了优化设计；7) 电解铝厂谐波治理技术被大面积采用，其安全可靠性大大提高；8) 随着计算机网络技术的开展，铝厂的全厂网络监控管理系统正在得到开发和应用。 关键词：电解铝 整流 谐波1 .电解槽的技术进步实现了节能降耗在80年代以前，我国电解铝技术较落后，基本上是60kA以下小型自焙槽，槽电压为4.4 4.5V,基本没有槽控技术，不能实现自动稳流，电流效率在88%90%左右，交流吨铝电耗

3、在 15000kWh以上。80年代中期引进了外国的160kA电解槽技术并成功应用在青海和贵州铝厂， 带动了电解技术新一轮的革命。在吸收外国先进技术、引进先进软件的基础上，我国在90年代 成功地开发出了具有独立知识产权的160kA及以上的大型预焙电解槽，直至目前广泛应用的 300kA和350kA新一代大型预焙槽。为大型槽配套开发了智能模糊控制技术，采用了先进的计算机自动稳流技术，改进了电解 槽母线配置，使用了新型槽内衬材料，使各项技术指标均有很大的提高。如槽电压降为4.15 4.25V,电流效率提升为93%95%,交流吨铝电耗降为14000kWh左右，到达了国际上的先进 水平，使我国在极短的时间

4、内跃升为世界第一产铝大国。2 . HOkV. 220kV的配电装置已完全无油化及GIS组合电器的应用电解铝厂95%的用电负荷为一级负荷，对电解整流所的供配电要求极高，要求不间断可靠 供电。现代化大型电解铝厂的U0kV(220kV)配电装置已完全无油化，有的已经采用GIS组合电 器，由此，可大大减小运行维护量，降低本钱，提高供电运行的可靠性。继200()年郑州长城铝 厂GIS组合电器投运以来，兰州连城铝厂的220kV的GIS组合电器已经投运，山东在平铝厂 220kV的GIS组合电器即将投运，山西铝厂28万吨电解铝工程两个系列220kV的GIS组合电 器配电装置正在设计过程中。经过我们对土建工程、

5、设备价格和安装总费用比拟，同样一个220kV配电装置如采用组装式全无油配电装置与采用GIS组合电器配电装置相差不大。GIS组 合电器配电装置的优点是全无油、安装工期短、布置紧凑占地面积小，尤其对24个并排布置 的电解系列更能表达出它的优点。3 .220kV调压整流变压渊得到了研制、开发和应用单系列年产10几万吨以下的电解铝厂，其供电电源的电压等级通常为HOkV （如铝厂距 自备电厂近时110kV供电综合技术经济比拟更有优势），对于110kV供电的调压整流变压器， 德国MR公司早在十几年前就已针对电解铝厂用的U（）kV调压整流变压器研制出了带粗细调的 79级连续有载调压开关，这样可将HOkV调压

6、整流变压器制作成端部自耦调压，此种结构的调 压整流变压器具有型式容量最小、整流效率高等优点，在UOkV供电的电解铝厂中自耦调压整 流变压器广泛地被应用，给电解铝厂带来了可观的经济效益。近几年来，随着电解铝厂向大型化，规模化方向开展，单系列产能已经到达25万吨，不 仅要求直流系列电压越来越高，而且随着单系列产能的不断加大，UOkV电压等级由于受供电 距离及电能传输能力的限制已不能满足大型电解铝厂的要求，采用220kV电压供电已成为大型 电解铝厂的主导趋势。然而，目前国内外适用于220kV电压等级自耦调压整流变压器的连续有 载调压开关还没有应用，因此只能改变调压整流变压器的结构来适应有载调压开关。

7、随着技术的进步和我们与变压器生产制造业的不懈努力，现在已开发应用了下述儿种 220kV调压整流变压器：1 ） 220kV双圈降压二次调压整流变压器：其优点是结构简单，制造容易、运行可靠；缺点 是型式容量大，效率低。2 ） 220kV降压自耦调压整流变压器：其优点是型式容量较小，效率较高；缺点是结构较复 杂，运行经验较少。3 ） 220kV第三绕组调压整流变压器：其优点是型式容量最小、效率高，有载调压开关所在 的第三绕组与主变是磁耦合关系，没有直接电的联系，因此开关的电压等级不受网侧电压等级 的限制，运行可靠；缺点是现在还不能实现连续调压、结构复杂。上述三种调压整流变压器目前均有实际应用，具体采

8、用何种方式需视工程具体情况而定。4 .大功率整流技术应用随着电解工艺水平的不断提高，大系列、高产能（年产25万吨）的大型电解铝系列已经越 来越多，对整流机组的运行可靠性要求也越来越高，因此，设计和开发1300V以上系列直流电 压的整流机组来满足工艺的要求已经十分必要，对此，我们已经做了大量的工作并进行了一定 的技术储藏。4.1 电解铝厂整流所采用晶闸管整流和二极管整流（有载调压器开关配自饱和电抗器自动 调压）两大技术方案，大功率二极管和晶闸管已开展为3.5英寸和4英寸，晶闸管整流具有响 应速度快、调压范围广等优点，当采用晶闸管整流时，调压整流变压器不必采用大范围多级数 调压的有载调压开关，可采

9、用大级差无载分接开关，这样不仅可以充分利用晶闸管可控输出的 优点，而且可以大大节省投资。如90年代广西平果铝厂全套引进的设备。可是，国内几家采用 品闸管整流的电解铝厂仍采用了较多级数的有载调压开关。4.1.1 晶闸管整流装置应用于电解铝厂面临的几点实际问题：a.完全立足于国内的无我分接开关粗调与晶闸管整流配合，应用于新建电解铝厂的成套装 置还没有应用经验。b.由于电解铝厂的整流所系列直流电流高达300kA以上，因此杂散磁场产生的干扰较大， 对晶闸管的二次触发控制回路影响较大，设计时需采取很好的抗干扰措施。c.由于电解铝厂的直流用电负荷大且集中，是很大的谐波源，而且自然功率因数较低，仅 有0.8

10、6左右，特别是晶闸管深控时更加严重，如不进行很好的治理对电力系统及通信设备影响 较大，因此，应用晶闸管整流装置时很难充分利用品闸管深控特性，这也是国内铝厂较少采 用晶闸管整流的原因。4.1.2 有载调压器开关粗调配自饱和电抗器细调二极管整流二极管整流采用有载调压开关配自饱和电抗器自动调压稳流细调是目前电解铝行业应用最 普遍，也是最成熟的方案，其优点是运行可靠、便于维护；缺点是体积和噪音较大。此方案既当因电解过程产生电流波动时，采用自动控制自饱和电抗器的阻抗，改变输出电 流，假设超出其调节范围时就调节变压器有载调压开关来自动稳流。4.2 设计中要注意以下几点a.按N+1原那么合理确定并联运行的整

11、流机组数量，采用多机组并联，如300KA及以上系列 为五，六台并联，防止单机组容量过大，以尽量减小二次及直流侧短路时对整流柜内元件的冲 击；b.在保证整流变压器继电保护灵敏度和有利于整流器元件等原那么下合理确定调压整流变压 器阻抗电压；c.在调压整流变压器内和整流柜内采取切实可行的措施来降低因操作过电压对整流臂元件 的冲击；d.对高电压大容量的整流机组采用国外先进的高开断容量的单体快速熔断器。5 .整流机组向低能耗、低噪音、高可靠性方向开展众所周知，电解铝厂不仅是电力耗能大户，而且对供电的可靠性要求极高。整流机组（含 饱和电抗器）不仅容量大，而且由于是典型的低电压大电流整流装置，因此效率低、噪

12、音大。 多年来，尽量提高电解铝厂整流机组的效率，同时提高可靠性、降低噪音，是进行电解铝厂整 流所设计不懈努力的目标。对此，我们通过多年的设计和运行实践，总结出如下几点经验：5.1 调压变压器，整流变压器和自饱和电抗器三局部构成了整流器的电源，常常将调，整 变共油箱，即通常所说的主调合一，自饱和电抗器独立油箱。由于自饱和电抗器独立油箱噪音 大的缺点，对此我们采用了行之有效的改进方案，无论是对220kV调压整流变压器还是110kV 调压整流变压器均要求自饱和电抗器置于整流变压器油箱中；5.2 即使是UOkV调压整流变压器也已改变了过去主调合一的传统设计模式；5.3 设计成主调分开将自饱和电抗器置于

13、整流变压器油箱(主要是考虑运输问题) 如 运 输条件允许采用三者合一结构更好，如：河南焦作铝厂、青海铝厂一、三期改造工程、伊朗阿 拉克铝厂等。采用此种结构的优点：a.由于自饱和电抗器置于整流变压器油箱，可以利用整流变压器的铁心和油箱来吸收饱和 电抗器噪音对外界的影响；b.可减少整流变压器与自饱和电抗器置之间的大电流铜排连接，缩短了连接母排长度，降 低了不必要的损耗同时减少了三分之二的大铜排穿油箱点，相应减少了三分之二的可能漏油点, 提高了整流变压器的运行可靠性。5.4 无论是22OkV还是110 kV调压整流变压器，当采用调压变压器和整流变压器分箱结构 时，我们建议不采用目前常规使用的油中油套

14、管联结的结构，而采用电缆插拔头联结方案，该 连接方式的优点是，现场安装方便，插拔电缆头互换性强等，克服了油油套管联结现场安装麻 烦和检修拆装困难等缺点。采取上述措施后可将整流机组的直流额定电压尽量做得足够高。6 .整流所综合自动化系统经过几年的应用得到了进一步的完善、开展由于磁场干扰因素及系统控制保护较复杂，电解铝厂对供电连续性要求非常高，整流所用 计算机综合自动化装置较晚，是从1999年开始的。当时做的并不是很完善，真正适合于电解铝 厂变电整流所的微机综合自动化装置还是近几年通过几个电解铝厂的应用和总结，得到了完善 和提高，比方：河南伊川铝厂、浙江华能铝厂、兰州连成铝厂、青海铝厂一、三期改造

15、工程等。 主要特点为：a.网络配置更加简洁合理，将监控单元及PLC控制器分别独立设置在220KV (110KV)配 电站间隔和变压器、整流器间隔内完全分散式部置，减少了主控制室内大量的控制盘和保护盘, 节约大量的电缆，减少了故障点。b.抗干扰措施更加完善；c.功能更加充实，主要表达在将电解铝厂的自动稳流控制等过程控制纳入到了微机综合自 动化系统中；d.将220KV (110KV)配电站内的断路器和隔离开关均实现远距离计算机遥控分合闸；e.模拟监控屏采用了具有五防监控功能的PLC控制系统。f.实现了调压整流变压器的油风冷却器由PLC点对点控制到单个的油泵和冷却风机控制， 不仅提高了自动化水平，而

16、且可以按需要的冷却容量投入冷却风机，以到达节能降耗的目地。7 .对电解车间隔离电源配电系统及绝缘监测进行了优化设计过去设计的电解车间隔离电源配电系统存在以下几个缺陷：a.每个隔离变压器虽然采用的是双电源供电，但是，双电源的切换是靠人工倒换，也就是 说当一个电源故障造成停电后由人工去投入另一个电源供电；b.绝缘监视装置是采用的微安指针表计靠人工巡视来检查绝缘是否破坏，即使绝缘破坏也 不能及时发现；C.隔离变压器、进线和配电开关、绝缘监测装置分散布置在一个房间内，不仅占地面积大 而且很不规整，易于造成短路等故障。现在设计的电解车间隔离电源配电系统不仅完全克服了上述的缺点，而且，可实现计算机 智能监

17、控，主要表达在：a.每个隔离变压器的双电源供电装置采用是空气开关机械连锁自动投入装置，同时设置自 动投入开关输出报警接点，可将此接点送到上位计算机（或PLC）管理系统；b.每个隔离变压器的绝缘监视装置，现已改为具有模拟量输出的在线监视装置，该模拟量 输出送到上位计算机（或PLC）管理系统。8 .电解铝厂谐波治理技术开发及应用电解铝厂直流负荷大且集中，是较大的谐波发生源，而且，由于自然功率因数较低只有0.86 左右，如不进行切实可行的治理，对供电系统特别是自备电厂的为害极大，因此，任何一个 大型电解铝厂在进行工程设计时必须合理确实定谐波治理和功率因数补偿方案。为满足 GB/T14549-93国家

18、标准对公用电网谐波的限制要求，对电解铝用整流装置采用了如下措施:8.1 采用多相整流系统，以减少谐波发生的几率a.单台整流机组采用等效12相整流系统；b.多台整流机组采用等效多相整流系统。8.2 采用滤波装置进行滤涉及功率因数补偿a.集中式滤波装置：普遍应用于U0KV及以下直降式整流机组供电系统，在U0KV及以 下配装置母线上集中滤波；220kV集中补偿滤波装置也可以 进行设计，只要电解铝厂所连 接的供电系统有这个需求即可开展工作。b.分散式滤波装置：应用于220kV直降式整流机组供电系统，在整流机组调压变压器第三 绕组上滤波。集中式滤波装置滤波效果显著，又能对无功功率进行补偿；而分散式滤波装置，对无功功 率补偿效果好，而滤波效果较差，且对第三绕组动热稳定等要求严格。9 .利用计算机网络技术，提高铝厂的现代化监控管理水平随着计算机网络技术和现代通讯技术的不断进步和大型现代企业对管理水平的要求不断 提高，对新设计的大型现代化电解铝厂，建立一个集财务资源、人事资源、物流分析、生产过 程监控管理等功能的综合管理网络平台，是十分必要的，也是提升企业管理水平的毕经之路。 对此我们近年来，做了大量的技术开发和技术储藏工作，已经取得了很大的进展。